目前,高速列車普遍采用電力牽引方式。受電弓是安裝在高速列車上的一種從接觸網(wǎng)上集取電流的專用設(shè)備,因此受電弓和接觸網(wǎng)之間平穩(wěn)的接觸狀態(tài)是保證列車受流質(zhì)量優(yōu)良的關(guān)鍵,高速鐵路受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
圖1 高鐵受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)示意圖
在高速列車受流質(zhì)量的評價(jià)體系中,接觸力是其非常重要的指標(biāo)。隨著高速列車速度的提升,受電弓與接觸網(wǎng)之間復(fù)雜的耦合振動(dòng)會(huì)更加劇烈,體現(xiàn)在接觸力的波動(dòng)變大,受流質(zhì)量急劇變差,脆弱的弓網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)成為高速列車舒適性和可靠性提升的嚴(yán)重障礙。
當(dāng)接觸力波動(dòng)幅度過大時(shí),弓網(wǎng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)離線、燃弧等現(xiàn)象,使得受流質(zhì)量變差,受電弓也容易出現(xiàn)故障損壞。接觸力過大時(shí),既加重了受電弓滑板的磨損,同時(shí)也增加了運(yùn)維成本。
根據(jù)中國鐵路總公司統(tǒng)計(jì)資料,牽引供電系統(tǒng)故障造成的鐵路事故在2008年、2009和2010年分別占到了當(dāng)年事故總數(shù)的28.8%、40.4%、29.6%,因此研究高速運(yùn)行中受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和改進(jìn)措施對高速鐵路安全運(yùn)行有重要的意義。
針對弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)的問題,國內(nèi)外學(xué)者對高速弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行了大量的分析與研究,比如優(yōu)化受電弓結(jié)構(gòu)、優(yōu)化接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化受電弓靜態(tài)抬升力等。由于受電弓結(jié)構(gòu)優(yōu)化難以及時(shí)調(diào)整,所以適應(yīng)不同類型的接觸網(wǎng)的靈活性較差。如果針對既有線路進(jìn)行接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將涉及接觸網(wǎng)的大規(guī)模改造,需要花費(fèi)巨大的人力物力,成本極高。優(yōu)化受電弓靜態(tài)抬升力的作用效果又十分有限。
為解決上述問題,學(xué)者們提出受電弓主動(dòng)控制方法以減小弓網(wǎng)接觸力的波動(dòng)。受電弓主動(dòng)控制的適用性較高,該控制方法不需要針對具體類型的受電弓和接觸網(wǎng),控制算法確定的情況下只需調(diào)節(jié)控制參數(shù)便能應(yīng)用于所有類型的弓網(wǎng)系統(tǒng),并且受電弓主動(dòng)控制只需適當(dāng)改造受電弓,無需優(yōu)化接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu),無論是新建線路還是既有線路皆可應(yīng)用,成本較低。受電弓主動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制算法、量測系統(tǒng)和控制結(jié)構(gòu)等。其中,控制算法是受電弓主動(dòng)控制研究的核心和重點(diǎn)。
但是,大多數(shù)受電弓主動(dòng)控制策略屬于狀態(tài)反饋控制方法,控制目標(biāo)大都為減小接觸力的波動(dòng),并沒有考慮作動(dòng)器的輸出限制等實(shí)際問題;部分學(xué)者只對弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行了估計(jì),沒有提及受電弓其他狀態(tài)量的獲取方法,在基于狀態(tài)反饋的控制中,狀態(tài)量的獲取與精確性極為重要。控制算法的驗(yàn)證和分析大都在簡單弓網(wǎng)模型上進(jìn)行。在簡單弓網(wǎng)模型中,接觸網(wǎng)通常被看作為一根可變剛度的彈簧,與實(shí)際的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)差別很大,不能完全反映接觸網(wǎng)上波動(dòng)傳播和弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)。
西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員張靜、宋寶林 等,在2021年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,以高速鐵路受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象,提出一種基于狀態(tài)估計(jì)的受電弓魯棒預(yù)測控制器,以減輕弓網(wǎng)之間的接觸力波動(dòng),提高高速列車弓網(wǎng)受流質(zhì)量。
研究人員考慮受電弓工作環(huán)境中電磁干擾的影響和量測數(shù)據(jù)隨機(jī)丟失的情況,采用帶虛觀測的魯棒卡爾曼濾波算法實(shí)時(shí)估計(jì)受電弓狀態(tài)。為了降低接觸力的波動(dòng),提高列車受流質(zhì)量,同時(shí)考慮作動(dòng)器輸出限制和受電弓弓頭垂向位移的約束,提出一種基于狀態(tài)估計(jì)的受電弓魯棒預(yù)測控制策略。
仿真結(jié)果表明,即便在受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)的情況下,提出的狀態(tài)估計(jì)方法仍能精確獲得受電弓狀態(tài),減小受電弓-接觸網(wǎng)接觸力的標(biāo)準(zhǔn)差,有效降低了接觸力的波動(dòng),提高高速列車受電弓-接觸網(wǎng)受流質(zhì)量。
本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,原文標(biāo)題為“基于狀態(tài)估計(jì)的高速受電弓魯棒預(yù)測控制”,作者為張靜、宋寶林 等。