Railway catenary emulation on a power-HiL test rig using model predictive impedance control

Abstract

This thesis summarizes the main (academic) results developed by the applicant during the three year period of the project "Test Bed Control", an FFG-funded (Austrian Research Promotion Agency, project number 841331) cooperation between MELECS (respectively Siemens) and the Institute of Mechanics and Mechatronics, Department of Process Automation and Control at the Vienna University of Technology.The project's goal was to emulate the distributed-parameter dynamics of a railway catenary on a full-scale pantograph power hardware-in-the-loop test rig to allow for close-to-reality testing of trains' current collectors (also called pantographs).Strict real-time requirements on the mathematical model and the test rig control tasks had to be met. Key results of the modeling process to derive at a nonlinear real-time-capable catenary model that still retains high-fidelity are presented. Therefore, absorbing boundaries for the finite-difference and finite-element discretized (moving) Euler-Bernoulli-Beam dynamics were constructed.A model predictive impedance controller is then deployed on a full-scale pantograph test rig to emulate the nonlinear catenary dynamics to the unit under test. The consistency in the conserved quantities momentum and energy that are permanently exchanged between the unit-under-test and the test rig respectively the catenary model have been guaranteed to allow for a physically accurate coupling between the test rig and the pantograph.

Die vorliegende Arbeit fasst die im Rahmen des Dissertationsprojekts "Test Bed Control" erarbeitenden Ergebnisse zusammen. Das Projekt wurde von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG, Projektnummer 841331) gefördert und war ein Kooperationsprojekt zwischen der Fa. MELECS (bzw. in weiterer Folge Siemens) und dem Institut für Mechanik und Mechatronik (Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung) der Technischen Universität Wien. Projektziel war die Echtzeitemulation der verteilt-parametrischen Oberleitungsdynamik auf einem Power-Hardware-in-the-Loop Pantographenprüfstand um realitätsnahes Testen von Hochgeschwindigkeitsstromabnehmern bereits vorab im Labor durchführen zu können und so Einsparungen bei kostspieligen und aufwendigen Zulassungsfahrten zu erzielen.Harte Echtzeitanforderungen sowohl an die Simulation des zugrundeliegenden mathematischen Oberleitungsmodells als auch an die Prüfstandsregelung müssen erfüllt werden. Dies geht jedoch idealerweise nicht zulasten der Modellgüte und so werden hier wesentliche Resultate des Modellierungsprozesses dargestellt. Dies betrifft unter anderem die Herleitung von absorbierenden Randbedingungen für die Finite-Elemente und Finite-Differenzen diskretisierten partiellen Differentialgleichungen (bewegter Euler-Bernoulli-Balken unter axialer Vorspannung) als auch das anschließend eingesetzte, optimierte Integrationsverfahren.Ein modellprädiktiver Impedanzregler wird entwickelt, der die Dynamik des nichtlinearen, echtzeitfähigen Oberleitungsmodells am Stromabnehmerprüfstand einregelt und erlaubt so die komplexe Interaktion Stromabnehmer/Oberleitung bereits vorab im Labor zu untersuchen. Die Konsistenz in den phyisikalischen Erhaltungsgrößen Impuls und Energie, die permanent zwischen Stromabnehmer und Prüfstand bzw. zwischen Stromabnehmer und Oberleitungsmodell ausgetauscht werden, wird durch eine virtuelle Korrekturkraft sichergestellt. Dies führt zu einer realitätsnahen Kopplung zwischen Prüfling und Prüfstand.