Un confronto tra diverse strategie di controllo di un pantografo ferroviario in presenza dell'irregolarità delle infrastrutture

Current collection for electrical trains is provided to electric locomotives through an overhead wire system called catenary. Current is picked up from overhead lines through a pantograph, the mechanical arm which ensures contact with the catenary. While the train moves the force between the pantograph and the catenary fluctuates around the designed value because of the difference in the overhead wire stiffness along the catenary span. The phenomenon get worse with increasing train speed reducing the current collection efficiency and accelerating the wearing process of the connected surfaces. Eventually, the pantograph detaches from the overhead wire and arcing occurs. In this thesis, a closed loop control force is applied to the pantograph frame in order to reduce the fluctuation of the contact force. A simulation model of the dynamic interaction between catenary and pantograph, describing the dynamic behavior of the catenary, is developed in order to evaluate the different control strategies performances. Different control strategies are developed. Optimal control theory is used considering different reference models for gains synthesis. One reference model is obtained by means of applying modal approach to the developed catenary model. Controller gains are also obtained through an optimization algorithm. Because of the particular gains structure which realizes an uncolocated control system every control strategy is coupled with a stability study of the controlled system. The infrastructures irregularities such as track profile irregularity and overhead line irregularity are introduced in the dynamic model, so that it is possible to evaluate their effect on the considered control systems performances. Finally a state observer is coupled with the control algorithms so that the number of gauges required is reduced. It is shown how it is possible, through the proper use of the state observer, to reduce the effects of the infrastructures irregularities on the controlled system and to bound the actuator required bandwidth.

La corrente elettrica, quando utilizzata per la trazione ferroviaria, viene resa disponibile alle motrici del rotabile attraverso una linea aerea detta catenaria. La corrente viene addotta alle motrici attraverso il pantografo, un organo meccanico che garantisce il contatto con la catenaria. Durante la marcia del treno, la forza di contatto tra catenaria e pantografo oscilla attorno al valore di progetto, a causa della variabilità della rigidezza della catenaria lungo il proprio sviluppo. Il fenomeno diventa sempre più marcato all'aumentare della velocità del treno, peggiorando il rendimento della trasmissione di corrente ed accelerando l'usura delle superfici a contatto, fino ad arrivare al distacco del pantografo dalla catenaria con il manifestarsi del fenomeno arco elettrico. Nel presente lavoro si riduce l'oscillazione della forza di contatto attraverso l'applicazione di una forza di controllo, in anello chiuso, agente sul quadro del pantografo. Viene implementato un modello per la simulazione del contatto tra la catenaria ed il pantografo, che simula il comportamento dinamico della catenaria, con il quale è possibile valutare le prestazioni dei sistemi di controllo utilizzati. Si sviluppano diverse strategie di controllo. Viene applicata la teoria del controllo ottimo a partire da diversi modelli di riferimento per la sintesi dei guadagni. Un modello di riferimento viene ottenuto servendosi dell'applicazione dell'approccio modale al modello di catenaria sviluppato. I guadagni del controllore vengono sintetizzati anche attraverso un algoritmo di ottimizzazione. Data la particolare struttura dei guadagni, tale da realizzare un sistema di controllo non colocato, per ogni strategia adottata, viene sviluppato uno studio di stabilità del sistema controllato. Nel modello di simulazione vengono introdotte le irregolarità delle infrastrutture ovvero l'irregolarità del binario e l'irregolarità di posa della catenaria, al fine di valutare gli effetti di tali disturbi sulle prestazioni degli algoritmi di controllo considerati. Infine si mostra come attraverso l'utilizzo opportuno dell'osservatore di stato, associato agli algoritmi di controllo sviluppati, oltre a ridurre il numero di misure effettuate sul sistema, sia possibile ridurre gli effetti dell'irregolarità delle infrastrutture sul sistema controllato e limitare la banda passante richiesta all'attuatore impiegato.