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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)雜的耦合振動會更加劇烈，體現(xiàn)在接觸力的波動變大，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)接觸力波動幅度過大時，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，既加重了受電弓滑板的磨損，同時也增加了運(yùn)維成本。

根據(jù)中國鐵路總公司統(tǒng)計資料，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控制方法以減小弓網(wǎng)接觸力的波動。受電弓主動控制的適用性較高，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控制研究的核心和重點。

但是，大多數(shù)受電弓主動控制策略屬于狀態(tài)反饋控制方法，控制目標(biāo)大都為減小接觸力的波動，并沒有考慮作動器的輸出限制等實際問題；部分學(xué)者只對弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行了估計，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)上波動傳播和弓網(wǎng)系統(tǒng)振動狀態(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》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，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時估計受電弓狀態(tài)。為了降低接觸力的波動，提高列車受流質(zhì)量，同時考慮作動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)攝動的情況下，提出的狀態(tài)估計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，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》，原文標(biāo)題為“基于狀態(tài)估計的高速受電弓魯棒預(yù)測控制”，作者為張靜、宋寶林 等。