CN1651328A - 设计对电梯轿厢减振的调节器的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法首先预给定具有已知结构的电梯轿厢(1)的总模型。模型参数或多或少是已知的或是正在评价的，其中对采用的电梯轿厢(1)的参数进行鉴别。其中进行模型的频率响应与测出的频率响应的比较。采用算法利用多个变量对函数最佳化，改变被评价的模型参数，以便实现尽可能的一致。具有经鉴别的参数的模型形成设计用于对电梯轿厢主动减振的最佳调节器的基础。

Description

设计对电梯轿厢减振的调节器的方法

技术领域

本发明涉及一种设计对电梯轿厢减振的调节器的方法，其中调节器设计建立在电梯轿厢的模型的基础上。

背景技术

专利说明书EP0731051B1中披露了一种对电梯轿厢减振的装置和方法。通过快速的调节减少垂直于运行方向的振动或加速度，从而在电梯轿厢内不会感觉到振动或加速度。为对测量值进行采集，在轿厢框架上设置有惯性传感器。另外一缓慢的位置调节器用于在电梯轿厢出现对应于导轨单侧歪斜时将电梯轿厢自动导向中间位置，其中位置传感器将测量值提供给位置调节器。

为减轻电梯轿厢上的振动或加速度，设置有一个多变量调节器和为了保持导轮的间隙或电梯轿厢的垂直状态设置有另一个多变量调节器。两个调节器的调整信号相加和分别对为导轮导向的和为水平方向的促动器进行控制。

调节器的设计建立在电梯轿厢模型的基础之上，所述模型考虑到了主要的结构谐振。

其缺点在于，尽管采用了减少极(pole)数量的方法，但总模型仍趋于过分复杂。因此造成建立在模型基础上的调节器同样也是复杂的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种辅助措施，其中克服已知方法中存在的缺点和推荐一种简单的设计调节器的方法。

实现所述目的的技术方案如下：

一种设计对电梯轿厢减振的调节器设计的方法，其中调节器的设计建立在电梯轿厢的模型的基础上，其特征在于，采用一具有或多或少已知的或经鉴别的模型参数的电梯轿厢的总模型，其中通过模型的传递函数或频率响应与测出的传递函数或频率响应的比较对采用的电梯轿厢的参数进行判别和改变模型参数，以便实现与测出的频率响应的尽可能的一致，其中具有经鉴别的参数的模型作为设计用于主动减振的最佳调节器的基础。

根据本发明的方法最好预给定一个具有已知结构的电梯轿厢的总模型。其中涉及一种所谓的多体系统(MBS)模型，所述模型包括多个刚性体。MBS模型对具有导轮和促动器的电梯轿厢主要的弹性结构以及与导轨的力耦合进行描述。模型参数或多或少是已知的或正在评价的，其中对采用的电梯轿厢的参数进行鉴别或确定。其中对模型的频率响应与测出的频率响应进行比较。采用算法利用多个变量对函数最佳化，改变被评价的模型参数，以便实现尽可能的一致。

另外，最好电梯轿厢的主动减振系统本身是测量传递函数或频率响应的测量装置。用促动器对电梯轿厢进行激励和利用加速度传感器或位置传感器对响应进行测量。

建立在模型基础上的调节器的设计方法保证了对具有不同的参数的各个电梯轿厢尽可能良好的主动的减振。

采用上述的鉴别方法保证了作为结果存在最简单和最一致的模型。最好建立在该模型基础上的调节器具有较好的品质因数或较好的调节质量。另外可以对方法系统地加以描述和在很大程度上实现自动化和以很短的时间实施。

基于具有经判别的参数的MBS模型，可以设计出用于减少加速度的坚固的多变量调节器和一个用于保持导轮间隙的位置调节器。

加速度调节器具有带通滤波器的特性和在大约1Hz至4Hz的平均的频率范围内具有最好的效果。低于或高于该频段将会减少加速度调节器的增益和效果。

在低频率范围加速度调节器的效率将受到导轮的可用的间隙和基于此间隙设计的位置调节器的限制。位置调节器促使电梯轿厢对导轨截面的平均值跟调，而加速度调节器将促使产生直线性移动。这种目的冲突是采用下述方式解决的，两个调节器分别在不同的频率范围内起作用。在频率低时位置调节器的增益大和然后减小。即位置调节器具有一个低通滤波器的特性。反之，在频率低时加速度调节器具有小的增益。

在高的频率范围，加速度调节器的效率将受到电梯轿厢弹性的限制。例如在12Hz时将出现第一结构谐振，其中该值大大取决于电梯轿厢的结构和可以明显地较低。高于第一结构谐振，调节器不再能减少轿厢体的加速度。甚至存在结构谐振被激励的危险，或会产生不稳定。基于对调节对象的动态系统模型的认识，对调节器的设计应避免此现象出现。

附图说明

下面将对照附图对本发明加以详细说明。图中示出：

图1示出电梯轿厢的多体系统(MBS)模型；

图2示出导轮和导轮力；

图3示出具有导轮、促动器和传感器的调整件；

图4为被调整的轴的示意图；

图5示出测出的加速度和经鉴别的模型的增益；

图6和7示出最佳化的调节器，其中具有用于主动减振的经鉴别的参数；

图8为设计H_∞调节器的信号流图，其中具有调节器和调节对象；

图9示出在y方向位置调节器的单参量曲线；

图10在y方向加速度调节器的单参量曲线，和

图11示出激励促动器的力信号。

具体实施方式

MBS模型必须再现出涉及乘行舒适度的电梯轿厢的主要特性。由于在对参数进行鉴别时可以仅用线性模型工作，所以必须对所有非线性的作用忽略不计。弹性电梯轿厢的第一固有频率很低，因而所述频率可以与所谓的整个轿厢的刚性体-固有频率重叠。

如图1所示，为实现弹性电梯轿厢1的模型化需要至少两个刚性体，即轿厢体2和轿厢框3。利用弹性弹簧4.1至4.6，即所谓的轿厢隔离件4将轿厢体2和轿厢框3连接。所述轿厢隔离件用于减小从框架传递给轿厢体的固体噪音。将轿厢体和轿厢框看成一个整体足以实现对刚性的电梯轿厢1的模型化。

轿厢体2和轿厢框3的横向强度大大低于垂直向的强度。此点可以通过分别至少分成两个钢性体，即轿厢体2.1和2.2和轿厢框3.1和3.2加以模型化。通过弹簧5、6.1和6.2将至少两个分体水平向耦合连接和在垂直向可以视为是刚性连接的。

可以用至少8个刚性体对导轮7.1至7.8以及分摊的杠杆和促动器的质量模型化，但也可以对此忽略不计。此点取决于导轮的固有频率和加以考虑的频率范围的上限。由于在调节状态下促动器-导轮-系统的固有频率将会导致不稳定，所以优选用刚性体模型化。导轮仅垂直于支撑面对应于框架在导轨上移动和与导轮导向弹簧8.1至8.8耦合连接。而在其它方向上导轮与框架刚性连接。

如图2所示，导向性能或在导轮与导轨之间的力耦合是非常重要的。建模时基本仅需要两个水平的力分量。对由滚动阻力产生的垂直的力分量可以忽略不计。由导轮衬层9.1至9.8的弹性压缩产生法向力。由垂直于导轮轴和平行于导轨的直线与导轮中点的实际移动方向之间的夹角产生轴向力或剪力。

数学上，下述的关系式是相关的：

F_RA＝-tan(α)*F_RN*K                      (1)

F_RA：轴向的导轮力，单位：[N]

α：滑角，单位：度

F_RN：垂直于支撑面的导轮力，单位：[N]

K：常数(无量纲的)，通过测量确定

当达到附着摩擦力极限时以及在滑角α很大时，上述的力法则(1)不再适用。所述滑角在行驶速度较慢时迅速变大和在静止状态时大约为90°。所以力法则(1)仅适用于行驶中的轿厢。

下式近似适用于行驶中的轿厢的轴向上的导轮力：

F_RA＝-v_A/v_K*F_RN*K

F_RA＝-v_A*(F_RN*K/v_K)

v_K；轿厢的垂直速度[m/s]

v_A：轿厢的轴向速度[m/s]

K是一个常数，当预应力明显地大于法向力的动态分量时，可以将v_K和F_RN视为常数。这意味着，轴向上的滚轮力与轴向的速度成正比，与轴向上的速度相反，和与电梯轿厢的运行速度成反比。

因此轿厢的横向振动被导轮减振，此点与被一个粘滞减振器减振相同，其中随着运行速度的增大减振效果越小。

如图3所示，导轮7被一围绕轴10’旋转的杠杆8与轿厢框3连接，其中导轮导向弹簧8在杠杆与轿厢框架之间产生一个力。促动器11产生一个平行于导轮导向弹簧的力。位置传感器12对杠杆10或导轮7的位置进行测量。加速度传感器13对轿厢框3垂直于导轮衬层9在导轨14上的支撑面的加速度进行测量。图中各件的附图标记与图1相同(例如在电梯轿厢1右下方的：7.1、8.1、9.1、10.1、11.1、12.1、13.1)。

在电梯轿厢1上具有四个带有促动器和位置传感器的下面的导轮7.1至7.4。另外四个上面的导轮7.5至7.8也可以具有促动器和位置传感器。采用的加速度传感器13的数量等于被调节的轴的数量，其中设置有至少三个和最多六个加速度传感器。

如图4所示，为实现对电梯轿厢1的主动减振，将轴的数量由八个减少到四个，或当只对下面主动调整时，从四个减少到三个。分别表示促动器力、位置和加速度的信号Fn_i、Pn_i、an_i的三相点属于每个轴An_i。下标i表示轴系统中的顺序号和n表示系统中轴的数量。

采用下述方式将在导轨14.1或14.2之间的下面的和上面的导轮对的信号汇聚在一起：促动器11.1和11.3的力信号F6₁或促动器11.5和11.7的力信号F6₄被分成正的一半和负的一半。每个促动器仅由一半控制和可以仅产生作用在导轮衬层上的压力。由位置传感器12.1和12.3的信号求出一个平均值和这同样也适用于位置传感器12.5和12.7。由加速度传感器13.1和13.3或13.5和13.7同样求出一个平均值。由于加速度传感器13.1和13.3或13.5和13.7在一个轴上和被下面的或上面的轿厢框刚性连接，所以原则上讲，加速度传感器测量的是相同的被测物，所以可以从传感器对中省去一个传感器。

在进行测试运行时，可以用一个如图11所示的力信号对一个或多个促动器进行控制和激励电梯轿厢1垂直于运行方向进行振动，从而在位置传感器12和加速度传感器13上产生明显可以测出的信号。为了可靠地确定测量与力信号的相关性，通常仅对一个促动器或促动器对进行控制。如表中所示，大多需要进行与主动的轴数量相同的次数的测量运行。

表1：

激励：一个或多个同时进行	测量：所有同时进行
			F61	P61P62P63P64P65P66	a61a62a63a64a65a66
F62
	F63
F64
	F65
F66

采用傅立叶变换确定出力信号以及测出的位置信号和加速度信号的频谱。采用如下方式求出频率范围内的传递函数或具有作为自变量的角频率ω的频率响应G_i，j(ω)，用配合的力信号谱除以测量的谱。其中i是测量的下标和j是力的下标。

${G^P}_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_i\left(\mathrm{\ω}\right)}{F_j\left(\mathrm{\ω}\right)}$

${G^a}_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{a_i\left(\mathrm{\ω}\right)}{F_j\left(\mathrm{\ω}\right)}$

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=\left[\begin{array}{c}{G}^P\left(\mathrm{\ω}\right)\\ G^a\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]$

G^P _i，j(ω)是力对位置的各个频率响应和G^a _i，j(ω)是力对加速度的各个频率响应。矩阵G^P(ω)包含所有力对位置的频率响应和矩阵G^a(ω)包括所有力对加速度的频率响应。由G^P(ω)和G^a(ω)的垂直组合产生矩阵G(ω)。

因此对一个六轴的系统形成2×6×6＝72传递函数和对一个三轴系统形成2×3×3＝18传递函数。对其重心在导轨14.1和14.2之间的轿厢，在两个水平方向x和y之间的耦合和相关是微弱的。因此仅大约一半的传递函数被继续应用，其余的由于不充分相关，将被削掉。

轿厢的MBS模型通常是一个线性的系统。在所述模型包含非线性的部分时，则可以采用数字减法建立一个在相应工作状态下的完全线性化的模型。在线性状态空间内用下述等式描述MBS模型：

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}$

                    y＝Cx+Du

其中x是系统状态的矢量，所述状态通常从外面是看不见的。在本例中系统的状态参数是：在刚性体模型中的重心的位置和速度，以及旋转角和转速。从这些参数推导出速度和加速度。因此速度同时是状态参数和导出数。

矢量

包含针对时间的x的导数。y是一个矢量，所述矢量包含测出的参数，即位置和加速度。矢量u包含系统的输入(促动器力)。A、B、C和D是共同构成所谓的雅各比矩阵的矩阵，所述雅各比矩阵对一线性系统进行完全的描述。通过下式给定频率响应：

                G^(ω)＝D+C(jωI-A)^-1B.

G^(ω)是与在矢量y中的测量次数相同的行数和与矢量u中输入次数相同的列数的矩阵和包含轿厢的MBS模型的所有频率响应。

雅各比矩阵包含等式的系统的所有局部的推导。在一阶的耦合的差分方程式的一个线性系统中，所述导数是A、B、C和D矩阵的常数。

所述模型包括多个充分已知的参数，例如尺寸和重量和多个不太了解的参数，例如弹簧率和缓冲常数。对这些不太了解的参数有待于进行鉴别。采用如下方式进行鉴别，将模型的频率响应与测出的频率响应进行比较。采用最佳化算法改变不太了解的模型参数，直至找到模型的频率响应与测出的频率响应的所有偏差的和e的最小值。

$e_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left|G_{i,j}^{^}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|-\left|G_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}{\sqrt{\left|G_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}}\·w\left(\mathrm{\ω}\right)$

$e=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Σ}}$ ${\left[e_{i,j}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^2$

w(ω)是一个取决于频率的加权。所述加权用于在模型中仅对测出的频率响应的重要部分进行模拟。

对最佳算法可以简要地描述如下：给定一个具有多个变量的函数。查找该函数的最小值或最大值。利用最佳算法求出该极限值。有许多不同的算法，例如快速递减算法利用局部推导旨在查找最大的梯度和快速地找到局部最小值，为实现此目的对其它可以忽略。最佳化是许多技术领域采用的算法和是科学研究的重要领域。

图5示出测出的经鉴别的模型的取决于频率的加速度的增益。IG^a _1，1I是传递函数或力对加速度的频率响应的值或幅度，其中输出为轴1的加速度和输入为轴1的力。量度：

1mg/N＝1milli-g/N＝0.0981m/s^2/N～1cm/s^2/N.

图11示出用于激励促动器11的力信号。采用所谓的随机二进制信号实现激励，所述信号由一个随机信号发生器产生，其中信号的幅度例如可以固定设置在±300N上和谱被大范围和均匀地分布。

具有经鉴别的参数的模型构成设计用于主动减振的最佳调节器的基础。调节器结构和参数取决于被调节对象的特性，在本发明中取决于电梯轿厢的特性。电梯轿厢具有静止的和动态的特性，由模型对所述静止的和动态的特性加以描述：重要的参数是：质量和质量惯性力矩、诸如高度、宽度、深度、轨宽等几何尺寸、弹簧率和阻尼值。当参数改变时，则将对电梯轿厢的特性和对用于减振的调节器的设定产生影响。在采用比例-积分和微分调节器时必须对三个增益进行设定，可以人工地进行设定。但用于本发明的调节器具有一百多个参数，其中实际上人工设定不再可能。所以必须自动地求出参数。只有借助描述电梯轿厢的主要特性的模型才是可能的。

图6所示的调节可以被分成两个并联的调节器：一个位置调节器15和一个加速度调节器16。也可以采用其它结构的调节，特别是如图7所示的相互串联的位置调节器和加速度传感器。调节器是线性的、非时变的、时间不连续的和对多个轴同时进行调节，所以被称作多输入、多输出(MIMO)。n是时间不连续的或“数字”调节器中的时节的顺序下标。

为下一个时节计算出更新的状态×(n+1)，以便在下一个时节可以获得所述状态。

在所描述的参数保持不变时，动态的系统是非时变的。当系统矩阵A、B、C和D不变时，线性调节器是非时变的。在一个数字计算器上实现的调节器一直是时间不连续的。这意味着，所述调节器以固定的时间间隔进行输入、计算和输出。

在设计调节器时采用所谓的H_∞方法。图8示出具有闭合的调节回路的H_∞设计方法的信号流图。H_∞设计方法的主要优点在于可以实现自动化。其中用闭合的调节回路减小被调节的系统的标准。采用下式给定具有mxn单元的矩阵A的H_∞标准：

${\left|\right|A\left|\right|}_{\∞}=\underset{i}{\max }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|a_{i,j}\right|$ (最大的“行和”)

被调节的系统是如图8所示的设备P的电梯轿厢1的经鉴别的模型。利用附加的加权函数在系统的输入端和输出端上产生用附图标记标示的调节器K所需的性能。

-w_v对系统输入端上频率范围内的干涉模型化

-w_r是小的常数值

-w_u对调节器输出进行限制

-w_y具有值1

图8为用H_∞方法设计调节器的框图。w是输入端上的矢量信号，由v和r组成。z是输出端上的矢量信号，其中z＝T*w。T由调节器、调节对象和加权函数组成。在分别对位置调节器或加速度传感器进行设计时，P6或a6构成闭合回路内的反馈。F6是调节器的输出或调整信号。利用||z||_∞/||w||_∞＝||T||_∞对H_∞标准最小化。为此重新采用最佳化方法，所述最佳化算法改变调节器的参数，直至找到最小值。

图9示出在y方向上的位置调节器的单参量的特性曲线。该特性曲线主要具有积分特性。

图10示出在y方向上的加速度调节器的单参量的特性曲线。该特性曲线具有带通特性。

单参量是矩阵的总增益的量度。nxn矩阵具有n个单参量。量度：

       1N/mg＝1N/milli-g＝N/(0.0981m/s^2)～1N/(cm/s^2)。

Claims (10)

1.一种设计对电梯轿厢(1)减振的调节器的方法，其中调节器的设计建立在电梯轿厢(1)的模型的基础上，其特征在于，采用一具有或多或少已知的或被评价的模型参数的电梯轿厢(1)的总模型，其中通过模型的传递函数或频率响应与测出的传递函数或频率响应的比较对采用的电梯轿厢的参数进行鉴别和改变模型参数，以便实现与测出的频率响应的尽可能的一致，其中具有经鉴别的参数的模型作为设计用于主动减振的最佳调节器的基础。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，电梯轿厢(1)的主动减振系统本身是测量传递函数或频率响应的测量装置，其中用促动器(11)对电梯轿厢(1)进行激励和利用加速度传感器(13)或位置传感器(12)对响应进行测量。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用最佳化算法改变模型参数，直至求出模型的频率响应与测出的频率响应的所有偏差的和的最小值。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，在计算和时，用取决于频率的值w(ω)的值对模型的频率响应和测出的频率响应之间的偏差进行加权。

5.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用H∞方法对调节器(17)进行设计。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，调节器(17)包括一个位置调节器(15)，所述位置调节器(15)根据电梯轿厢(1)的位置对促动器(11)进行控制，其中导向件(7)取预定的位置，和调节器(17)包括一加速度传感器(16)，所述加速度传感器根据电梯轿厢(1)的加速度对促动器(11)的驱动进行控制，从而对电梯轿厢(1)上出现的振动的抑制。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，位置调节器(15)和加速度传感器(16)并联，其中位置调节器(15)和加速度传感器(16)的调整信号相加和作为和信号输送给促动器(11)。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，位置调节器(15)和加速度调节器(16)串联，其中位置调节器(15)的调整信号作为输入信号输送给加速度调节器(16)。

9.按照权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，位置调节器(15)和加速度调节器(16)基本在不同的频率范围内起作用。

10.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，弹性电梯轿厢的多体系统(MBS)包括至少两个描述轿厢体(2)和轿厢框的体或刚性电梯轿厢的多体系统包括作为一个整体的轿厢体(2)和轿厢框(3)。

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