Analysis of application of state observer for pantograph-catenary contact force estimation

The contact force measurement is very important for diagnostic aims, since it provides important information about the state of the overhead line and of the pantograph, which inspection can avoid a lot of safety and economic issues. Moreover, the measurement of contact forces is required for the certification of the new pantographs. The current measurement system performs a direct contact force measurement by using load cells and accelerometer for the compensation of inertial forces. The measurement setup is very complex and especially due to the fact that the pantograph works at high voltage. Insulation is needed and solution to avoid electromagnetic interferences on sensor signal have to be found, as the case of optical sensors. For this reason, the use of a optical fiber measurement setup in combination with an Observer able to estimate the contact force between pantograph and catenary would reduce the complexity and the cost related to the contact force measurement. In this thesis, a Matlab-Simulink algorithm, based on the state observer theory, is developed to provide some indirect estimation of the real contact force, utilizing only a limited number of measurements. In particular, the algorithms are based on two types of Observers: the Extended Kalman filter and the Unknown Deterministic Observer (UIO). In the last part, the two algorithms were applied on some simulated and on some real in-line measurement, by comparing different possible measurement setup, in order to understand which solution is better in term of hardware complexity and estimation accuracy.

Le misurazioni sulla forza di contatto sono importanti nel campo della diagnostica ferroviaria, perché sono in grado di fornire informazioni chiave sullo stato della linea e del pantografo. Questo controllo, infatti, permette di prevedere ed evitare possibili problemi di sicurezza e di natura economica. Inoltre, la misura della forza di contatto è richiesta per ottenere la certificazione dei nuovi pantografi. Il sistema di misura correntemente in uso effettua una diretta misura della forza di contatto utilizzando celle di carico e accelerometri, necessari per compensare le forze inerziali. Questo sistema di misura è molto complesso perché è costretto a lavorare in un ambiente ad alta tensione. Infatti, l’isolamento è necessario e una soluzione possibile, per evitare interferenze elettromagnetiche sui segnali dei sensori, potrebbe essere l’utilizzo di sensori ottici. Per questo motivo, l’utilizzo di un setup di misurazione con fibre ottiche in combinazione di un Osservatore in grado di stimare la forza di contatto tra il pantografo e la catenaria, potrebbe ridurre la complessità e il costo relativo alla misura diretta. In questa tesi, un Matlab-Simulink è stato sviluppato basandosi sulla teoria degli osservatori di stato, con l'intento di effettuare una stima indiretta della forza di contatto, basandosi su un numero limitato di misurazioni. In particolare, questi algoritmi sono sviluppati su due diverse formulazioni di Osservatori di Stato: una stocastica, il Filtro DI Kalman Esteso, ed una deterministica, l'Unknown Input Observer (UIO). In conclusione, i due algoritmi vengono applicati su misurazioni simulate e su misurazioni reali, con l’intento di effettuare un confronto tra diversi setup di misura, valutando quale soluzione è migliore in termini di accuratezza di stima e di complessità di hardware.