受电弓—接触网系统建模及主动控制研究

摘要

在高速铁路迅速发展的同时，其高速状态下受流问题已经成为制约运营安全保障的重要问题，而弓网系统的优劣又是决定高速列车能否稳定受流的关键因素。列车运行时，受电弓升起，弓头滑板与接触网接触，保持一定的接触压力，从接触网上获取电流并导入电力机车。但是，随着列车速度的提高，受电弓与接触网之间的动态接触变得越来越不稳定，导致各种弓网故障、车辆故障时有发生，不仅影响了列车的正常运营，带来巨大的经济损失，而且严重威胁乘客的生命安全。为了提高受流稳定性，保证列车安全运行，本文结合高速铁路发展的实际需要和提高弓网受流质量的具体要求，采用半实物半虚拟的混合模拟实验方法，对高速铁路弓网系统进行了动力学仿真及主动控制方面的研究，主要内容包括：
　　1、模拟接触线在与受电弓接触点处的位移：通过建立接触网有限元模型和接触网振动微分方程，进行模态分析，得到了简单链型接触网的固有频率和模态振型。然后，根据得到的固有频率和各阶振型，求得了接触网各阶模态的广义质量，模拟得到了接触线在与受电弓接触点处的位移。
　　2、受电弓辨识模型：设计受电弓子空间辨识实验，利用子空间辨识方法根据辨识实验得到的输入输出数据辨识出受电弓状态空间模型。首先利用MOESP方法获得初始估计，然后用最小二乘原理对初始估计进行优化改进，最后对辨识结果进行系统稳定性和准确性检验，确认了最优受电弓辨识模型。
　　3、将接触网与受电弓模型进行匹配，建立了弓网系统模型，并设计了PID主动控制方案，使得弓网间接触力变化幅度减小，受流更稳定。