CN1090148C - 有模型为基础的多输入多输出控制器的电梯自行导向系统 - Google Patents

Abstract

在电梯自行导向系统中，为避免一个操作机构的作用干扰另一个操作机构的作用，配置了控制器，控制器利用根据电梯模型的力法则，利用来自组合的所有传感器的信息，根据力法则确定各操作机构应该提供的力。电梯的模型用来确定电梯如何响应操作机构所施加的力。在最佳实施例中，假定电梯作为刚体响应操作机构的力。根据这个基本的假定建立完整的模型，最后包括描述电梯响应来自操作机构的力的刚体运动所需的所有几何及惯性属性。

Description

有模型为基础的多输入多输出控制器的电梯自行导向系统

本发明涉及电梯，具体地说，本发明涉及电梯在梯井中沿导轨垂直移动时的自行水平导向。

现有的自行水平导向控制器采用简单的控制策略，这种策略只利用局部间隙信息，把电梯保持在预定的工作包络内，尤其是保持在电梯的位置、速度和加速度的值的可接受的预定范围内。对于以电磁铁为基础的控制器，即所谓的磁性自行导向(AMG)控制器，沿特定方向在特定导向头上产生力的电磁操作机构只利用特定导向头上特定方向的间隙信息。由于一个导向头上一个方向的操作机构所产生的力可能在另一个导向头上或者在同一个导向头产生横向运动，所以当控制器只考虑操作机构局部信息时，一个操作机构可能与另一个操作机构相干扰。

这些控制器通常具有“比例积分微分”(PID)的型式。对于这些控制器来说，控制器在确定操作机构力时所采用的控制信息包括间隙(根据导向头相对于导轨的位置而确定)、导向头的绝对速度，以及间隙相对于时间的积分。这种控制器采用传感器直接测量导向头的加速度和间隙，以及从将其加速度对于时间的积分而推出导向头的速度。对于各导向头，加速度和间隙通常是沿着两个彼此垂直的方向予以检测的，这两个方向本文中叫做x方向和y方向，它们还都垂直于梯井的方向，本文中梯井处在z方向。

在设计成采用非局部信息的全局控制器的一个实施例中，一项相关的专利申请(1994年8月18日提交的题为“电梯用的自行磁性导向”的美国专利No.08/292,660)建议采用一种“协调式控制器”，其中间隙信息利用一组专门适用于描述梯厢运动的问题坐标来表达。然而，该发明并不是将电梯的控制建立在电梯的动态资料的基础上的，其控制法则不是以模型为基础的，也不是为避免操作机构与操作机构的干扰而设计的。

本发明的目的是当电梯通过梯井的长度时控制电梯相对于它沿着移动的导轨的位置和运动，根据命令一组操作机构把电梯拉向导轨的力法则进行控制，力是以对应于这组操作机构的电梯的一组点的位置和加速度的资料为基础的，以及是以电梯作为整体如何响应操作机构所施加的拉力的资料为基础的。

根据本发明，一种梯井中电梯的自行导向系统，梯井的相对壁上有两个导轨，导轨是沿着平行于沿梯井的长度方向延伸的梯井轴而铺设的，电梯装有四个导向头，用以沿着导轨引导电梯，所述电梯的自行导向系统包括：

a)若干传感器，响应电梯的绝对加速度以及电梯相对于沿横切梯井轴的第一检测方向的四个部位和沿横切梯井轴的第二检测方向的两个部位的导轨的位置，用以提供表示所述加速度和位置的控制信息信号，

b)一个控制器，响应该控制信息信号，用以提供多个按照力法则的力命令信号，以及

c)多个操作机构，各自响应所述力命令信号中对应的一个，各自用以在一个部位以及沿着对应于相应传感器的部位和检测方向的方向施加正向和负向力。

其中力法则确定各传感器根据模型所施加的力的值，这种模型使电梯的几何形状和惯性与操作机构施加的力所引起的电梯运动有关。

用于这种系统的控制器本文中叫做以模型为基础的多输入多输出(MIMO)控制器，根据本发明，它可以是PID型控制器。这种控制器使电梯位置和运动保持在预定的可接受值的范围内。它之所以是以模型为基础的，在于它确定操作机构应该施加什么力是以有关梯厢的动态运动的某些简化假定为基础的，诸如可以把梯厢看作刚体，其横切梯井的运动具有速度相关的阻尼，以及进一步以通过测量和实验确定模型的所有参数的值为基础。控制器利用模型计算应该施加什么操作机构的力，以把梯厢恢复到可接受的运行包络内的位置和运动。它之所以是多输入的在于控制器采用来自若干操作机构部位的间隙信息，它之所以是多输出的则在于同一控制器为与各传感器相关的操作机构产生各种命令。

这种方法的要点是各操作机构不仅根据其局部的间隙信息，而且根据全局的间隙信息提供各种力，利用动态模型的这种全局信息确定各操作机构应该提供的力的精确值。在这种方法中，操作机构是一致起作用的。

现在参照附图利用实例描述本发明的实施例，附图中：

图1是传统的滚轮导向电梯系统的示意图。

图2是根据现有技术和本发明的自行磁性导向控制的电梯系统的示意图。

图3表示响应有关梯厢的检测局部信号向操作机构提供施加力的命令信号的本发明的控制器。

图4是根据现有技术和本发明的磁铁自行导向系统的导向头和对应的导轨的顶视图。

图5是例示用于本发明的模型的某些坐标的梯厢的侧向运动或y方向运动的简化图。

图6是另一个侧向运动的简化图，表示用以描这种运动的笛卡尔坐标(y₁，y₂)和广义坐标(φ₁，φ₂)

图7是梯厢的前后运动或x方向运动的简化图，示出了用于本发明的模型的笛卡尔坐标(x₁、x₂，x₃，x₄)和广义坐标(θ₁，θ₂，)。

图8是传统的单输出单输入控制器和本发明以模型为基础的MIMO控制器在导轨扰动下的性能的预测比较。

图9是传统的单输出单输入控制器和本发明以模型为基础的MIMO控制器在风力扰动下的性能的预测比较。

例示现有技术的图1示出了保持在矩形框架38中的梯厢40；梯厢借助钢缆39沿着导轨(未示出)升降。在这项现有技术中，利用机械地响应偏离轨迹运动的梯厢的导轮37沿着导轨引导梯厢。导轨安装在梯井的相对壁上，建筑物顶上的机房内的电动机转动绕有钢缆的滑轮。钢缆的另一端装有配重。

图2示出了画有最佳实施例的模型中所用的坐标的电梯系统。四个导向头31固定在框架38上。在最佳实施例中，操作机构是以电磁铁为基础的，就设置的导向头上。这些操作机构按照本发明的控制器的指令沿x方向在各导向头上产生力，用以反抗侧向运动，以及沿y方向在各导向头上产生力，用以反抗前后运动。

现在参阅图3，本发明的控制器21响应来自若干局部传感器22的间隙信息，各局部传感器都有相应的操作机构23。根据来自所有局部传感器的信息，控制器利用梯厢模型计算出各操作机构应该提供的力，从而把电梯的运动保持在可接受的位置和运动的预定运行包络内。

图4示出了如何才能使电磁操作机构固定到导向头31上，使它沿两个横切方向、前后(x方向)和侧向(y方向)移离或接近导轨36。一个导向头上的两个前后电磁铁33用来提供x操作机构，而一个导向头上的一个电磁铁32和另一个导轨上沿梯井的相同高度的另一个导向头上的相对取向的电磁铁用来形成一个y操作机构。这样，八个电磁铁形成四个x操作机构，四个电磁铁形成两个y操作机构。每个这样的操作机构通过仅仅接通组成操作机构的这对电磁铁中的一个或另一个电磁铁就能施加受控的正向或负向的力。

经常用气隙传感器测量侧向(x方向)间隙34和前后(y方向)间隙35，但也可以用任何传统的方式测量这些间隙。经常用加速度计测量各导向头的侧向和前后加速度。

现在参阅图5，图中示出了两个作用在梯厢上引起侧向运动的y操作机构。在这篇说明书中，y操作机构与导向头上的传感器相联系，在采用了具有图2中数字下标1和2的坐标。因此，在这种控制系统中，只用两个力F_y1和F_y2反抗侧向运动，两个力中任何一个可以是正的或者负的。

图6中还示出了用来描述梯厢侧向运动的所谓的广义坐标(φ₁，φ₂)。这些坐标与(直接测量的)笛卡尔坐标(y₁，y₂)有关，笛卡尔坐标也能用来描述侧向运动，但使运动的表达式较为复杂。

参阅图7，第二种运动沿着前后方向，或x方向，受到力F_x1，F_x2，F_x3，和F_x4的反抗，这些力是由带有图2数字下标1至4的导向头上的x操作机构所产生的。图7还示出了假定梯厢是刚体，描述其前后运动所需的三个广义坐标(θ₁，θ₂，

)。

现在参阅图5，6和7，图中示出了忽略侧向和前后运动的阻尼的情况下运动表达式的几何和力的示意图。在这些表达式中，g表示重力加速度，E表示钢缆拉伸的杨氏模量，A表示每条钢缆的横截面积。最后，I_x，I_y，I_z分别是绕穿过梯厢质心的x、y和z轴转动的梯厢的转动惯量。长度l_ABs和l_ABF分别处在爪形标记41(图5)和顶部侧向操作机构以及顶部前后操作机构之间。类似地，长度l_BCS和l_BCF分别处在爪形标记41和底部侧向操作机构以及底部前后操作机构之间。

因此侧向运动、或y方向的运动的表达式为： ${\mathrm{Ml}}^2{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_1+\mathrm{Mgl}{\mathrm{\φ}}_1=\left(F_{y1}{+}_{F}y2\right)l$ $({\mathrm{Md}}^2+I_x){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_2+(\mathrm{Mgd}+\frac{{\mathrm{AEh}}^2}{2l}){\mathrm{\φ}}_2=-F_{y2}{l}_{\mathrm{ABS}}+F_{y1}{l}_{\mathrm{BCS}}$

其中传感器测量的间隙y₁和y₂与φ₁和φ₂的关系由下列公式表示：

                         y₁＝lφ₁+l_BCSφ₂

                         y₂＝lφ₁-l_ABSφ₂

这些公式限定了侧向运动的广义坐标和笛卡尔坐标之间的转换。

下列公式描述沿x方向运动的前后运动的总体动态特性： ${\mathrm{Ml}}^2{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+\mathrm{Mgl}{\mathrm{\θ}}_1=(F_{x1}+F_{x2}+F_{x3}+F_{x4})l$ $({\mathrm{Md}}^2+I_y){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2+(\mathrm{Mgd}+\frac{{\mathrm{AEh}}^2}{2l}){\mathrm{\θ}}_2=-(F_{x2}+F_{x4})l_{\mathrm{ABF}}+(F_{x1}+F_{x3})l_{\mathrm{BCF}}$ $I_z\mathrm{\Ψ}=-(F_{x1}+F_{x2})\frac{w_y}{2}+(F_{x3}+F_{x4})\frac{w_y}{2}$

其中四个传感器测量值x₁、x₂、x₃和x₄与(广义坐标)角θ₁和θ₂和

的关系由下列公式表示： $x_1=l{\mathrm{\θ}}_1+l_{\mathrm{BCF}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{w_y}{2}\mathrm{\ψ}$ $x_2=l{\mathrm{\θ}}_1-l_{\mathrm{ABF}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{w_y}{2}\mathrm{\ψ}$ $x_3=l{\mathrm{\θ}}_1+l_{\mathrm{BCF}}{\mathrm{\θ}}_2-\frac{w_y}{2}\mathrm{\ψ}$ $x_4=l{\mathrm{\θ}}_1-l_{\mathrm{ABF}}{\mathrm{\θ}}_2-\frac{w_y}{2}\mathrm{\ψ}$

这些公式限定了前后运动的广义坐标由笛卡尔坐标之间的转换。

前后运动和侧向运动的动态方程可以组合成一个矩阵方程。用线性阵列Q表示所有的广义坐标，用线性阵列H表示由控制器所算出的所有操作机构的力，使得 $Q=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_1\\ {\mathrm{\φ}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\\ \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$ 以及 $H=\left[\begin{array}{c}{F}_{y1}\\ F_{y2}\\ F_{x1}\\ F_{x2}\\ F_{x3}\\ F_{x4}\end{array}\right]$

这个动态方程可以写成矩阵形式： $M\stackrel{\·\·}{Q}=\mathrm{KQ}+C\stackrel{\·}{Q}+\mathrm{BH}$

矩阵M、K和B用动态模型限定，即各元素设成等于如上述以非矩阵形式所写的前后和侧向运动的动态方程中的适当的项。另外，矩阵C具有作为其元素的表示与梯厢的横向速度成正比的它的横向运动(前后和侧向运动)的阻尼的系数。这些系数是从实验的测量中所获得的。线性阵列H也可以用来表示作用在电梯上的直接扰动力，例如气动风力。

用符号G＝(y₁-y_r1，y₂-y_r2，x₁-x_r1，x₂-x_r2，x₃-x_r3，x₄-x_r4)表示测定的间隙，这里用R＝(y_r1，y_r2，x_r1，x_r2，x_r3，x_r4)计算导轨的不规则性，其中列矩阵R的各分量是电梯系统的z相关常数，间隙测量值G和广义坐标Q之间的转换可以写成矩阵形式：

                        G＝TQ-R

其中T是用上述表示前后和侧向运动的笛卡尔间隙与广义坐标的关系的方程所限定的6×5转换矩阵。

用这种表示法，根据本发明的最佳实施例的以这种模型为基础的MIMO控制器，要由各操作机构所提供的力用以下公式给出： $H=-B^{-1}M[K_P{T}^{-1}G+K_D\stackrel{\·}{Q}+K_I{T}^{-1}\∫\mathrm{Gdt}]-B^{-1}[\mathrm{KQ}+C\stackrel{\·}{Q}]$

式中K_P，K_D和K_I是5×5对角矩阵，各对角元素用下述方式确定。

用控制法则的这种选择，动态方程的矩阵形式变成： $M[\stackrel{\·\·}{Q}+K_{P}Q+K_D\stackrel{\·}{Q}+K_I\∫\mathrm{Qdt}]=M[K_P{T}^{-1}R+K_I{T}^{-1}\∫\mathrm{Rdt}]$

消除公因子矩阵M，动态方程的系统成为五个非耦合的非齐次积分微分方程。

为了利用这种力法则，必须确定K_P，K_D和K_I中各(对角)元素的值。这些值是通过将方程的右侧设为零而确定的。这导致五个非耦合的非齐次积分微分方程，其矩阵形式是系统独立的控制方程： $\stackrel{\·\·}{Q}+K_D\stackrel{\·}{Q}{+K}_{P}Q+K_I\∫\mathrm{Qdt}=0$

作为未知项的Q(t)表示在无导轨不规则性的情况下关于广义坐标的电梯运动。例如，对于φ₁方程变为 ${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_1+k_{d1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_1+k_{p1}{\mathrm{\φ}}_1+k_{l1}\∫{\mathrm{\φ}}_1\mathrm{dt}=0$

式中变量k_d1，k_p1和k_i1分别是K_P，K_D和K_I的1-1(对角)元素，而且选择成把电梯保持在相对于广义坐标φ₁的预定运行包络内。

在本文中，术语运行包络涉及各广义坐标的电梯的位置、速度以及加速度的可接受范围，各广义坐标对应根据所用模型的电梯的不同自由度。从各导向头上的传感器的观点看，控制器旨在保持各导向头处的标称间隙，它应该用来自操作机构的最小力响应不平衡力，例如由于负载不平衡而趋于使电梯倾斜的不平衡力，而且它应该作出响应，使电梯回到标称间隙，而不引起电梯的内部振荡，即不引起非刚体(弹性)模式的振荡。

实际上，例如用拉氏变换把由系统独立控制方程所表示的个别积分微分方程各自变换成代数方程而选择矩阵K_P，K_D和K_I的(对角)元素的值。于是为了把电梯保持在运行包络内，根据本发明的教导选择K_P，K_D和K_I的(对角)元素的值，以致首先使代数方程的极点在左半复平面上。其次，选择K_P各元素的值，保证所需的最小弹簧刚度，选择K_I的各元素，以设定电梯因负载不平衡而偏离中心时控制器应该多快使电梯对中，最后，把K_D的各元素选成尽可能大，但不要大到使梯厢作为弹性变形体振荡。为了避免激发这些频率高于梯厢的刚体振动的振荡模式，必须将K_D各元素保持在视电梯而定的阈值以下。与这种对K_D的约束相一致，将K_P和K_I的各元素选成高于用户所预设的最小值，使得对于各广义坐标通过积分微分方程的拉氏变换所获得的方程的极点具有尽可能负的实部。

图8和图9表示单输入单输出(SISO)控制器的性能与本发明的以模型为基础的MIMO控制器的比较的预测。在导轨的扰动输入如图8中所示那样的情况下，在这种比较中两类控制器调整成获得近乎相同水平的性能。对于两种控制器来说，在所有频率下所见到的每单位导轨扰动的电梯位移都是相同的。如图9中所示，当施加风力扰动时，对于同一组增益，以模型为基础的MIMO控制器表现出远为优良的性能。与SISO控制器相比较，在以模型为基础的MIMO控制器的情况下所见到的每单位风力的位移几乎小一个数量级。在这种情况下，以模型为基础的MIMO控制器也具有6db增益容限和40°相位容限。

虽然已经就本发明的最佳模式的实施例作了显示和描述，但是本领域的技术人员应该理解只要不脱离本发明的精神和范围，其形式和细节可以作上述和各种其它改变、删减和添加。

Claims (3)

1.一种梯井中电梯的自行导向系统，梯井的相对壁上有两个导轨，该导轨是沿着平行于沿梯井的长度方向延伸的梯井轴而铺设的，电梯装有四个导向头，用以沿着导轨引导电梯，所述电梯的自行导向系统包括：

a)若干传感器，响应电梯的绝对加速度以及电梯相对于沿横切梯井轴的第一检测方向的四个部位和沿横切梯井轴的第二检测方向的两个部位的导轨的位置，用以提供表示所述加速度和位置的控制信息信号，

b)一个控制器，响应该控制信息信号，用以提供多个按照力法则的力命令信号，以及

c)多个操作机构，各自响应所述力命令信号中对应的一个，各自用以在一个部位以及沿着对应于相应传感器的部位和检测方向的方向施加正向和负向力，

其中力法则确定各传感器根据模型所施加的力的值，这种模型使电梯的几何形状和惯性与操作机构施加的力所引起的电梯运动有关；

所述模型具有一个带有横切梯井轴的运动的阻尼的刚体，以及利用以下动态方程 $M\stackrel{\·\·}{Q}=\mathrm{KQ}+C\stackrel{\·}{Q}+\mathrm{BH}$

预测电梯横切梯井轴的运动，式中

Q是广义坐标的5分量列矩阵，所述广义坐标组合起来描述电梯横切梯井轴的运动，矩阵Q与所述传感器根据变换方程G＝TQ-R所表示的间隙值的6分量列矩阵G有关，其中T是从电梯的几何形状所确定的6×5矩阵，R是表示对应于各传感器的导轨不规则性的6分量列矩阵。

H是6分量列矩阵，每个操作机构一个分量，每个分量的值表示每个操作机构所要提供的力的大小和方向；

B是6×5矩阵，其分量是从所述电梯的几何形状计算出来的，矩阵B使由所述操作机构所施加的力与在广义坐标中所表达的所述电梯的运动有关；

M和K是5×5矩阵，M具有根据所述电梯的惯性所算出的分量，K则具有根据作用在所述电梯上的恢复转矩所算出的分量；以及

C是5×5矩阵，其分量表示横切所述梯井轴沿第一和第二检测方向的所述电梯的运动的阻尼。

2.根据权利要求1的自行导向系统，其特征在于，所述力法则是 $H=-B^{-1}M[K_P{T}^{-1}G+K_D\stackrel{\·}{Q}+B{K}_I{T}^{-1}\∫\mathrm{Gdt}]-B^{-1}[\mathrm{KQ}+C\stackrel{\·}{Q}]$

式中K_P，K_D和K_I是5×5对角矩阵，其元素素选成使得系统独立控制方程 $\stackrel{\·\·}{Q}+K_D\stackrel{\·}{Q}+K_{P}Q+K_I\∫\mathrm{Qdt}=0$

具有表示在预定包络内横切所述梯井轴沿第和第二检测方向的所述电梯的运动的解Q。

3.根据权利要求2的自行导向系统，其特征在于，各操作机构包括两个电磁铁，所述电磁铁取向和定位成沿相反方向沿同一条线拉所述电梯。

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