高速铁路安全可靠运行的一个重要条件是接触网与受电弓稳定的滑动接触,二者的动态耦合质量在一定程度上决定了车辆受流质量,其重要标志之一就是弓网接触力的波动程度。随着运行速度的不断提高,再加上外界环境的影响,弓网接触力波动越来越剧烈,严重干扰了为车载牵引设备的供能。受电弓主动控制是降低接触力波动的有效途径和手段。但过去研究存在模型简单导致验证不充分、不考虑控制器输入以及未考虑实际应用过程中的作动器时滞等多种问题。基于此,本文以高速铁路受电弓、单弓-网系统和双弓-网系统为主要研究对象,以降低弓网系统接触力波动为主要目标,以受电弓主动控制为主要手段,以“弓网系统建模→受电弓状态估计→基于估计的有限频域控制→考虑作动器时滞的控制器设计”为研究路线研究了高速铁路受电弓主动控制中的若干关键问题。首先,建立了弓网系统动态耦合模型。在受电弓建模方面,利用拉格朗日方程建立了受电弓框架的整体运动微分方程,通过对不同杆件动能、势能和外力分析,推导了受电弓多刚体模型;建立了受电弓三元归算质量模型。在接触网建模方面,将接触线和承力索在特定时刻接触点处的位移表示为一系列正弦函数和的形式,结合单元力分析,建立了基于模态分析法的接触网模型;建立了基于非线性索单元的接触线和承力索模型以及基于非线性杆单元的吊弦模型,进而建立了接触网三维非线性有限元模型。利用罚函数法进行弓网系统耦合,建立了单弓-网系统模型和双弓-网系统模型。利用欧洲标准EN50318和New Benchmark验证了模型有效性,结果表明所建弓网系统模型符合标准要求。其次,设计了面向控制的受电弓状态估计器。考虑了包括量测数据随机丢失、量测噪声统计特性未知和噪声统计特性时变三种情况下标称系统和非标称系统的受电弓状态估计算法。给出了基于卡尔曼滤波器的可考虑量测数据随机丢失的受电弓状态估计方法;针对量测数据随机丢失和模型参数扰动同时存在的情况,给出了应用鲁棒迭代估计方法实现受电弓状态估计;给出了应用自适应容积卡尔曼滤波器实现噪声统计特性未知时的受电弓状态估计方法;给出了应用自适应容积强跟踪滤波器实现量测噪声统计特性时变时的受电弓状态估计方法。结合非线性单弓-网系统和双弓-网系统模型,详细验证了算法有效性,结果表明相关方法在不同条件下可以精确估计受电弓状态。接着,设计了基于先验信息的受电弓鲁棒控制方法。通过分析引起接触力波动的主要原因,同时将接触力跟踪误差增广至系统状态空间方程,建立了面向控制的弓网系统增广矩阵模型,并对受电弓控制目标进行了数学化描述。在此基础上,给出了基于状态估计的多目标鲁棒H_∞控制器。为提高控制效率,利用功率谱密度辨识了接触力中的波长成分与接触网结构特征的关系,给出了基于接触力先验信息和状态估计的多目标鲁棒H_∞有限频域控制器。利用非线性单弓-网系统和双弓-网系统验证了两种控制器在受电弓参数扰动和外界环境风场扰动下的有效性和鲁棒性,研究结果表明,多目标鲁棒H_∞控制器在降低接触力波动的同时保持了平均值的稳定,限制了控制力大小和主动控制对接触网关键点处垂向位移的影响;有限频域控制利用接触力先验信息,有效提高了控制效率。最后,设计了基于状态估计的考虑作动器时滞的受电弓主动控制方法。根据时滞时长是否确定,分别设计了作动器确定时滞和随机时滞下的鲁棒多目标控制器。利用非线性双弓-网系统进行了控制器有效性验证,并在受电弓参数不确定性条件下进行了鲁棒性验证,研究结果表明,以线性矩阵不等式和李雅普诺夫理论为框架,利用显式设计方法设计的考虑作动器时滞的主动控制方法极大提高了时滞存在下的控制效率。