CN103803378B - 用于控制电梯系统的操作的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制电梯系统的操作的方法和系统。该方法使用利用电梯绳的张力稳定电梯系统的状态的控制定律来控制电梯系统的操作。遵循由控制定律所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。控制定律是电梯绳的摇摆幅度和电梯绳的摇摆速度的函数。该方法确定在操作期间电梯绳的摇摆幅度和电梯绳的摇摆速度，且基于控制定律以及电梯绳的摇摆幅度和摇摆速度确定电梯绳的张力的大小。

Description

用于控制电梯系统的操作的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及电梯系统，更具体而言，涉及减小电梯系统中电梯绳的摇摆。

背景技术

典型的电梯系统包括沿着垂直电梯井中的导轨移动的轿厢和对重。轿厢和对重通过提升绳彼此连接。提升绳缠绕在位于电梯井顶部或底部的机房中的绳轮上。绳轮可以通过电气马达移动，或对重可以通过线性马达供电。

绳摇摆表示电梯井中提升和/或补偿绳的振荡。振荡可能是绳式电梯系统中的重要问题。振荡可能例如通过由于风引入的建筑偏离导致的振动和/或在电梯系统的操作期间绳的振动导致。如果振动频率接近或进入绳的自然谐波，则振荡可能大于位移。在这种情形中，绳可能与电梯井中的其他装置缠绕或跑出绳轮的槽。如果电梯系统使用多个绳且绳彼此不同相地振荡，则绳可能变得彼此缠绕且电梯系统可能受损。

各种方法通过向绳施加张力控制电梯绳的摇摆。然而，常规方法使用恒定控制动作来减小绳摇摆。例如，在美国专利5,861,084中描述的方法通过在检测到绳振动之后在绳上施加恒定张力最小化电梯补偿绳的水平振动。然而，向绳施加恒定张力不是最优的，因为恒定张力能够对绳导致不必要的应力。

美国专利公报2009/0229922A1中描述的另一方法基于伺服致动器，该伺服致动器移动绳轮以偏移补偿绳的自然频率以避免补偿绳与建筑的自然频率的共振。伺服致动器通过反馈控制，该反馈使用绳的末端处的绳振动的速度。然而，该方法仅解决补偿绳振动摇摆阻尼的问题。再者，该方法使得必须测量绳的末端处的绳摇摆速度，这在实际应用中是困难的。

美国专利7,793,763中描述的方法使用安装在轿厢顶部上的无源减震器最小化电梯系统的主绳的振动。减震器连接到轿厢和绳。减震器的阻尼系数的值和距离用于减小绳摇摆。然而，在该方法中，减震器数目与被控制的绳数目成比例。再者，每个减震器是无源的且与绳连续啮合，这可能在绳上引入不必要的额外应力。

例如参见美国专利4,460,065和美国专利5,509,503，其他方法单纯地使用机械解决方案以通过物理限制绳的横向移动来限制摇摆幅度。这种类型的解决方案在安装和维护方面可能是昂贵的。

相应地，需要最佳地减小电梯绳的摇摆。

发明内容

本发明的一些实施例的目标是提供一种通过向绳施加张力减小连接到电梯系统中的电梯轿厢的电梯绳的摇摆的系统和方法。

实施例的另一目标是提供优选地仅在必要时应用张力、使得可以减少电梯系统的组件的维护的方法。例如，本发明的一个实施例公开了一种通过在绳上施加时间变化张力减小电梯绳的横向绳摇摆的方法。

本发明的实施例基于这一现实：施加到电梯绳的张力可以用于稳定电梯系统。因此，可以使用电梯系统的模型基于电梯系统的稳定性分析张力。各种类型的稳定性被实施例用于描述代表电梯系统的动态系统的微分方程的求解。

例如，一些实施例要求代表电梯系统的动态系统是李雅普诺夫(Lyapunov)式稳定的。具体而言，电梯系统的稳定可以通过控制李雅普诺夫函数描述，其中稳定电梯系统的电梯绳的张力通过控制定律确定，使得遵循由控制定律所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。这些实施例中的一些还基于针对动态系统的假设模式的另一现实。代表假设模式及其时间导数的拉格朗日(Lagrangian)变量涉及摇摆和摇摆速度。控制李雅普诺夫函数是拉格朗日变量的函数，且因此，使用控制李雅普诺夫函数确定的控制定律能够涉及摇摆和摇摆速度。

相应地，一些实施例使用李雅普诺夫控制理论确定基于电梯绳的张力稳定电梯系统的状态的控制定律。这种方法使得例如仅在张力必要时才最佳地施加张力，这减小了维护成本。例如，一些实施例仅响应于绳的摇摆幅度的增加而施加张力，这相对于恒定张力方法是有利的。

一个实施例基于无外部干扰的电梯系统的模型确定控制定律。该实施例在外部干扰最小时是有利的。另一实施例使用干扰拒绝成分修改控制定律以迫使李雅普诺夫函数的导数是负定的。该实施例对于具有干扰的系统是有利的。在该实施例的各种变型中，在电梯系统的操作期间测量外部干扰。在另一变型中，基于外部干扰的边界确定干扰拒绝成分。该实施例允许补偿干扰而不测量干扰。这是有利的，因为一般地干扰测量并不轻易可得，例如，用于外部干扰的传感器是昂贵的。

而且，在一个实施例中，施加于电梯绳的张力具有恒定值(例如最大张力)且在最佳时间点基于摇摆幅度和摇摆速度的值切换到最小值(例如零)。该实施例相对容易实施。在另一实施例中，张力幅度是摇摆幅度的函数且随着摇摆幅度和摇摆速度的减小而减小。与一些其他实施例相比，该实施例使用较少的控制能量。

附图说明

图1A、1B、1C、1D和1E是采用本发明的实施例的示例性电梯系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的电梯系统的模型的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例用于控制电梯系统的操作的方法的框图；

图4A和4B是根据本发明的各个实施例基于李雅普诺夫理论确定控制定律的方法的框图。

具体实施方式

本发明的各个实施例基于这一现实：施加到电梯绳的张力可以用于稳定电梯系统。此外，电梯系统的稳定性可以通过控制李雅普诺夫函数描述，使得稳定电梯系统的电梯绳的张力确保控制李雅普诺夫函数的导数的负定性。

一些实施例通过基于控制定律改变电梯绳的张力以减小电梯绳摇摆来控制电梯系统的操作。一些实施例基于这一现实：绳的张力可以与李雅普诺夫理论一起使用以稳定电梯系统且因而稳定摇摆。通过组合李雅普诺夫理论和绳张力致动，根据一些实施例，切换控制器基于切换条件(例如实际摇摆的幅度和速度)优化控制张力的开启和关闭。基于李雅普诺夫理论获得切换条件以及施加的正张力的大小。

相应地，切换控制允许仅在必要时即在满足切换条件时向绳施加张力。因此，没有不必要的额外张应力施加于诸如电梯绳和绳轮之类电梯系统的部件，这可以减小维护成本。

图1A示出根据本发明的一个实施例的电梯系统100-A的示意图。电梯系统包括通过至少一个电梯绳可操作地连接到电梯系统的不同组件的电梯轿厢12。例如，电梯轿厢和对重14通过主绳16-17和补偿绳18彼此连接。电梯轿厢12可以包括联杆器30和安全钳下楔33。用于使得电梯轿厢12和对重14移动通过电梯井22的滑轮20可以位于电梯井22的顶部(或底部)处的机房(未示出)中。电梯系统还可以包括补偿滑轮23。电梯井22包括前壁29、后壁31和一对侧壁32。

电梯轿厢和对重具有在x、y和z方向中的力矩和为零的点处的重力中心。换句话说，轿厢12或对重14理论地可以在该重力中心(x，y，z)支撑和平衡，因为重力中心点附近的所有力矩都被抵消。主绳16-17典型地连接到电梯轿厢12的联杆器30，在那里轿厢的重力中心的坐标被投影。主绳16-17连接到对重14的顶部，在那里对重14的重力中心的坐标被投影。

在电梯系统的操作期间，系统的不同组件承受内部和外部干扰，例如，由于风导致的摇摆，导致组件的横向移动。组件的这种横向移动可能导致需要被测量的电梯绳摇摆。相应地，一个或一组摇摆传感器120可以布置在电梯系统中以确定电梯绳的横向摇摆。

该组传感器可以包括至少一个摇摆传感器120。例如，摇摆传感器120配置成在与摇摆传感器的位置相关的摇摆位置感测电梯绳的横向摇摆。

然而，在各个实施例中，传感器可以布置在不同位置，使得摇摆位置可以被恰当地感测和/或测量。传感器的实际位置可以依赖于使用的传感器的类型。例如，摇摆传感器可以是任意运动传感器，例如光束传感器。

在电梯系统的操作期间，摇摆的位置可以被确定且发送122到摇摆测量和估算单元140。摇摆单元140例如通过使用摇摆测量和系统的逆模型确定电梯绳的摇摆。各种实施例使用不同逆模型，例如包括绳、滑轮和轿厢的电梯系统的逆模型，而且各种实施例使用不同估算方法来从测量估算绳摇摆。

在一个实施例中，第一摇摆传感器被放置在对应于初始绳配置的绳中性位置(即无绳摇摆)。其他摇摆传感器远离中性位置布置且布置在与第一摇摆传感器相同的高度。

在系统100-A中，绳摇摆通过连接到补偿绳轮23的力致动器130控制。主绳轮闸160被啮合以停止主绳轮的任意旋转。然后，致动器130用于拉动补偿绳轮23以在绳中产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。致动器130通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还确定张力何时开启且张力何时关闭的时间。切换的时序基于从摇摆单元140获得的绳摇摆测量。

图1B示出根据本发明的另一实施例的电梯系统100-B的示意图。在系统100-B中，使用闸170约束轿厢移动，且主绳轮112被控制以旋转且在主绳上产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。主绳轮112通过控制单元150控制，该控制单元150确定施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算张力开启且张力关闭的时间。基于从摇摆测量/估算单元140获得的绳摇摆测量，通过控制单元150计算切换时序。

图1C示出根据本发明的又一实施例的电梯系统100-C的示意图。在系统100-C中，使用闸180约束补偿绳轮，且主绳轮112被控制以旋转且在主绳中产生外部张力，该张力使得绳变硬且附带地减小绳摇摆。主绳轮112通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算额外张力必须开启或必须关闭的时间。基于从摇摆测量/估算单元140获得的绳摇摆测量，通过控制单元150计算切换时序。

图1D示出根据本发明的又一实施例的电梯系统100-D的示意图。在系统100-D中，使用闸160约束主绳轮，且使用闸191约束上限速器绳轮190。限速器绳轮190通过致动器192控制以拉/推限速器绳轮190且在限速器绳193上产生外部张力。该张力暗示着通过链接194在电梯轿厢12上的力，这进而在主绳上产生张力。限速器绳轮190通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算额外张力必须开启且张力必须关闭的时间。基于通过摇摆单元140确定的绳摇摆，通过控制单元150确定切换时序。

图1E示出根据本发明的另一实施例的电梯系统100-E的示意图。在系统100-E中，使用闸170约束轿厢运动，且使用安装在固定台架196上的致动器195控制主绳轮112。闸170的操作在主绳上产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。致动器195通过控制单元150控制，该控制单元150确定施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算张力开启且张力关闭的时间。基于通过摇摆单元140确定的绳摇摆，通过控制单元150确定切换时序。

控制绳张力的电梯系统的其他修改是可能的且处于本发明的范围内。

基于模型的控制设计

图2示出电梯系统的模型200的示例。模型200基于电梯系统100-A的参数。各个方法可以用于根据电梯系统的模型模拟电梯系统的操作，例如，模拟通过操作电梯系统导致的电梯绳260的实际摇摆212。可以类似地得出其他电梯系统的模型。

各个实施例可以采用不同电梯系统模型来设计控制定律。例如，一个实施例执行基于牛顿第二定律的建模。例如，电梯绳建模为线且电梯轿厢和对重分别建模为刚性体230和250。

在一个实施例中，电梯系统的模型通过偏微分方程确定：

$\mathrm{\ρ}(\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}+v^2(t)\frac{{\∂}^2}{\∂y^2}+2v(t)\frac{\∂}{\∂y\∂t}+a\frac{\∂}{\∂y})u(y,t)-\frac{\∂}{\∂y}\left(y\right)\frac{\∂u(y,t)}{\∂y}+c\left(y\right)(\frac{\∂}{\∂t}+v(t\left)\frac{\∂}{\∂y}\right)u(y,t)=0---\left(1\right)$

其中，是函数s(.)相对于其变量V的i阶导数，t是时间，y是惯性坐标系中的垂直坐标，u是绳沿着x轴的横向位移，ρ是每单位长度的绳的质量，T是根据电梯的类型(例如，主绳，补偿绳)变化的电梯绳张力，c是每单位长度的电梯绳的阻尼系数，v是电梯/绳速度，a是电梯/绳加速度。

在如下的两个边界条件下：

u(0，t)＝f₁(t)

u(l(t)，t)＝f₂(t)

f₁(t)是代表由于外部干扰(例如风条件)导致的顶部建筑摇摆的第一边界条件，f₂(t)是代表由于外部干扰(例如风条件的)导致的轿厢摇摆的第二边界条件，l(t)235是主绳轮112和电梯轿厢12之间的电梯绳17的长度。

例如，可以根据下式确定电梯绳的张力：

T＝(m_e+ρ(l(t)-y))(g+a(t))+0.5M_csg+U

其中，m_e、m_cs分别是电梯轿厢和滑轮240的质量，g是重力加速度，即g＝9.8m/s²，且U是致动器130传送的外部张力。

在一个实施例中，偏微分方程(1)被离散化以根据下式基于常微分方程(ODE)获得模型：

$M\stackrel{\·\·}{q}+\left(C+G\right)\stackrel{\·}{q}+\left(K+H+\tilde{K}\right)q=F\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，q＝[q1，...，qN]是拉格朗日坐标向量，是拉格朗日坐标向量相对于时间的一阶和二阶导数。N是振动模式数目。拉格朗日坐标向量q通过下式定义了横向位移u(y，t)：

$\begin{array}{c}u(y,t)={\Σ}_{j=1}^{j+N}{q}_j\left(t\right){\mathrm{\ψ}}_j(y,t)+\frac{l-y}{l}{f}_1\left(t\right)+\frac{y}{l}{f}_2\left(t\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_j(y,t)=\frac{{\mathrm{\φ}}_j\left(\mathrm{\ξ}\right)}{\sqrt{l\left(t\right)}}\end{array}$

其中，φ_j(ξ)是无量纲变量ξ＝y/l的第j个形状函数。

在方程(2)中，M是通过组合离心矩阵和向心矩阵构建的惯性矩阵(C+G)， 是刚性矩阵且F(t)是外部力的向量。这些矩阵和向量的元素通过下式给出：

M_ij＝ρδ_ij

$\begin{array}{c}{K}_{ij}=\frac{1}{4}{\mathrm{\ρl}}^{-2}{\stackrel{\·}{l}}^2{\mathrm{\δ}}_{ij}-{\mathrm{\ρl}}^{-2}{\stackrel{\·}{l}}^2{\∫}_0^1{(1-\mathrm{\ξ})}^2{\mathrm{\φ}}_i^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right)d\mathrm{\ξ}+{\mathrm{\ρl}}^{-1}(g+\stackrel{\·\·}{l})+{\∫}_0^1(1-\mathrm{\ξ}){\mathrm{\φ}}_i^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right)d\mathrm{\ξ}+\\ m_e{l}^{-2}(g+\stackrel{\·\·}{l}){\∫}_0^1{\mathrm{\φ}}_i^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right)d\mathrm{\ξ}+\frac{1}{2}{M}_{cs}{\mathrm{gl}}^{-2}{\∫}_0^1{\mathrm{\φ}}_i^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\left(\mathrm{\ξ}\right)d\mathrm{\ξ}\\ H_{ij}=\mathrm{\ρ}(l^{-2}{\stackrel{\·}{l}}^2-l^{-1}\stackrel{\·\·}{l})(\frac{1}{2}{\mathrm{\δ}}_{ij}-{\∫}_0^1(1-\mathrm{\ξ}\left){\mathrm{\φ}}_i\right(\mathrm{\ξ}\left){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\right(\mathrm{\ξ}\left)d\mathrm{\ξ}\right)-c_p\stackrel{\·}{l}{l}^{-1}\left({\∫}_0^1{\mathrm{\φ}}_i\right(\mathrm{\ξ}\left){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\right(\mathrm{\ξ})d\mathrm{\ξ}+0.5{\mathrm{\δ}}_{ij})\\ G_{ij}={\mathrm{\ρl}}^{-1}\stackrel{\·}{l}\left(2{\∫}_0^1\right(1-\mathrm{\ξ}\left){\mathrm{\φ}}_i\right(\mathrm{\ξ}\left){\mathrm{\φ}}_j^{\′}\right(\mathrm{\ξ})d\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\δ}}_{ij})\end{array}$

C_ij＝c_pδ_ij

$\begin{array}{c}{F}_i\left(t\right)=-l\sqrt{l}\left({\mathrm{\ρs}}_1\right(t)+c_p{s}_4(t\left)\right){\∫}_0^1{\mathrm{\φ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{\ξ}d\mathrm{\ξ}+\sqrt{l}\left(s_5\right(t)-{\mathrm{\ρf}}_1^{\left(2\right)}(t\left)\right){\∫}_0^1{\mathrm{\φ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right)d\mathrm{\ξ}\\ s_5\left(t\right)=-2{\mathrm{v\ρs}}_2\left(t\right)-g\left(t\right)s_3\left(t\right)-c_p{f}_1^{\left(2\right)}\left(t\right)\\ s_1\left(t\right)=\frac{l\stackrel{\·\·}{l}-2{\stackrel{\·}{l}}^2}{l^3}{f}_1\left(t\right)+\frac{\stackrel{\·}{l}}{l^2}{\stackrel{\·}{f}}_1\left(t\right)+\frac{\stackrel{\·}{l}}{l^2}{\stackrel{\·}{f}}_1\left(t\right)+\frac{1}{l^4}\left(l^3{f}_2^{\left(2\right)}\right(t)-f_2(t)l^2{l}^{\left(2\right)}+2l{\stackrel{\·}{l}}^2{f}_2(t)-2l^2\stackrel{\·}{l}{\stackrel{\·}{f}}_2(t\left)\right)-\frac{{\stackrel{\·\·}{f}}_1\left(t\right)}{l}\\ s_2\left(t\right)=\frac{\stackrel{\·}{l}}{l^2}{f}_1\left(t\right)-\frac{{\stackrel{\·}{f}}_1}{l}+\frac{{\stackrel{\·}{f}}_2}{l}-f_2\frac{\stackrel{\·}{l}}{l^2}\\ s_3\left(t\right)=\frac{f_2\left(t\right)-f_1\left(t\right)}{l}\\ s_4\left(t\right)=\frac{\stackrel{\·}{l}}{l^2}{f}_1\left(t\right)-\frac{{\stackrel{\·}{f}}_1}{l}+\frac{{\stackrel{\·}{f}}_{2}l-f_2\stackrel{\·}{l}}{l^2}\\ {\mathrm{\φ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right)=\sqrt{2}\sin \left(\mathrm{\π}i\mathrm{\ξ}\right),{\mathrm{\δ}}_{ij}\left(kronec\ker delta\right)\end{array}$

$\tilde{K}={\mathrm{Ul}}^{-2}\underset{0}{\overset{1}{\∫}}{\mathrm{\Φ}}_1^{\′2}\left(\mathrm{\ζ}\right)d\mathrm{\ζ}=U\mathrm{\β},$

$\mathrm{\β}=l^{-2}\underset{0}{\overset{1}{\∫}}{\mathrm{\Φ}}_1^{\′2}\left(\mathrm{\ζ}\right)d\mathrm{\ζ},$

其中，是函数s相对于其变量的一阶导数，标记S⁽²⁾(.)是函数s相对于其变量的二阶导数，且是函数s相对于其变量V在间隔[v₀，v_f]上的积分。克罗内克δ(Kroneckerdelta)是两个变量的函数，如果变量相同则等于1，否则等于零。

方程(1)和方程(2)给出的系统模型是系统的模型的两个示例。取代弦理论，基于不同理论(例如梁理论)的其他模型可以被本发明的实施例使用。

控制定律

一些实施例确定控制定律以控制致动器130。致动器130基于控制定律改变电梯绳的张力。一个实施例针对一个假设的模式即方程(2)(其中N＝1)的情况确定控制定律，如下所述。然而，其他实施例类似地确定用于任意数目的模式的控制定律。在各种实施例中，假设的模式是通过模态频率和模态振型特征化的电梯绳的振动模式，且根据电梯绳振动中的半波数目计数。

图3示出用于控制电梯系统的操作的方法的方框。该方法可以通过处理器301实施。该方法确定310使用支持电梯系统中的电梯轿厢的电梯绳的张力335来稳定电梯系统的状态的控制定律326。控制定律是电梯绳的摇摆幅度322和电梯绳的摇摆速度324的函数，且确定为使得遵循由控制定律所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数314的导数是负定的。控制定律可以存储到存储器302中。存储器302可以是任意类型且可操作地连接到处理器301。

这种需求确保了电梯系统的稳定性和摇摆的减小。而且，基于李雅普诺夫理论确定控制允许最佳地仅在必须减小摇摆时施加张力，且因而减小电梯系统的维护成本。例如，在一个实施例中，控制定律被确定为使得电梯绳的张力与电梯绳的摇摆幅度成比例。

在一些实施例中，控制定律被确定为使得仅响应于绳的摇摆幅度的增加来施加张力。因而，当摇摆存在但是在电梯系统的操作的其他因素中减小时，不施加张力。例如，可以基于绳的摇摆幅度和绳的摇摆速度的乘积的符号施加张力。

一个实施例基于无干扰316的电梯系统的模型312确定控制定律326。干扰包括诸如风力或地球移动之类的外部干扰。该实施例在外部干扰最小时是有利的。然而，在电梯系统实际经历干扰时，这种实施例可能不是最佳的。

另一实施例使用干扰拒绝成分318修改控制定律以迫使李雅普诺夫函数的导数是负定的。该实施例对于受干扰影响的系统是有利的。在该实施例的一个变型中，在电梯系统的操作期间测量外部干扰。在另一变型中，基于无外部干扰的边界确定干扰拒绝成分。该实施例允许补偿干扰而不测量干扰。

在电梯系统的操作期间，方法确定320电梯绳的摇摆幅度322和电梯绳的摇摆速度324。例如，可以使用电梯系统状态的各个采样直接测量幅度和速度。另外或可选地，可以使用例如电梯系统的模型和减少数目的采样或各种插值技术估算摇摆的幅度和速度。接下来，基于控制定律326和电梯绳摇摆的幅度322和速度324确定330电梯绳的张力325。在一些实施例中，张力具有正值且张力325仅包括张力幅度。在可选实施例中，张力335也可以是负的且张力335是向量且包括张力的大小和方向。

李雅普诺夫控制

一些实施例使用绳的张力和李雅普诺夫理论来稳定电梯系统且因而稳定摇摆。根据一些实施例，通过组合李雅普诺夫理论和绳张力致动，切换控制器基于切换条件(例如实际摇摆的幅度和速度)优化切换控制张力开启和关闭。基于李雅普诺夫理论获得切换条件以及将施加的正张力的大小。

一个实施例定义控制李雅普诺夫函数V(x)为

$V\left(x\right)=\frac{1}{2}{\stackrel{\·}{q}}^T\left(t\right)M\stackrel{\·}{q}\left(t\right)+\frac{1}{2}{q}^T\left(t\right)Kq\left(t\right),$

其中，是代表假设的模式的拉格朗日变量及其时间导数的拉格朗日变量，M、K分别是在方程(2)的模型中定义的质量和刚性矩阵且

如果假设的模式等于1，则拉格朗日变量通过以下方程式涉及摇摆u(y，t)和摇摆速度du(y，t)/dt：

$u(y,t)=\frac{\sqrt{2}sin\left(\frac{\mathrm{\π}y}{l}\right)q\left(t\right)}{l};$

$du(y,t)/dt=\frac{\sqrt{2}sin\left(\frac{\mathrm{\π}y}{l}\right)\stackrel{\·}{q}\left(t\right)}{\sqrt{l}}.$

图4A示出基于李雅普诺夫理论确定控制定律的方法的框图。基于摇摆的幅度u(y，t)322和速度du(y，t)/dt324确定410拉格朗日变量430和435。例如，一个实施例根据下式确定拉格朗日变量：

$q\left(t\right)=\frac{\sqrt{l}u(y,t)}{\sqrt{2}sin\left(\frac{\mathrm{\π}y}{l}\right)}$

$\stackrel{\·}{q}\left(t\right)=\frac{\sqrt{l}du(y,t)dt}{\sqrt{2}sin\left(\frac{\mathrm{\π}y}{l}\right)}.$

可以使用各种方法直接测量或估算摇摆幅度u(y，t)和速度du(y，t)/dt。例如，一个实施例使用在摇摆位置感测电梯绳的摇摆的摇摆传感器来确定摇摆。另一实施例使用摇摆的采样和系统的模型来确定摇摆幅度。在确定摇摆幅度之后，一些实施例例如使用以下一阶导数来确定摇摆速度：

$du(y,t)/dt=\frac{u(y,t+\mathrm{\δ}t)-u(y,t)}{\mathrm{\δ}t},$

其中，δt是两个摇摆幅度测量或估算之间的时间。

一些实施例确定控制定律，使得遵循由控制定律U所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。一个实施例根据下式确定遵循由方程式(2)表达的无干扰(即，针对所有t，F(t)＝0)电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}\left(x\right)=\stackrel{\·}{q}(-c\stackrel{\·}{q}-kq-\mathrm{\β}Uq)+kq\stackrel{\·}{q}\\ =-c{\stackrel{\·}{q}}^2-\mathrm{\β}Uq\stackrel{\·}{q},\end{array}$

其中，根据方程式(2)确定系数c，k和β。

为了确保导数的负定性，根据一个实施例的控制定律包括：

在一些实施例中，u*小于或等于零且大于或等于-u_max。

该控制定律在两个常量例如u*和u_max之间切换，u_max是代表最大张力控制的正的常量。根据该控制定律施加到电梯绳的张力具有恒定值，例如最大张力。根据控制定律(3)的控制器通过在最大和最小控制之间切换无干扰地稳定电梯系统。该控制器容易实施且在干扰未知或最小时是有利的。

例如，在一些实施例中，可以基于绳的摇摆幅度和绳的摇摆速度的乘积的符号来施加张力。乘积被确定440且符号被测试450。如果符号为正，则施加最大张力455。如果符号为负，则施加最小张力460，例如，不施加张力，即U＝0。

图4B示出确保导数的负定性的可选实施例的框图。在这种情况中，根据该实施例的控制定律施加于电梯绳的张力依赖于摇摆的幅度和速度的变化函数465。与原先的实施例相比，该实施例是有利的，因为该实施例使用较小的能量来控制摇摆。

根据该实施例，控制定律U(x)是：

其中k是正的反馈增益。

控制器的这种选择导致：

$\stackrel{\·}{V}\left(x\right)\≤0,$

通过用于切换的系统的一般化的拉塞尔定理和使用根据方程式(3)或(4)的控制定律的动态(2)的结构，其暗示着在干扰F(t)＝0时是全局指数稳定的。正的变化张力控制465随着乘积幅度的减小而减小，这意味着当摇摆幅度变小时，应用于控制的张力也变小。因而，这种变化控制定律使用较小的控制能量。

在根据方程(4)的控制定律的控制下，控制的幅度随着和|U|≤u_max的减小幅度而减小。因而，控制定律被确定，使得电梯绳的张力与电梯绳的摇摆的幅度成比例，且在摇摆或其速度高时使用高控制张力，因为当乘积减小时，控制张力也减小。

干扰下的控制

控制器(3)、(4)在干扰F(t)＝0时稳定电梯系统，但是在干扰F(t)不为零时，李雅普诺夫函数导数不再被强迫在所有时间为零，因为导数是：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}\left(x\right)=\stackrel{\·}{q}(-c\stackrel{\·}{q}-kq-\mathrm{\β}Uq)+kq\stackrel{\·}{q}+\stackrel{\·}{q}F\left(t\right)\\ =-c{\stackrel{\·}{q}}^2-\mathrm{\β}Uq\stackrel{\·}{q}+\stackrel{\·}{q}F\left(t\right)\end{array}$

其中针对方程式(2)定义系数c，β。

由于干扰，可能失去电梯系统的闭环动态的全局指数稳定性。然而，一些实施例基于这一现实：状态向量针对有界干扰F(t)受到约束，且因而用于无外部干扰316的电梯系统的控制定律可以使用干扰拒绝成分318修改以确保李雅普诺夫函数的导数是负定的。此外，基于外部干扰的边界确定干扰拒绝成分。当不希望执行干扰的直接测量时，该实施例是有利的。

一些实施例使用李雅普诺夫重构技术确定干扰拒绝成分v(x)。根据下式使用干扰拒绝成分修改无外部干扰U_nom的控制定律：

U(x)＝U_{nom}(x)+v(x)

在这种情况中，李雅普诺夫导数是：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}\left(x\right)=\stackrel{\·}{q}(-c\stackrel{\·}{q}-kq-\mathrm{\β}Uq)+kq\stackrel{\·}{q}+\stackrel{\·}{q}F\left(t\right)-\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q}\\ \≤-\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q}+\stackrel{\·}{q}F\left(t\right).\end{array}$

一些实施例选择v使得是负定的。例如，一个实施例选择满足如下不等式的_x：

$+\stackrel{\·}{q}|F\_\max \≤\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q},$

其中F_max代表干扰的上边界且针对方程式(2)定义β。

一个实施例选择v(x)为：

$v\left(x\right)=\tilde{k}sign\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,\tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0,$

其中，是两个正的增益且F_max代表干扰力F(t)的上边界且sign函数是：

相应地，李雅普诺夫函数的导数是：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}\left(x\right)=\stackrel{\·}{q}(-c\stackrel{\·}{q}-kq-\mathrm{\β}Uq)+kq\stackrel{\·}{q}+\stackrel{\·}{q}F\left(t\right)-\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q}\\ \≤\left|\stackrel{\·}{q}\right|F\_\left\{max\right\}(1-\tilde{k}|\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\left|\right)-\left|\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right|\left|\stackrel{\·}{q}\right|\mathrm{\ϵ}\end{array}$

这确保了状态向量向不变量集的汇聚：

$S=\{(q,\stackrel{\·}{q})\∈R^2,s.t.(1-\tilde{k}|\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\left|\right)>0\}.$

在这种情况中，状态向量的模可以通过调节而变得任意小。因为β＜1，所以需要大的增益来使得状态向量汇聚到小的值。

然而，控制器 $u\left(x\right)=U\_\left\{nom\right\}\left(x\right)+\tilde{k}sign\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,\tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0$ 并不对于所有应用都是可实践的，因为使用经由绳轮旋转的致动，负张力不可用。控制定律然后修改为：

$u\left(x\right)=\max (U\_\{nom\left\}\right(x)+\tilde{k}sign\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,0),\tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0---\left(4\right).$

函数max是：

在方程式(4)的控制定律中，sign函数是不连续的且能够导致控制器上的快速切换，即所谓的颤振(chattering)效应。一些实施例通过使用连续的近似“sat”函数代替函数max来避免控制信号的颤振。

$u\left(x\right)=\max (U\_\{nom\left\}\right(x)+\tilde{k}sat\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,0),\tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0\·---\left(5\right)$

sat函数是：

上述实施例可以以各种方法其中任意一种实施。例如，实施例可以使用硬件、软件或其组合实施。当以软件实施时，软件代码可以在任意适当处理器或处理器集合上执行，无论是否设置在单个计算机上或分布在多个计算机上。这种处理器可以实施为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多处理器。不过，处理器可以以任意适当的形式使用电子电路实施。

而且，应当意识到，计算机可以以诸如台架安装计算机、桌面计算机、笔记型电脑、微型计算机或写字板计算机之类的很多形式其中任意一种实施。而且，计算机可以具有一个或更多输入和输出设备。可以使用这些设备来呈现用户界面。可以用于提供用户界面的输出设备的示例包括用于输出的视觉表达的打印机或显示屏幕以及用于输出的听觉表达的扬声器或其他声音产生设备。可以用于用户界面的输入设备的示例包括键盘以及诸如鼠标、触摸板和数字写字板之类的指示设备。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他听觉形式来接收输入信息。

这种计算机可以通过任意合适形式的一个或更多网络互连，包括局域网或广域网，诸如是企业网或因特网。这种网络可以基于任意合适的技术且可以根据任意合适的协议操作且可以包括无线网络、有线网络或光纤网络。

而且，此处列举的各种方法或处理可以编码为可以在采用各种操作系统或平台其中任意一个的一个或更多处理器上执行的软件。另外，这种软件可以使用很多合适的编程语言其中任意一个和/或编程或脚本工具编写，且还可以编译为在大型机或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。例如，本发明的一些实施例使用MATLAB-SIMULIMK。

就这方面而言，本发明可以实施为计算机可读存储介质或多个计算机可读介质，例如计算机存储器、压缩光盘(CD)、光盘、数字视盘(DVD)、磁带和闪存。备选地或另外地，本发明可以实施为不同于计算机可读存储介质的计算机可读介质，诸如传播信号。

术语“程序”和“软件”在此处以一般意义使用以表示可以用于编程计算机或其他处理器以实施如上面讨论的本发明的各个方面的任意类型的计算机代码或计算机可执行指令集。

计算机可执行指令可以具有很多形式，诸如是通过一个或更多计算机或其他设备执行的程序模块。一般地，程序模块包括执行指定任务或实施指定抽象数据类型的例行程序、程序、对象、组件和数据结构。典型地，在各个实施例中，程序模块的功能性可以按照需要组合或分布。

而且，本发明的实施例可以实施为方法，其示例被提供。执行为方法的一部分的动作可以以任意合适的方式排序。相应地，即使在说明性实施例中示为连续的动作，也可以构建如下实施例，即，其中，动作以不同于所示的顺序执行，这可以包括同时执行相同的动作。

权利要求书中用于修改权利要求元素的诸如“第一”、“第二”之类的顺序术语的使用本身并不暗示一个权利要求元素相对于另一个的任意优先级、居先权或顺序或执行方法动作的时间顺序，而是仅用作标签以将具有特定名称的一个元素与具有相同名称的另一权利要求元素区分(但是针对顺序术语的使用)，从而区分权利要求元素。

Claims (19)

1.一种用于控制电梯系统的操作的方法，所述方法包括以下步骤：

确定使用电梯绳的张力来稳定所述电梯系统的状态的控制定律，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的，且其中所述控制定律是所述电梯绳的摇摆幅度和所述电梯绳的摇摆速度的函数；

确定在操作期间所述电梯绳的所述摇摆幅度和所述电梯绳的所述摇摆速度；以及

基于所述控制定律以及所述电梯绳的所述摇摆幅度和所述摇摆速度确定所述电梯绳的所述张力的大小，其中所述方法的步骤通过处理器来执行。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

基于没有外部干扰的所述电梯系统的模型确定用于所述电梯系统的所述控制定律；以及

使用干扰拒绝成分修改所述控制定律以迫使在具有外部干扰时所述李雅普诺夫函数的所述导数是负定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律被确定为使得所述电梯绳的所述张力与所述电梯绳的所述摇摆幅度成比例。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律仅响应于所述绳的所述摇摆幅度的增加而施加所述张力。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律基于所述绳的所述摇摆幅度和所述绳的所述摇摆速度的乘积的符号而施加所述张力。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律U(x)包括

其中，u*小于或等于零且大于或等于-u_max，且q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，u_max是代表最大张力的正的常量。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律U(x)包括

其中，且q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，u_max是代表最大张力的正的常量，且k是正的反馈增益。

8.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

确定满足如下不等式的干扰拒绝成分_v：

$+\stackrel{\·}{q}|F\max \≤\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q},$

其中，Fmax代表干扰F(t)的上边界，q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，φ₁′(ξ)是具有长度l的所述电梯绳的形状函数φ₁(ξ)的一阶导数。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律u(x)包括

$\begin{array}{cc}u\left(x\right)=U\_\left\{nom\right\}\left(x\right)+\tilde{k}sign\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,& \tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0\end{array},$

其中，且q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，且是两个正的增益，φ₁′(ξ)是具有长度l的所述电梯绳的形状函数φ₁(ξ)的一阶导数，F_{max}代表干扰F(t)的上边界，U_{nom}代表无干扰的控制定律，且sign函数是：

其中，v是干扰拒绝成分。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摇摆幅度x的所述控制定律u(x)包括：

$\begin{array}{cc}u\left(x\right)=\max (U\_\{nom\left\}\right(x)+\tilde{k}sat\left(\mathrm{\β}q\stackrel{\·}{q}\right)(F\_\{\max \}+\mathrm{\ϵ})\left|\stackrel{\·}{q}\right|,0),& \tilde{k}>0,\mathrm{\ϵ}>0\end{array},$

其中，q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，ε是两个正的增益，φ₁′(ξ)是具有长度l的所述电梯绳的形状函数φ₁(ξ)的一阶导数，F_{max}代表干扰F(t)的上边界，U_{nom}代表无干扰的控制定律，且sat函数是

其中，v是干扰拒绝成分。

11.一种用于控制包括由电梯绳所支撑的电梯轿厢的电梯系统的操作的系统，所述系统包括：

致动器，其控制所述电梯绳的张力；

摇摆单元，其确定所述电梯绳的摇摆幅度和摇摆速度；以及

控制单元，其确定所述摇摆幅度和所述摇摆速度的乘积的符号且根据稳定所述电梯系统的状态的控制定律来控制所述致动器，使得所述控制单元仅响应于由所述乘积的符号所指示的所述电梯绳的摇摆幅度的增加而生成施加所述张力的指令。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述张力的大小是恒定的。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述张力的大小是根据下式确定的幅度的函数：

其中q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，u_max是代表最大张力的正的常量，且k是正的反馈增益。

14.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括：

处理器，其确定所述控制定律，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的；以及

存储器，其存储所述控制定律，其中所述控制单元基于所述控制定律确定所述电梯绳的所述张力的大小。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理器确定在没有外部干扰的情况下用于所述电梯系统的所述控制定律，且使用干扰拒绝成分修改所述控制定律以确保在存在所述外部干扰时所述李雅普诺夫函数的所述导数是负定的。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器基于所述外部干扰的边界确定所述干扰拒绝成分。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述干扰拒绝成分基于所述外部干扰的测量。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器确定满足如下不等式的干扰拒绝成分v：

$+\stackrel{\·}{q}|F\max \≤\mathrm{\β}vq\stackrel{\·}{q},$

其中，Fmax代表干扰F(t)的上边界，q，是代表假设的模式的拉格朗日变量和所述假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，φ₁′(ξ)是具有长度l的所述电梯绳的形状函数φ₁(ξ)的一阶导数。

19.一种用于控制包括连接到电梯绳的电梯轿厢的电梯系统的操作的系统，所述系统包括：

处理器，其用于仅响应于所述电梯绳的摇摆幅度的增加而生成向所述电梯绳施加张力的指令，

其中，所述处理器根据使用所述电梯绳的所述张力稳定所述电梯系统的状态的控制定律来生成所述指令，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。