Numerical and experimental analysis of different methods for the estimation of pantograph-catenary contact force

The contact force between pantograph and catenary is an important parameter for the definition of the current collection quality. Existing methods allow a good measurement of this force but are quite expensive, due to their complexity. In this work, a different approach based on the so-called unknown input estimation is presented, aiming at a simplification of the measurement setup through the reconstruction of the force by a linearised model of the system. In the text, a brief description of the current collection problem is firstly proposed. The standard requirements for the contact force measurement and some existing setups are then detailed. After that, the Kalman filter theory and its extension into the augmented filter are discussed. Various unknown input observers, derived in varying degrees from the Kalman filter, are enunciated. Afterwards, the numerical testing procedure to assess the different observers and the results of the numerical tests are described. The test rig for the experimental simulations is then introduced and the outcome of the laboratory trials is showcased. The results of the algorithms applied to data from an in-line test campaign are subsequently presented and commented. In the conclusion, a final discussion of the results is provided.

La forza di contatto tra pantografo e catenaria è un parametro importante per la definizione della qualità di captazione della corrente. I metodi esistenti per la misurazione garantiscono buoni risultati ma sono costosi data la loro complessità. Per questo, un approccio differente basato sulla cosiddetta stima degli input è proposto in questo lavoro, con l’obiettivo di semplificare il setup di misura mediante la ricostruzione della forza attraverso un modello linearizzato del sistema. Nel testo è innanzitutto esposta una breve descrizione del problema della captazione. Successivamente sono descritti sia la normativa per la misurazione della forza di contatto, sia alcuni setup esistenti. Viene quindi discussa la teoria del filtro di Kalman e la sua estensione nel filtro aumentato. Vari osservatori di input ignoti, derivati più o meno direttamente dal filtro di Kalman, sono presentati. In seguito, la procedura di verifica numerica dei differenti osservatori viene dettagliata, insieme ai risultati delle analisi. A questo punto, è introdotto il banco prova per le simulazioni sperimentali e sono esposti i relativi risultati. Gli algoritmi analizzati sono infine applicati a misure reali raccolte durante una campagna di prove in linea. Nella conclusione, i risultati delle varie prove vengono discussi.