DE112013006705T5

DE112013006705T5 - Verfahren und System zum Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugsystem installiert sind

Info

Publication number: DE112013006705T5
Application number: DE112013006705.6T
Authority: DE
Inventors: Yebin Wang; Scott A. Bortoff
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2033-11-09
Also published as: CN105073619A; JP5985076B2; WO2014129028A1; JP2016506901A; CN105073619B; DE112013006705B4

Abstract

Ein Verfahren steuert einen Satz semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um eine Vibration der Aufzugskabine zu minimieren. Das Aufzugssystem wird mit einem Modell eines virtuellen Aufzugssystems mit einem einzigen virtuellen semi-aktiven Betätigungselement dargestellt, das dafür ausgelegt ist, eine virtuelle Störung zu kompensieren. Die virtuelle Störung wird anhand eines Bewegungsprofils einer Position der Aufzugskabine während des Betriebs und eines Störungsprofils der virtuellen Störung bestimmt. Ein Zustand des Aufzugssystems wird unter Verwendung des Modells des virtuellen Aufzugssystems, der virtuellen Störung und eines Signals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während des Betriebs anzeigt, bestimmt. Jedes Betätigungselement des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente wird auf Basis des Zustands des Aufzugssystems und gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements gesteuert.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft allgemein das Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, und genauer das Steuern des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, um eine Vibration in einem Aufzugssystem zu minimieren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Verringerung von Vibrationen in mechanischen Systemen ist aus verschiedenen Gründen wichtig, unter anderem für die Sicherheit und die Energieeffizienz der Systeme. Insbesondere steht die Vibration in verschiedenen Transportsystemen in direkter Beziehung zum Komfort und der Sicherheit von Fahrgästen und sollte somit minimiert werden. Zum Beispiel kann eine vertikale Vibration in Fahrzeugen durch aktive oder passive Vibrationssteuerungssysteme gesteuert bzw. begrenzt werden, die allgemein als Federungs- bzw. Aufhängungssysteme bezeichnet werden. Ebenso kann die Vibration minimiert werden, die während eines Betriebs eines Aufzugssystems induziert werden.
Das Aufzugssystem beinhaltet typischerweise einen Korb zw. eine Kabine, einen Rahmen, eine Rollenführungsanordnung und Führungsschienen. Die Rollenführungen dienen als Aufhängungssystem zur Minimierung der Vibration der Aufzugskabine. Die Kabine und die Rollenführungen sind am Rahmen montiert. Die Kabine und der Rahmen bewegen sich entlang der Führungsschiene und werden dabei von den Führungsrollen beschränkt. Es gibt zwei grundsätzliche Störungen, die zur Vibrationsstärke in der Kabine beitragen: (1) durch Schienen induzierte Kräfte, die aufgrund von Unebenheiten bzw. Unregelmäßigkeiten in den Schienen über die Schienenführungen auf die Kabine übertragen werden, und (2) direkt auf die Kabine wirkende Kräfte, die beispielsweise von Wind, der auf das Gebäude trifft, oder die Lastverteilung oder die Bewegung der Fahrgäste erzeugt werden.
Einige Verfahren, z. B. ein Verfahren, das in US 5544721 , US 5329077 beschrieben ist, kompensieren Unregelmäßigkeiten der Führungsschiene im Aufzugssystem, um den Fahrkomfort zu verbessern. Allerdings misst das Verfahren die Unregelmäßigkeit der Führungsschienen mit Sensoren, was teuer ist. Was die komplexen Aufzugssysteme betrifft, kann das Steuern der Aufzugskabine nur auf Basis der horizontalen Unebenheiten der Schienen außerdem ineffektiv sein.
Konkret wird die Begrenzung der Vibration der Aufzugskabine des Aufzugssystems durch die Schwierigkeiten bei der Bestimmung des Zustands des Aufzugssystems, während dieses in Betrieb ist, verkompliziert. Daher verwenden verschiedene Systeme zur Begrenzung der lateralen Vibration des Aufzugs eine einfache Steuerlogik, um die Dämpfungskraft zur Kompensation der Störung gemäß der erfassten Vibrationsstärke zu bestimmen. Zum Beispiel plant ein System, das in US 7909141 beschrieben ist, den Dämpfungskoeffizienten eines Dämpfers gemäß der Fahrgeschwindigkeit der Aufzugskabine. Das resultierende Steuersystem ist nicht optimal, da die Fahrgeschwindigkeit des Aufzugs die Eigenschaften der Störung nur teilweise reflektiert. Andere Verfahren benötigen verschiedene Sensoren, um eine ausgeklügelte Steuerung zu implementieren. Zum Beispiel benötigt ein Steuersystem, das in US 8011478 beschrieben ist, Positionssensoren und Beschleunigungsmesser. Solche Verfahren sind teuer.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel einiger Ausführungsformen der Erfindung ist die Schaffung eines Systems und eines Verfahrens zur Steuerung eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um einen Satz von Störungen an einer Aufzugskabine in einer horizontalen Richtung auszugleichen. Ein weiteres Ziel einiger Ausführungsformen ist die Schaffung eines solchen Systems und eines solchen Verfahrens, mit denen die Steuerung der semi-aktiven Betätigungselemente möglich ist, während gleichzeitig die Anzahl der Sensoren zum Messen von Betriebsparametern des Systems verringert wird. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bestimmen eine Steuerungsstrategie der semi-aktiven Betätigungselemente. Um die Anzahl der gemessenen Parameter zu minimieren, bestimmen einige Ausführungsformen eine Steuerungsstrategie auf Basis eines Parameters, der stellvertretend für die Vibration des Systems steht. Ein Beispiel für den Parameter ist ein Beschleunigungssignal, das die Beschleunigung des Aufzugsrahmens oder einer Aufzugskabine bzw. eines Aufzugskorbs im Aufzugssystem angibt. Demgemäß senken einige Ausführungsformen die Kosten für die Steuerung dadurch, dass sie während des Betriebs des Aufzugssystems nur die Messwerte des Beschleunigungsmessers verwenden.
Einige Ausführungsformen bestimmen die Steuerungsstrategie auf Basis eines Modells des Aufzugssystems. Die Ausführungsformen machen sich eine andere Erkenntnis zunutze, nämlich dass ein Satz von semi-aktiven Betätigungselementen einheitlich gesteuert werden kann und somit ein Modell des Aufzugssystems auf Basis dieser Einheitlichkeit vereinfacht werden kann. Somit stellen manche Ausführungsformen das Aufzugssystem als Modell eines virtuellen Aufzugssystems mit einem einzigen virtuellen semi-aktiven Betätigungselement dar, das dafür ausgelegt ist, eine virtuelle Störung zu kompensieren.
Das virtuelle semi-aktive Betätigungselement steht stellvertretend für den Satz semi-aktiver Betätigungselemente. Zum Beispiel steht eine Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements stellvertretend für Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente. Ebenso steht die virtuelle Störung stellvertretend für eine Kombination des Satzes von Störungen. Diese Erkenntnis erlaubt die Definierung der Steuerungsstrategie für das virtuelle semi-aktive Betätigungselement und eine einheitliche bzw. gleiche Steuerung jedes Betätigungselements des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente gemäß der Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements.
Auch nach der Vereinfachung auf Basis des virtuellen Systems kann eine eindeutige Ableitung der optimalen Steuerungsstrategie jedoch schwierig sein, und zwar aufgrund von Schwierigkeiten bei der Messung von Störungen oder anderen Parametern des virtuellen Systems, die durch die virtuelle Störung erzeugt werden, beispielsweiser eine Verlagerung zwischen Enden des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements oder einer relativen Geschwindigkeit und Position zwischen den Enden des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements. Andererseits wird durch das Wissen um die Störung in der Zeitdomäne der Zustand des Aufzugssystems überwachbar, d. h. bestimmbar. Das Wissen um den Zustand und die Störung ermöglicht die Implementierung verschiedener hochentwickelter Steuerungsverfahren, beispielsweise Steuerungsverfahren, die Receding-moving-Horizon- und suboptimale Steuerverfahren beinhalten, um die Vibration der Aufzugskabine wirksam zu minimieren.
Einige Ausführungsform basieren auf einer anderen Erkenntnis, nämlich dass die virtuelle Vibration anhand des Modells des virtuellen Aufzugssystems und eines Beschleunigungssignals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine angibt, vorab bestimmt werden kann. Zum Beispiel erweitert eine Ausführungsform das Modell mit der virtuellen Störung und einer Zeitableitung der virtuellen Störung als Zustandsvariablen und invertiert das erweiterte Modell, um eine Beziehung zwischen einer Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung und dem Beschleunigungssignal zu bestimmen. Auf Basis dieser Beziehung und der Messungen des Beschleunigungssignals kann die virtuelle Störung bestimmt werden.
Somit empfangen verschiedene Ausführungsformen Werte des Beschleunigungssignals, die an verschiedenen vertikalen Positionen der Aufzugskabine während eines Betriebs des Aufzugssystems ohne die Nutzung des Satzes von Betätigungselementen gemessen werden, und bestimmen auf Basis des Modells und der Werte des Beschleunigungssignals das vertikale Profil der virtuellen Störung. Das vertikale Profil bildet die Werte der virtuellen Störung auf entsprechende vertikale Positionen der Aufzugskabine ab.
Während des Betriebs der Aufzugskabine kann das Störungsprofil der virtuellen Störung verwendet werden, um die virtuelle Störung für den Betrieb zu bestimmen. Zum Beispiel bestimmt eine Ausführungsform die virtuelle Störung während des Betriebs der Aufzugskabine unter Verwendung eines Bewegungsprofils einer Bewegung der Aufzugskabine und des Störungsprofils der virtuellen Störung. Das Störungsprofil wird im Voraus bestimmt und in einem Speicher hinterlegt, auf den ein Prozessor eines Steuersystems zugreifen kann. Das Bewegungsprofil einer Position des Aufzugs kann z. B. von einer Bewegungssteuereinheit des Aufzugssystems bestimmt werden. Eine solche Ausführungsform kann von Vorteil sein, weil sie eine Einbeziehung künftiger Störungen in die Steuerungsstrategie ermöglicht.
Das Modell, das Störungsprofil und ein Beschleunigungssignal, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während des Betriebs anzeigt, können verwendet werden, um einen Zustand des Aufzugssystems zu bestimmen. Das Wissen um den Zustand des Aufzugssystems kann wiederum verwendet werden, um semi-aktive Betätigungselemente zu steuern. Zum Beispiel steuert eine Ausführungsform die einzelnen Betätigungselemente des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente auf Basis des Zustands des Aufzugssystems und gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements.
Somit offenbart eine Ausführungsform ein Verfahren zum Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um eine Vibration einer Aufzugskabine in einer horizontalen Richtung zu minimieren, die durch einen Satz von Störungen an der Aufzugskabine verursacht werden. Das Verfahren beinhaltet eine Darstellung des Aufzugssystems durch ein Modell eines virtuellen Aufzugssystems mit einem einzigen virtuellen semi-aktiven Betätigungselement, das dafür ausgelegt ist, eine virtuelle Störung zu kompensieren, die proportional ist zur Summe der Störungen von dem Satz von Störungen, wobei eine Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements proportional ist zur Summe der Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente; eine Bestimmung der virtuellen Störung während eines Betriebs der Aufzugskabine unter Verwendung eines Bewegungsprofils der Position der Aufzugskabine während des Betriebs und eines Störungsprofils der virtuellen Störung; eine Bestimmung eines Zustands des Aufzugssystems unter Verwendung des Modells des virtuellen Aufzugssystems, der virtuellen Störung und eines Signals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während des Betriebs anzeigt; und eine Steuerung der einzelnen Betätigungselemente des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente auf Basis des Zustands des Aufzugssystems und gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements. Schritte des Verfahrens werden von einem Prozessor ausgeführt.
Eine andere Ausführung offenbart ein System zum Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um einen Satz von Störungen zu kompensieren. Das System beinhaltet einen Sensor zur Bestimmung eines Beschleunigungssignals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während eines Betriebs des Aufzugssystems angibt; einen Prozessor zur Bestimmung eines Störungsprofils einer virtuellen Störung, die stellvertretend für den Satz von Störungen steht, auf Basis eines Modells eines virtuellen Aufzugssystems und eines Beschleunigungssignals, wobei das Modell des virtuellen Aufzugssystems ein einziges virtuelles semi-aktives Betätigungselement mit einer Kompensationskraft aufweist, die proportional ist zur Summe der Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, und das dafür ausgelegt ist, die virtuelle Störung, die proportional ist zur Summe der Störungen aus dem Satz von Störungen, zu kompensieren, und wobei das Beschleunigungssignal an verschiedenen vertikalen Positionen der Aufzugskabine während des Betriebs des Aufzugssystems ohne die Verwendung des Satzes von Betätigungselementen gemessen wird; und eine Steuereinheit zum Steuern der einzelnen Betätigungselemente des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements unter Verwendung des Störungsprofils der virtuellen Störung des Beschleunigungssignals, das während des Betriebs der Aufzugskabine unter Verwendung des Satzes von Betätigungselementen gemessen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A, 1B und 1C sind Blockschemata eines Steuerungsverfahrens gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
2 ist ein Schema zur Bestimmung eines Modells eines virtuellen Systems, das ein virtuelles Betätigungselement gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung aufweist;
3 ist eine Schema eines Aufzugssystems gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
4 ist ein Schema einer Rollenführungsanordnung mit einem semi-aktiven Betätigungselement, das an einer mittleren Rolle installiert ist, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
die 5A und 5B sind Schemata von Störungen des Aufzugssystems von 3;
die 6A, 6B, 6C, 6D und 6E sind Blockschemata verschiedener Verfahren zur Bestimmung eines Störungsprofils;
die 7A, 7B und 7C sind Blockschemata eines Kalkulators bzw. Schätzers, der für das Aufzugssystem verwendet wird, um die virtuelle Störung zu rekonstruieren;
8 ist ein Blockschema eines Zustandskalkulators für das Aufzugssystem;
die 9A, 9B, 9C, 9D und 9E sind Blockschemata von Verfahren zur Steuerung eines virtuellen Betätigungselements gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
10 ist ein Schema eines exemplarischen Modells eines semi-aktiven Vibrationsverringerungssystems, das einer externen Störung ausgesetzt ist; und
11 ist ein Blockschema eines Systems von Filtern für die Näherung einer Steuerungsstrategie gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung offenbaren ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Aufzugssystems mit semi-aktiven Betätigungselementen. Einige Ausführungsformen sind auf ein Aufhängungssystem gerichtet, das mindestens einer externen Störung in einer Richtung einer Störung ausgesetzt ist, und mindestens ein semi-aktives Betätigungselement wird gesteuert, um die Vibration einer von mehreren Massen, die von den entsprechenden Störungen induziert wird, zu minimieren.
Es sei klargestellt, dass es in dieser Offenbarung um ein Steuerungsverfahren eines Systems geht, das semi-aktive Betätigungselemente verwendet, um eine Vibration zu minimieren, die durch Störungen in einer Richtung verursacht wird, und das System externen Störungen in dieser Richtung ausgesetzt ist. Ein Steuerverfahren zur Minimierung einer Vibration in mehreren Richtungen kann durch Verallgemeinern des offenbarten Steuerverfahrens abgeleitet werden.
Angesichts eines Satzes von Störungen und eines Satzes von semi-aktiven Betätigungselementen stellen manche Ausführungsformen der Erfindung das System als Modell eines virtuellen Systems dar, das ein einziges virtuelles semi-aktives Betätigungselement aufweist, welches dafür ausgelegt ist, eine virtuelle Störung zu kompensieren. Zum Beispiel steht eine Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements stellvertretend für die Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, und die virtuelle Störung steht stellvertretend für eine Kombination aus dem Satz von Störungen. In verschiedenen Ausführungsformen basiert eine solche Darstellung auf der Annahme der Gleichförmigkeit der semi-aktiven Betätigungselemente, d. h. dass alle semi-aktiven Betätigungselemente exakt gleich sind, auf die gleiche Weise arbeiten und auf gleiche Weise gesteuert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Steuerung der semi-aktiven Betätigungselemente gemäß einer Theorie einer optimalen Steuerung abgeleitet und basiert auf dem Modell des Systems. In manchen Ausführungsformen wird das Modell des Systems durch ein Modell eines virtuellen Systems dargestellt. Zum Beispiel steuert eine Ausführungsform die einzelnen Betätigungselemente des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer Strategie einer optimalen Steuerung des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements. Genauer basieren manche Ausführungsformen auf einer Erkenntnis, dass es von Vorteil ist, den Satz von Betätigungselementen gemäß der optimalen Steuerungsstrategie zu steuern, die Betriebsparameter des Systems optimiert.
1A zeigt ein Schema eines Systems und eines Verfahrens zur Steuerung eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente. Das Steuersystem startet mit einer Darstellung eines Modells eines physischen Systems 101. 1B zeigt ein Beispiel für das Modell, das eine Masse oder ein Kombination von Gewichten 113, Federn 111, Dämpfern 115 und eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente beinhaltet. Das System unterliegt einem Satz von Störungen 114. In einer Ausführungsform wird das System 101 als Modell eines virtuellen Systems 102 auf Basis der Annahme dargestellt, dass alle relevanten semi-aktiven Betätigungselemente exakt gleich sind und sich gleich verhalten. Wie in 1C dargestellt ist, weist das virtuelle System eine Masse oder eine Kombination von der Massen 113, die Federn 111 und die Dämpfer 115 auf. Das virtuelle System weist außerdem ein virtuelles semi-aktives Betätigungselement 122 auf und unterliegt einer virtuellen Störung 123.
Die Störungen wirken sich auf die Bewegung der Massen in einer Richtung aus. Eine virtuelle Störung in einer bestimmten Richtung stellt die kombinierte Wirkung aller relevanten Störungen auf die Bewegung der Massen in dieser Richtung dar. Ebenso ist ein virtuelles Betätigungselement, das einer virtuellen Störung in einer bestimmten Richtung entspricht, zuständig für die Wirkung aller relevanten semi-aktiven Betätigungselemente auf die Massen in dieser bestimmten Richtung. Zum Beispiel kann eine Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements als Funktion der Summe der Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente bestimmt werden.
Die Sensoren 103 messen ein Signal, das einen Betriebszustand des Systems 101 anzeigt. Anhand des Modells des virtuellen Systems, eines vorgegebenen Störungsprofils 107, eines Bewegungsprofils und des gemessenen Signals bestimmt ein Störungsmodul 104 eine virtuelle Störung 109 des virtuellen Systems. Das Störungsprofil 107 wird offline bestimmt und zur online-Verwendung im Speicher hinterlegt, um zur Rekonstruktion der virtuellen Störung 109 entsprechend eines realen Betriebs des physischen Systems verwendet werden zu können. Anhand der virtuellen Störung 109 bestimmt ein Zustandskalkulator 105 einen Zustand 110 des virtuellen Systems. Der Zustand beinhaltet einen Satz von Variablen, die das Verhalten des virtuellen Systems während des Betriebs kennzeichnen. Ein Steuersignal 131 wird von einer Steuereinheit 106 gemäß verschiedenen Steuerungsstrategien des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements bestimmt. Das Steuersignal kann entweder die Spannung oder den Strom ändern. Das Steuersignal 131 kann entweder direkt oder indirekt, über Verstärker, an die semi-aktiven Betätigungselemente 112 ausgegeben werden.
Wie in den 1B und 1C dargestellt ist, ist der Unterschied zwischen dem physischen System und dem virtuellen System das Vorhandensein des virtuellen Betätigungselements und der virtuellen Störung im virtuellen System. Um das virtuelle System zu bestimmen, bestimmt eine Ausführungsform die virtuellen Störungen und das virtuelle semi-aktive Betätigungselement. Unter der Annahme, dass sich alle semi-aktiven Betätigungselemente, die der Bewegung einer Masse in einer bestimmten Richtung entsprechen, gleich verhalten, können alle Störungen, die sich auf die Bewegung der Masse in der spezifischen Richtung auswirken, zu einer virtuellen Störung kombiniert werden, und die Wirkung aller entsprechenden semi-aktiven Betätigungselemente auf die Masse in der bestimmten Richtung können als virtuelles semi-aktives Betätigungselement charakterisiert werden, das zwischen dem Gewicht und der Quelle der virtuellen System angebracht ist.
2 zeigt ein Beispiel für das physische System, das von vier externen Störungen w₁, w₂, w₃, w₄ in der vertikalen Richtung gestört wird, die mit 205, 206, 207 bzw. 208 bezeichnet sind. Der Satz semi-aktiver Betätigungselemente 201, 202, 203, 204 ist an nur einer Masse 113 angebracht, um den Satz von Störungen zu kompensieren. Genauer sind die ersten Enden von vier semi-aktiven Betätigungselementen, z. B. ein erstes Ende 221, am Gewicht 113 angebracht, und die zweiten Enden der vier semi-aktiven Betätigungselemente, z. B. das zweite Ende 222, sind jeweils an entsprechenden Quellen für die Störungen w₁, w₂, w₃, w₄ angebracht.
Zum Beispiel ist in manchen Ausführungsformen jedes semi-aktive Betätigungselement ein semi-aktiver Dämpfer, der einen gesteuerten Dämpfungskoeffizienten u_i, 1 ≤ i ≤ 4 aufweist.
Unter der Annahme, dass alle semi-aktiven Betätigungselemente gleichmäßig gesteuert werden, wird das physische System auf ein virtuelles System mit einer virtuellen Störung 212 und dem virtuellen semi-aktiven Betätigungselement 211 minimiert. Genauer ist die virtuelle Störung eine Summe aus vier Störungen und wird mit
bezeichnet. Das virtuelle semi-aktive Betätigungselement weist einen gesteuerten Dämpfungskoeffizienten
auf. Für die Ausführungsform, in der alle semi-aktiven Betätigungselemente den gleichen gesteuerten Dämpfungskoeffizienten aufweisen, weist das virtuelle semi-aktive Betätigungselement einen gesteuerten Dämpfungskoeffizienten u = 4u₁ auf, und die virtuelle Störung ist
Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit werden alle k semi-aktiven Betätigungselemente, eine Art von Dämpfungsvorrichtung, an die gleiche Masse m mit einer Verlagerung x angelegt. Somit erzeugt das i. semi-aktive Betätigungselement eine Kompensationskraft f_i = u_i(x . – w ._i) , wobei u_i der gesteuerte Dämpfungskoeffizient des i. semi-aktiven Betätigungselements ist. Die Kompensationskräfte des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente sind
wobei die Punkte über den Variablen Ableitungen anzeigen.
In einer Ausführungsform verhalten sich die semi-aktiven Betätigungselemente gleich, und die semi-aktiven Betätigungselemente weisen die gleichen gesteuerten Dämpfungskoeffizienten auf, die Kompensationskräfte aller semi-aktiven Betätigungselemente sind
und auf dieser Basis kann ein virtuelles semi-aktives Betätigungselement bestimmt werden, das die gleiche Kompensationskraft wie alle k semi-aktiven Betätigungselemente erzeugt. Zum Beispiel ist der gesteuerte Dämpfungskoeffizient des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ku, die virtuelle relative Geschwindigkeit des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist
und die virtuelle Störung ist
3 zeigt ein Beispiel für einen Abschnitt eines Aufzugssystems, das zwei Führungsschienen 302, einen Rahmen 303, eine Kabine 304, vier Kabinengummiunterlagen 305 und vier Rollenführungen 306 aufweist. In diesem nicht-beschränkenden Beispiel weist jede Rollenführung drei Rollen 401 (mittlere Rolle, vordere Rolle und hintere Rolle) und drei Rotationsarme 405 auf, die den drei Rollen entsprechen. Das Aufzugssystem weist vier mittlere, vordere bzw. hintere Rollen auf. Die Führungsschienen 302 sind vertikal (z-Achse) in einem Aufzugsschacht 301 installiert. Der Rahmen 303 trägt die Kabine 304 über die gegen Vibration isolierenden Gummis 305. Der Rahmen kann sich im Aufzugsschacht vertikal bewegen. Eine Rollenführung 306 führt die Bewegung des Rahmens 303 entlang der Führungsschienen 302.
4 zeigt einen Teil einer Rollenführungsanordnung 306 mit einer mittleren Rolle 401, die dazu dient, die Vibration der Aufzugskabine in Rechts-Links-Richtung (x-Achse) zu minimieren. Wie in 4 dargestellt ist, hält die mittlere Rolle 401 den Kontakt mit der Führungsschiene 302 über einen Rollengummi 402 aufrecht. Die Rolle ist an einer Basis 403 des Rahmens montiert und kann sich um eine Drehpunkt 404 drehen, dessen Achse in Vorne-Hinten-Richtung (y-Achse) verläuft. Ein Rotationsarm 405 dreht sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Rolle um den Drehpunkt 404. In einer Ausführungsform ist ein semi-aktives Betätigungselement 406 zwischen der Rahmenbasis 403 und dem Rotationsarm 405 installiert. Eine Rollenfeder 407 ist zwischen dem Rotationsarm 405 und der Rahmenbasis 403 installiert.
Es wird erneut auf 3 Bezug genommen, wo dargestellt ist, dass die Höhenänderung der Führungsschienen die Drehung der Rolle um den Drehpunkt bewirkt. Die Drehung der Rolle induziert aufgrund einer Kopplung zwischen dem Rotationsarm und der Rahmenbasis durch die Rollenfeder die laterale Bewegung des Rahmens, d. h. die Höhenänderung der Führungsschienen ist eine Quelle für die Störungen. Die laterale Bewegung des Rahmens induziert ferner die Bewegung der Kabine durch ihre Kupplung 305. Die Aufzugskabine bewegt sich entweder in Vorwärts-Rückwärts-(y-Achsen-) und/oder Links-Rechts-(x-Achsen-)Richtung. Dämpfungsvorrichtungen zwischen der Rolle und dem Rahmen oder dem Rahmen und der Kabine können die lateralen Vibrationen der Kabine begrenzen.
Ein semi-aktives Betätigungselement ist zwischen einem Ende des Rotationsarms und der Basis installiert. Das semi-aktive Betätigungselement erzeugt eine Kraft auf Basis einer relativen lateralen Bewegung zwischen dem Rotationsarm und dem Rahmen. Diese Kraft kann die Energie, die auf den Rahmen übertragen wird, tilgen und somit die Vibration des Rahmens dämpfen. Infolgedessen wird die Vibration der Aufzugskabine minimiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weist das Aufzugssystem auch einen Sensor 310 auf zum Messen eines Parameters, der einen Vibrationspegel der Aufzugskabine während des Betriebs des Aufzugssystems darstellt. Zum Beispiel gibt eine Beschleunigung der Aufzugskabine wieder, wie angenehm Fahrgäste die Fahrt empfinden, daher kann der Sensor 310 ein Beschleunigungsmesser sein, um eine Beschleunigung des Aufzugsrahmens 303 zu messen oder um die Beschleunigung der Aufzugskabine 304 direkt zu messen. In manchen Ausführungsformen werden die semi-aktiven Betätigungselemente, z. B. durch eine Steuereinheit 410, gemäß der Steuerungsstrategie auf Basis des während des Betriebs des Aufzugssystems gemessenen Signals gesteuert. In einer Ausführungsform wird die Beschleunigung des Aufzugsrahmens gemessen, um die Anzahl der Sensoren und die Kosten des Systems zu verringern.
In einer Ausführungsform weist die Rollenführungsanordnung ein lineares/rotierendes rheologisches Betätigungselement auf, das zwischen der Basis und dem Rotationsarm angeordnet ist wie in 4 dargestellt. Das rheologische Betätigungselement kann ein magneto-rheologisches (MR) Fluid oder ein elektro-rheologisches (ER) Fluid beinhalten. Im Allgemeinen können Strömungseigenschaften des rheologischen Fluids entweder durch ein magnetisches oder ein elektrisches Signal betätigt werden. Aufgrund der linearen relativen Geschwindigkeit zwischen dem Rahmen und dem Endpunkt des Rotationsarms wird die Rahmenvibration durch selektives Anpassen des Dämpfungskoeffizienten des linearen MR-Betätigungselements gemäß dem Rückkopplungssignal minimiert. In einer anderen Ausführungsform können Betätigungselemente, die Dämpfungskräfte auf Basis einer Coloumbschen Reibung erzeugen, an der Rollenführungsanordnung angebracht sein, um die Bewegung des Aufzugssystems zu steuern.
Im Falle des MR-Betätigungselements kann die Steuereinheit die MR-Betätigungselemente ansprechend auf die Vibrationen EIN und AUS schalten und das entsprechende Signal an den Verstärker ausgeben. Um das MR-Betätigungselement EIN zu schalten gibt der Verstärker einen elektrischen Strom an die Spule des MR-Betätigungselements auf. Der Spulenstrom richtet das benötigte Magnetfeld ein, um die Viskosität der MR-Fluide innerhalb des Gehäuses des MR-Betätigungselements zu erhöhen, wodurch der Dämpfungskoeffizient des MR-Betätigungselements geändert wird. Um das MR-Betätigungselement AUS zu schalten, wird kein Strom vom Verstärker ausgegeben, wodurch der Dämpfungskoeffizient des MR-Betätigungselements minimal ist. In einer anderen Ausführungsform kann das MR-Betätigungselement ständig eingeschaltet sein, d. h. die Steuereinheit passt den Dämpfungskoeffizienten des MR-Betätigungselements kontinuierlich an.
Es gibt zahlreiche Gestaltungsvarianten für die Zusammensetzung der semi-aktiven Betätigungselemente mit dem Aufzugssystem. In einer Ausführungsform wird ein semi-aktives Betätigungselement für jede Rolle installiert. In Anbetracht des Zweckes der semi-aktiven Aufhängung, der darin besteht, die Beschleunigung des Bodens der Aufzugskabine zu minimieren, so haben die semi-aktiven Betätigungselemente, die an der unteren Rollenführungsanordnung installiert sind, einen großen Einfluss auf die erreichbare Vibrationsverringerungsleistung. Somit verwendet eine andere Ausführungsform sechs semi-aktive Betätigungselemente über den beiden unteren Rollenführungen. Eine weitere Verringerung der Anzahl der semi-aktiven Betätigungselemente ist möglich. Zum Beispiel verwendet eine Ausführungsform nur vier semi-aktive Betätigungselemente, zwei über den unteren mittleren Rollen, eine über der unteren linken Rolle und eine über der untern rechten Rolle. Eine andere Ausführungsform besteht darin, dass zwei semi-aktive Betätigungselemente verwendet werden: eines über einer unteren mittleren Rolle, um eine Links-Rechts-Bewegung zu dämpfen, und die andere über einer unteren vorderen oder hinteren Rolle, um eine Vorwärts-Rückwärts-Bewegung zu dämpfen.
In einer Ausführungsform, die die oben genannte Symmetrievorgabe erfüllt, beinhaltet die Aufzugsaufhängung acht semi-aktive Betätigungselemente, d. h. ein semi-aktives Betätigungselement ist an der mittlere Rolle jeder Rollenführung installiert und ein semi-aktives Betätigungselement ist an der vorderen Rolle jeder Rollenführung installiert. Auch wenn die Symmetriebedingung nicht strikt erfüllt ist, kann das durch Vereinfachung eingerichtete virtuelle System bei einigen Ausführungsformen trotzdem das physische System relativ gut darstellen, wenn das physische System nahezu symmetrisch ist. Verfahren, die hier gelehrt werden, sollten nicht auf Anwendungen in physischen Systemen beschränkt werden, welche die Symmetriebedingung erfüllen.
Zum Beispiel ist eine Ausführungsform darauf gerichtet, das Steuerverfahren des semi-aktiven Schemas für das ganze Aufzugssystem zu lehren, wo acht semi-aktive Betätigungselemente an vier Rollenführungen, d. h. ein semi-aktives Betätigungselement für jede mittlere Rolle und ein semi-aktives Betätigungselement für jede vordere Rolle, installiert sind. Ein Beispiel für die Gestaltung des semi-aktiven Betätigungselements an der Rolle eines Aufzugs ist in 4 dargestellt. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bestimmen das virtuelle System, bestimmen das Störungsprofil und die kalkulierte virtuelle Störung, konzipieren den Zustandskalkulator und das Steuerungsgesetz, die nicht unbedingt strikt die Symmetriebedingung erfüllen. Einige in dieser Offenbarung verwendeten Bezeichnungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1: Bezeichnungen
Die Bewegung der Kabine und des Rahmens in der Rechts-Links-Richtung oder entlang der x-Achse und die Bewegung der Kabine und des Rahmens in der Rückwärts-Vorwärts-Richtung oder entlang der y-Achse sind entkoppelt. Eine Ausführungsform berücksichtigt das Steuerungsverfahren für semi-aktive Betätigungselemente, um die Vibration des Aufzugs in der Rechts-Links-Richtung zu minimieren.
5A zeigt ein Schema einer exemplarischen Störung des Aufzugssystems. In diesem Beispiel unterliegt das Aufzugssystem vier Störungen, 511, 512, 513 und 514 in der Rechts-Links-Richtung. Die vier Störungen werden durch vier mittlere Rollenanordnungen 306 an das Aufzugssystem angelegt und bewirken die translationale Bewegung des Rahmens 303 in der Rechts-Links-Richtung und die Drehung des Rahmens um die y-Achse. Die Translation und Rotation des Rahmens bewirken ferner die Translation und Rotation der Kabine 304 in der Rechts-Links-Richtung bzw. um die y-Achse. Die Rechts-Links-Bewegung der Kabine und des Rahmens sind mit der Rotation der Kabine und des Rahmens um die y-Achse gekoppelt. Diese Ausführungsform gibt die Dynamik der Bewegungen der Kabine und des Rahmens in der x-Achse, die Rotationen der Kabine und des Rahmens um die y-Achse und die Rotation der vier mittleren Rollen an. Die übrige Dynamik kann auf ähnliche Weise abgeleitet werden, ist aber irrelevant für die Minimierung der Vibration in der Rechts-Links-Richtung.
Das Steuerverfahren kann durch die Steuereinheit 410 auf Basis des Parameters implementiert werden, der eine Beschleunigung der Aufzugskabine darstellt und der vom Sensor 310 gemessen wird. Die Steuereinheit steuert den Satz semi-aktiver Betätigungselemente gemäß verschiedener Steuerungsstrategien des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements, das stellvertretend für den Satz der Betätigungselemente steht, wie nachstehend erörtert.
Die Aufzugskabine kann verschiedenen Kräften ausgesetzt werden, die aus der Interaktion mit dem Rahmen resultieren. Diese Kräfte können die aus den Trägergummis resultierenden Feder- und Dämpfungskräfte zwischen der Kabine und dem Rahmen beinhalten, die durch eine Gesamtkraft f x / c bezeichnet werden und folgendermaßen geschrieben werden: f x / c = k x / c(x_c – x_f + l y / c(θ y / c – θ y / f)) + b x / c(x ._c – x ._f + l y / c(θ . y / c – θ . y / f)).
Ebenso wird die Rotation der Kabine um die y-Achse durch das Gesamtdrehmoment induziert, das der Gesamtkraft f x / c entspricht und folgendermaßen geschrieben wird: T x / c = l y / cf x / c
Die Translationsbewegung des Rahmens einschließlich des Rahmens und aller Rollenführungen in der x-Achse unterliegt den Kräften der Interaktion mit der Kabine und den Führungsschienen, die alle zum Typ der Feder- und Dämpfungskräfte gehören. Die Gesamt-Feder- und Dämpfungskraft resultiert aus den Rollengummis der vier mittleren Rollen und wird mit f x / g bezeichnet und folgendermaßen geschrieben:
f xi / g = k x / g(x_f + R₁θ yi / r + l yi / fθ y / f – w x / i) + b x / g(x ._f + R₁θ . yi / r + l yi / fθ . y / f – w . x / i), wobei f xi / g die Feder- und Dämpfungskräfte bezeichnet, die aus dem Rollengummi der i. mittleren Rolle resultiert. Somit ist die Dynamik der Translation des Rahmens in der Rechts-Links-Richtung
wobei p xi / 2 eine geeignete Konstante ist.
Die Rolle unterliegt dem Drehmoment, das Kräften entspricht, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Rollengummi und der Führungsschiene resultieren, und das folgendermaßen geschrieben wird:
T xig = R₁f xi / g.
Das Drehmoment um die Rotationsarme, das den Feder- und Dämpfungskräften der Rollenfeder entspricht, wird bezeichnet als
T xi / r = h₁(k x / rh₁θ yi / r) + b x / rh₁θ . yi / r).
Das Drehmoment, das der Kompensationskraft von semi-aktiven Betätigungselementen entspricht, ist
T xi / u = L²u x / iθ . yi / r.
Die Dynamik des Aufzugs einschließlich der Translation und Rotation der Kabine und des Rahmens in der Rechts-Links-Richtung und der Rotation der mittleren Rollen um ihre Drehpunkte ist m_cẍ_c + f x / c = 0, (8) I y / cθ .. y / c + T x / c = 0, (9)
p xi / 2ẍ_f + p xi / 3θ .. y / f + I y / rθ .. yi / r + T xi / g + T xi / r + T xi / u = 0, 1 ≤ i ≤ 4, (11) wobei p xi / 3 konstant sind und I y / r die Trägheit des Rotationsarms und der mittleren Rolle in Bezug auf den Drehpunkt ist.
In einer Ausführungsform werden die Kopplungsterme p xi / 2θ .. yi / r und p xi / 2ẍ_f ignoriert, da die übrigen Terme in der Dynamik dominant sind. Somit kann das Modell des physischen Systems, das durch die Gleichungen (8–11) dargestellt wird, vereinfacht werden durch Betrachtung von p xi / 2 = 0, p xi / 3 = 0
Das virtuelle System wird bestimmt durch ein Manipulieren der Dynamik des physischen Systems. Unter der Annahme, dass alle semi-aktiven Betätigungselemente gleich arbeiten, ist die Summe der Gleichung (11) für 1 ≤ i ≤ 4
was die Definition eines virtuellen semi-aktiven Betätigungselements mit einem Dämpfungskoeffizienten
einer virtuellen Störung
und einer entsprechenden virtuellen relativen Geschwindigkeit
gestattet.
Somit wird das virtuelle System, das die virtuelle Störung 516, die virtuelle mittlere Rollenanordnung 515, das virtuelle semi-aktive Betätigungselement, den Rahmen 303 und die Kabine 304 aufweist, abgeleitet und in 5B dargestellt.
Auf Basis des Modells des virtuellen Systems Beschränkungen, denen das virtuelle semi-aktive Betätigungselement unterliegt, und der optimalen Steuerungstheorie bestimmt die Ausführungsform die optimale Steuerungsstrategie zur Minimierung der Vibration der Aufzugskabine in der Rechts-Links-Richtung als
worin φ(x, y, t) die Zustandsfunktion ist, x einen Vektor von Co-Zustands- und Zustandsvariablen darstellt, einschließlich translationaler Verlagerungen und Geschwindigkeiten der Rotationsarme, y das gemessene Signal vom Sensor 103 bezeichnet und t die Abhängigkeit von der virtuellen Störung darstellt.
Ein Steuerverfahren für die offenbarte semi-aktive Aufhängung des Aufzugs verwendet die Näherung der Zustandsfunktion φ(x, y, t) des Zustands und des Co-Zustands des Systems und die Funktion der Verdrängung θ . y / r oder der virtuellen relativen Geschwindigkeit.
Einige Ausführungsformen nähern die Werte der Zustandsfunktion und der Funktion der Verdrängung in der optimalen Steuerungsstrategie. Die Näherung dieser Funktionen ist abhängig von den Messungen. Insbesondere steht die Näherung der Funktion der Verdrängung auch mit der Gestaltung der semi-aktiven Betätigungselemente in Beziehung.
6A zeigt ein Schema eines Verfahrens 600 zur Bestimmung des Störungsprofils 107 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 600 kann offline durchgeführt werden, indem man den Aufzug mindestens einmal fahren lässt. Das Aufzugssystem kann ohne die Verwendung der Betätigungselemente 112 fahren gelassen werden. Der Sensor 103 gibt das Messsignal, z. B. die Beschleunigung, an einen Störungskalkulator 602 aus, der eine kalkulierte bzw. vorausberechnete Störung 605 als Funktion der Zeit ausgibt. Ein Bewegungsprofil 108 gibt eine Trajektorie 606 der vertikalen Position aus, welche die Position der Aufzugskabine als Funktion der Zeit definiert. Die Trajektorie 606 kann mit der kalkulierten Störung 605 kombiniert werden, um das Störungsprofil 107 als Funktion einer vertikalen Position zu ergeben. Der Störungsprofilblock 107 bestimmt das virtuelle Störungsprofil auf Basis der virtuellen Störung in der Zeitdomäne und des Kennfelds zwischen der Zeit und der vertikalen Position wie vom Bewegungsprofil bestimmt.
Die 6B und 6C zeigen zwei Ausführungsformen der Implementierung des Störungskalkulators 602. Beide Ausführungsformen benötigen nur Beschleunigungsmesser als Sensoren. In einer Ausführungsform, die in 6B dargestellt ist, gibt der Sensor 103 die translationale Beschleunigung des Rahmens in der Rechts-Links-Richtung an ein erstes Filter 611, ein zweites Filter 612 und ein viertes Filter 614 aus. Das erste und das zweite Filter verarbeiten das Beschleunigungssignal und produzieren die kalkulierte virtuelle relative Position 616 zwischen zwei Enden des virtuellen Betätigungselements.
Beispiele für die virtuelle relative Position können formuliert werden als θ ^ y / r(t) = w ^^x(t) – x ^_f(t), wobei w ^^x eine kalkulierte virtuelle Störung bezeichnet und x ^_f eine kalkulierte translationale Verlagerung des Rahmens entlang der Rechts-Links-Richtung bezeichnet. Das vierte Filter verarbeitet das Beschleunigungssignal, um die kalkulierte translationale Verlagerung 617 des Rahmens in der Rechts-Links-Richtung x ^_f zu produzieren. Die Summierung der Signale 616 und 617 ergibt die kalkulierte virtuelle Störung w ^^x .
6C zeigt die Ausführungsform, die das Beschleunigungssignal unter Verwendung eines fünften Filters 615 verarbeitet, um die kalkulierte virtuelle Störung w ^^x direkt zu produzieren. Die kalkulierte virtuelle Störung, kombiniert mit dem vertikalen Positionsprofil, wird auf das virtuelle Störungsprofil abgebildet. Beispiele für verschiedene Implementierungen der Filter sind nachstehend ausführlicher beschrieben.
Die 6D und 6E zeigen Blockschemata von Verfahren zur Bestimmung der virtuellen Störung jedes Betriebs des Aufzugs. Die virtuelle Störung kann bei unterschiedlichen Betriebsereignissen unterschiedlich sein, z. B. bei unterschiedlichen Fahrten der Aufzugskabine. Vorteilhafterweise können verschiedene Ausführungsformen der Erfindung auf verschiedene Störungen des Aufzugssystems gerichtet sein, beispielsweise unter anderem auf die Verformung der Führungsschienen.
In einer Ausführungsform, die in 6D dargestellt ist, kann die virtuelle Störung 109 während des gesamten Zeitraums des Betriebs angesichts des virtuellen Störungsprofils 625, das vom Störungsprofilblock 107 bereitgestellt wird, und der Trajektorie der vertikalen Position 606 für eine Fahrt der Aufzugskabine, die vor dem Betrieb des Aufzugssystems bestimmt worden ist, vor der Fahrt bestimmt werden 104. Die Trajektorie der vertikalen Position 606 wird durch ein Bewegungsprofil 108 bestimmt, das ein Bewegungsplaner für die Aufzugskabine sein könnte.
6E zeigt ein Diagramm einer anderen Ausführungsform, in dem das Beschleunigungssignal vom Sensor 103 verwendet wird, um die Störung über dem gesamten Zeitraum jedes Betriebs des Aufzugs vorauszusehen und die vorausgesehene virtuelle Störung in Echtzeit zu korrigieren. Die Trajektorie der vertikalen Position 606 wird verwendet, um die virtuelle Störung über dem gesamten Zeitraum für jeden Betrieb vorauszusagen, bevor der Aufzug den Betrieb aufnimmt, wohingegen das Beschleunigungssignal vom Sensor 103 mit der Trajektorie der vertikalen Position 606 fusioniert wird, um die Genauigkeit der Trajektorie der vertikalen Position zu verbessern, während der Aufzug in Betrieb ist, wodurch die virtuelle Störung über dem Rest der Betriebszeit korrigiert wird.
7 zeigt ein Beispiel für Implementierungen der ersten, der zweiten und der fünften Filter. In einer Ausführungsform ist das erste Filter als Kabinenbeschleunigungsfilter 702 implementiert, welches das Beschleunigungssignal 711 des Rahmens verarbeitet, das vom Beschleunigungsmesser 103 erfasst wird, um ein kalkuliertes translationales Beschleunigungssignal 712 der Kabine in Rechts-Links-Richtung zu produzieren. Das zweite Filter ist als virtueller relativer Positionskalkulator 703 implementiert, der das Beschleunigungssignal 711 und die kalkulierte translationale Beschleunigung der Kabine 712 verarbeitet, um die kalkulierte virtuelle relative Position und Geschwindigkeit 714 zu produzieren.
In einer Ausführungsform sind vier semi-aktive Betätigungselemente an allen vier mittleren Rollen installiert, um die Vibration der x-Achse zu minimieren. Diese Ausführungsform bezeichnet die ersten und zweiten Filter auf Basis des in den Gleichungen (8), (10) und (12) angegebenen virtuellen Systems. Unter der Annahme, dass die semi-aktiven Betätigungselemente die gleiche Aktion durchführen, wird das Modell der virtuellen relativen Position, bezeichnet mit
agegeben durch T x / g + I y / rη .. + (h₁ ²b x / r + L²u^x)η . + h₁ ²k x / rη = 0, (13) wobei u^x = u x / i für 1 ≤ i ≤ 4 der gesteuerte Dämpfungskoeffizient des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist. Die Dynamik der virtuellen relativen Position wird von einer linearen zeitvarianten Differentialgleichung abhängig von der virtuellen relativen Position, der virtuellen relativen Geschwindigkeit, der virtuellen Steuerung und dem Drehmoment vom Rollengummi T x / g beschrieben. Angesichts der Variablen T x / g und der Dynamik der virtuellen relativen Position (13) wird das zweite Filter zum Kalkulieren der virtuellen relativen Position bestimmt wie folgt
z₁ = η ^₁, z₂ = η ^₂, wobei z₁ die kalkulierte virtuelle relative Position bezeichnet, z₂ die kalkulierte virtuelle relative Geschwindigkeit bezeichnet, I y / r eine Trägheit eines Rotationsarms in Bezug auf einen Drehpunkt ist, L eine Länge zwischen dem Rotationsarm und einem Betätigungselementkraftpunkt ist, u^x ein viskoser Dämpfungskoeffizient des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist, h₁ eine Höhe zwischen dem Drehpunkt und einer Rollenfeder ist, b₁ ein Dämpfungskoeffizient der Rollenfeder ist, k₁ eine Steifigkeit der Rollenfeder ist und T x / g ein Drehmoment um den Drehpunkt herum bezeichnet. Die Ausgabe des zweiten Filters z₂ ist eine Näherung der virtuellen relativen Geschwindigkeit θ . y / r . Der Näherungswert der virtuellen relativen Geschwindigkeit z₂ konvergiert exponentiell zum wahren Wert der virtuellen relativen Geschwindigkeit θ . y / r . Der Näherungswert der virtuellen relativen Geschwindigkeit z₁ konvergiert exponentiell zum wahren Wert der virtuellen relativen Position θ y / r .
In einer anderen Ausführungsform sind nur zwei semi-aktive Betätigungselemente an zwei von den vier mittleren Rollen installiert, um die Vibration in der x-Achse zu minimieren. Diese Ausführungsform konzipiert das zweite Filter auf Basis des virtuellen Systems, und das zweite Filter ähnelt dem ersten Filter der vorangehenden Ausführungsform.
Der Wert T x / g kann unter Verwendung der Ausgabe des ersten Filters erhalten werden. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform angenommen, dass die translationalen und Winkelbeschleunigungen des Rahmens gemessen werden. Die Kabinendynamiken in den Gleichungen (8)–(9) werden angeordnet, um die Kabinenbeschleunigungen aus den gemessenen Rahmenbeschleunigungen vorauszuberechnen. m_cẍ_c + k x / c(x_c + l y / cθ y / c) + b x / c(x ._c + l y / cθ . y / c) = k x / c(x_f + l y / cθ y / f) + b x / c(x ._f + l y / cθ . y / f), I y / c + θ .. y / c + l y / ck x / c(x_c + l y / cθ y / c) + l y / cb x / c(x ._c + I y / cθ . y / c) = l y / ck x / c(x_f + l y / cθ y / f) + l y / cb x / c(x ._f + l y / cθ . y / f). (14)
Die Laplace-Transformation der Gleichung (14) ist (M_cs² + B_cs + K_c)X_c(s) = (B_cs + K_c)X_f(s), wobei X_c(s) = [x_c(s), θ y / c(s)] die Laplace-Transformation von [x_c, θ y / c] ist und X_f(s) = [x_f(s), θ y / f(s)] die Laplace-Transformation von [x_f, θ y / f] ist, s eine komplexe Frequenz ist und M_c, B_c, K_c geeignete Matrizen sind. Die Kabinenbeschleunigung kann jeweils durch Filtern der Rahmenbeschleunigung durch das folgende erste Filter kalkuliert werden, dessen Transferfunktion angegeben wird mit G_c(s) = (M_cs² + B_cs + K_c)^–1(B_cs + K_c).
Gemäß der Kalkulation der Kabinenbeschleunigung ist der Wert der Gesamtkraft f x / c bekannt. Somit kann der Wert der Gesamtkraft vom Rollengummi f x / g gemäß der Gleichung (10) berechnet werden, die den Wert des Drehmoments T x / g impliziert.
Somit wird das zweite Filter konzipiert.
Eine Ausführungsform des ersten Filters vereinfacht die Kalkulation des Wertes des Drehmoments T x / g weiter. Die Ausführungsform misst nur die translationale Beschleunigung des Rahmens, z. B. entlang der x-Achse. Wie oben offenbart, ist für die Kalkulation der Beschleunigung der Aufzugskabine entlang der x-Achse die Kenntnis der translationalen Beschleunigung des Rahmens entlang der x-Achse und der rotationalen Beschleunigung um die y-Achse nötig. Die Rotationsdynamiken der Kabine und des Rahmens können von der Translationsdynamik aufgrund ihres zu vernachlässigenden Effekts entkoppelt werden, und die Gleichung (14) wird vereinfacht zu m_cẍ_c + k x / cx_c + b x / cx ._c = k x / cx_f + b x / cx ._f. (15)
Aus der Gleichung (15) kann die Kabinenbeschleunigung in der x-Achse als Ausgabe des folgenden ersten Filters kalkuliert werden, dessen Eingabe die Rahmenbeschleunigung in der x-Achse ist.
G(s) ist die Transferfunktion des ersten Filters, dessen Eingabe die translationale Beschleunigung des Aufzugsrahmens z. B. in der Rechts-Links-Richtung ist und dessen Ausgabe die kalkulierte translationale Beschleunigung der Aufzugskabine z. B. in Rechts-Links-Richtung ist. Ebenso ist s eine komplexe Frequenz, ist m_c eine Masse der Aufzugskabine, ist k x / c eine gewichtete Steifigkeit eines Kabinenhaltedämpfers und ist b x / c eine gewichtete Dämpfung eines Kabinenhaltedämpfers.
Auf der Basis der kalkulierten Kabinenbeschleunigung kann der
Wert der Gesamtkraft vom Rollengummi f x / g gemäß der Gleichung (10) berechnet werden, die den Wert für das Drehmoment T x / g impliziert. Die virtuelle relative Position und die Geschwindigkeit können durch das gleiche zweite Filter genähert werden. Somit wird die Vibration der Aufzugskabine auf Basis von lediglich der Messung der Beschleunigung minimiert.
Die 7B und 7C zeigen das Schema des fünften Filters 615, und das Verfahren zur Konzeption eines ersten Bandpassfilters 723 des fünften Filters 615. 7B zeigt, dass das erste Bandpassfilter 723 das eingegebene Signal verarbeitet, in der Regel Beschleunigungssignale, und ein Signal 733 ausgibt, das die Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung ausgibt, dann verarbeitet ein zweites Bandpassfilter 724 das Signal 733, um die kalkulierte virtuelle Störung als Ausgabe des fünften Filters zu produzieren.
7C zeigt ein Verarbeitungsverfahren zur Konzeption des ersten Bandpassfilters. Die Verfahren beginnen mit dem Modell des virtuellen Systems 102, das die virtuelle Störung und ihre Zeitableitung als unbekannte Funktionen beinhaltet. Das Modell des virtuellen Systems beinhaltet ursprünglich Zustandsvariablen, welche die Bewegungen des Aufzugsrahmens, der Kabine und der virtuellen Rollenführungsanordnung zeigen, und wird durch die Einbeziehung der virtuellen Störung und ihrer Zeitableitung als zweite extra Zustandsvariablen erweitert, um ein erweitertes virtuelles System 721 zu erzeugen, das angegeben wird durch m_cẍ_c + f x / c = 0, (16) (m_f + m_r)ẍ_f – f x / c + f x / g = 0, (17) I y / rθ .. y / r + T x / g + T x / r + T x / u = 0, (18) ξ .₇ = ξ₈, ξ .₈ = v (19) y = ẍ_f. (20) wobei ξ₇, ξ₈ die virtuelle Störung bzw. deren Zeitableitung darstellt und v die Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung darstellt. Das erweiterte virtuelle System weist nur eine einzige unbekannte externe Eingabefunktion v auf: die Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung.
In einer Ausführungsform wird das virtuelle semi-aktive Betätigungselement ausgeschaltet und das erweiterte virtuelle System ist linear zeitinvariant. Eine Transferfunktion des erweiterten virtuellen Systems, die mit G_vy = Y(s) / V(s) bezeichnet wird, kann durch Anwenden einer Laplace-Transformation auf die Eingabe v und die Ausgabe y des erweiterten virtuellen Systems berechnet werden, weist eine Pol-Nullstellenkompensation auf, wonach alle Nullen und Pole in der linken Hälfte der Komplexebene angesiedelt sind. Das erweiterte virtuelle System ist umkehrbar, somit wird es invertiert, um ein invertiertes erweitertes virtuelles System 722 zu produzieren, dessen Transferfunktion angegeben wird durch
Auf Basis des invertierten erweiterten virtuellen Systems kann der erste Bandpassfilter als Kopie des invertierten erweiterten virtuellen Systems bestimmt werden, dessen Eingabe das gemessene Beschleunigungssignal ist und dessen Ausgabe die kalkulierte Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung 733 ist.
Eine Kopie des invertierten erweiterten virtuellen Systems bedeutet, dass das erste Bandpassfilter exakt die gleiche Transferfunktion aufweist wie das invertierte erweiterte virtuelle System. Die kalkulierte Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung 733 konvergiert exponentiell zur Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung.
Das zweite Bandpassfilter ist dafür ausgelegt, einen doppelten Integrator so zu nähern, dass die kalkulierte virtuelle Störung zuverlässig aus der Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung 733 abgeleitet werden kann. Die Konzeption des zweiten Bandpassfilters zur Näherung eines doppelten Integrators ist für den Fachmann naheliegend. Das Verfahren zur Bestimmung des ersten Bandpassfilters beruht auf einer Laplace-Transformation des erweiterten virtuellen Systems, das linear zeitinvariant sein muss. Die Transferfunktion des erweiterten virtuellen Systems muss nicht vorliegen, wenn das virtuelle semi-aktive Betätigungselement im Lauf der Zeit EIN und AUS geschaltet wird, was bedeutet, dass das erweiterte virtuelle System im Lauf der Zeit variiert. Das oben gelehrte Verfahren funktioniert für diesen Fall ohne die Verwendung der Transferfunktion, wenn man über ein gutes Modell des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements verfügt, daher ist die Kompensationskraft, die vom virtuellen semi-aktiven erzeugt wird, ein bekanntes Signal, und ihre Wirkung auf die Ausgabe kann beseitigt werden, um eine neue Ausgabe zu produzieren, die nur von der virtuellen Störung abhängt.
Zum Beispiel ist durch die Behandlung der Kompensationskraft F(t) des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements als bekannte Eingabe das erweiterte virtuelle System linear zeitinvariant und die Laplace-Transformation seiner Ausgabe wird angegeben durch Y(s) = G_vy(s)V(s) + G_yu(s)F(s), wobei F(s) die Laplace-Transformation der Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist und G_yu die Transferfunktion von der Kompensationskraft zur Ausgabe ist. Man kann eine neue Ausgabe y neu definieren, deren Transferfunktion durch Y(s) = Y(s) – G_yuF(s) angeben wird und deren Zeitdomänenprofil entsprechend umgebaut werden kann. Wenn die neue Ausgabe y die Eingabe des fünften Filters ist, erhält man die kalkulierte Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung.
Einige Ausführungsformen basieren auf der Erkenntnis, dass es günstig ist, den Aufzug zuerst mit semi-aktiven Betätigungselementen in der AUS-Stellung fahren zu lassen, so dass das virtuelle System nur Kräften aufgrund der virtuellen Störung ausgesetzt wird und die Laplace-Transformation des erweiterten virtuellen Systems immer möglich ist. Diese Ausführungsform minimiert die Schwierigkeit beim gleichzeitigen Umgang mit verschiedenen Unsicherheiten. Lässt man die semi-aktiven Betätigungselemente in der EIN-Stellung, verhindert dies jedoch nicht die Anwendung des Verfahrens, wenn man Kenntnisse über die semi-aktiven Betätigungselemente mit hohem Vertrauensfaktor hat.
8 zeigt ein Schema des Zustandskalkulators 105, das eine vollständige Zustandskalkulation des virtuellen Systems liefern soll. Die Zustandskalkulation des virtuellen Systems, die jeweils die translationale Beschleunigung des Rahmens misst, kann aufgrund der Beschränkungen des Messschemas schwierig zu lösen sein, was das virtuelle System nicht-überwachbar macht. Einige Ausführungsformen basieren auf der Erkenntnis, dass die Zustandskalkulation durch die Durchführung einer Folge von Experimenten und die Zerlegung des Zustandskalkulationsproblems in zwei Unterprobleme: ein Problem der Kalkulation der virtuellen Störung und ein Problem der Kalkulation des Zustands, möglich sein kann. Wie in 8 dargestellt ist, erfordert die Kalkulation des Zustands des virtuellen Systems die kalkulierte virtuelle Störung aus dem Störungsmodul 104, eine von der Steuereinheit 106 erzeugte Steuerungsaktion, Beschleunigungssignale, die von den Sensoren 103 erfasst werden, und die kalkulierte virtuelle relative Geschwindigkeit vom zweiten Filter 612. Anders ausgedrückt kann das vollständige virtuelle Zustandssystem von diesen Signalen abgeleitet werden. Der Zustandskalkulator kann anhand verschiedener Verfahren konzipiert werden, wozu unter anderem ein Kalman-Filter und ein Luenberger-Beobachter gehören.
Auf der Basis der kalkulierten virtuellen Störung und des kalkulierten vollständigen Zustands des virtuellen Systems werden verschiedene Steuerungsstrategien konzipiert und durch verschiedene Ausführungsformen implementiert. Vorteilhafterweise ermöglichen es die fortgeschrittenen Kenntnisse über die virtuelle Störung in Verbindung mit der Zustandskalkulation, verschiedene hochentwickelte Steuerungsstrategien zu implementieren, die ansonsten schwierig zu implementieren wären.
9A zeigt ein Blockschema einer allgemeinen Architektur des geschlossenen Regelkreissystems gemäß einer Ausführungsform. Die Steuereinheit 106 steuert den Satz von Betätigungselementen 112 auf Basis der virtuellen Störung, des Zustands des virtuellen Systems und des Signals vom Sensor 103. Verschiedene Module dieser Architektur können unter Verwendung eines Prozessors implementiert werden, der z. B. an einen Speicher und/oder an Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform wird auf Basis des Modells des virtuellen Systems 102 eine Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements 902 auf Basis von Prinzipien der optimalen Steuerungstheorie 940 definiert. Zum Beispiel optimiert die Steuerungsstrategie 902 eine Kostenfunktion 920, die einen Betrieb des virtuellen Systems darstellt, so dass eine Funktion eines Betriebsparameters 930, z. B. eine 2-Norm-Massebeschleunigung, optimiert, z. B. minimiert wird. Die Kostenfunktion unterliegt verschiedenen Beschränkungen 925, beispielsweise Beschränkungen der semi-aktiven Betätigungselemente, beispielsweise maximalen und minimalen Dämpfungskoeffizienten.
Der Aufbau 904 der Steuerungsstrategie 902 des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements im virtuellen System kann z. B. durch die Anwendung des Minimumprinzips der optimalen Steuerungstheorie bestimmt werden. Wenn das virtuelle semi-aktive Betätigungselement beispielsweise ein Dämpfer mit einem anpassbaren viskosen Dämpfungskoeffizienten ist, weist die optimale Steuerungsstrategie zur Bestimmung eines Steuersignals u zur Steuerung der Betätigungselemente den folgenden Aufbau auf
worin φ(x ^, y, t) eine Zustandsfunktion 903 ist, x ^ der kalkulierte Zustand des virtuellen Systems ist, y Signale von den Sensoren sind, υ die virtuelle relative Geschwindigkeit des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements oder die Funktion der Verlagerung 905 ist, b_max der maximale Dämpfungskoeffizient des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist und b_min der minimale Dämpfungskoeffizient des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist.
In einer anderen Ausführungsform, in der die semi-aktiven Betätigungselemente Dämpfer sind, die Dämpfungskräfte direkt erzeugen, weist die optimale Steuerungsstrategie die folgende Struktur auf
worin f_max die maximale Dämpfungskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist und fmin die minimale Dämpfungskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements ist.
9C offenbart eine andere Ausführungsform, die einen Satz semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung steuert. Anders als im Steuerverfahren von 9B, wo die Steuerungsstrategie in geschlossener Form offline abgeleitet wird, stellt 9C ein Steuerverfahren dar, wo die Steuereinheit 953 die Steuerungsstrategie durch Lösen einer Optimierungsechtzeit auf Basis der Kenntnis der kalkulierten virtuellen Störung, des Modells des virtuellen Systems, der Kostenfunktion, die den optimalen Betrieb des virtuellen Systems darstellt, Beschränkungen des physischen Systems, beispielsweise max- und min-Ströme oder -Spannungen der semi-aktiven Betätigungselemente, des kalkulierten vollständigen Zustands des virtuellen Systems berechnet. Die Steuereinheit 953 bestimmt die Aktion der semi-aktiven Betätigungselemente durch Lösen eines Optimierungsproblems.
9D offenbart eine andere Ausführungsform, die einen Satz semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung steuert. Eine Schaltersteuereinheit 961 bestimmt die Aktion der semi-aktiven Betätigungselemente auf Basis der Ausgabe eines Störungs-Mappers. Für ein semi-aktives Betätigungselement mit anpassbarem Dämpfungskoeffizienten kann eine Steuerungsstrategie, die in der Schaltersteuereinheit 961 implementiert ist, die folgende Form haben,
wobei α konstant ist gemäß der dominanten Resonanzfrequenz des
Aufzugs,
die kalkulierte Zeitableitung der virtuellen Störung ist. Ebenso kann für ein semi-aktives Betätigungselement, das Kräfte direkt erzeugt, eine Steuerungsstrategie, die in der Schaltersteuereinheit 961 implementiert ist, die folgende Form haben,
9E offenbart eine Steuerungsarchitektur zur Steuerung eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Anders als in Ausführungsformen, die in Verbindung mit 9A, 9B, 9D beschrieben worden sind, wo die implementierte Steuerungsstrategie offline festgelegt wird und während des Betriebs des Aufzugs feste Parameter aufweist, zeigt 9E eine Ausführungsform, wo die Parameter der implementierten Steuerungsstrategie von einem Steuerungs-Tuner 791 angepasst werden. Da jeder Betrieb eine eigene Trajektorie der vertikalen Position aufweist, ist die virtuelle Störung, der das virtuelle System ausgesetzt ist, jeweils anders und weist andere Kennwerte auf, wie Leistungsspektrum, Bandbreite. Angesichts der kalkulierten virtuellen Störung über dem gesamten Zeitraum jedes Betriebs verarbeitet die Steuereinheit die kalkulierte virtuelle Störung, um einen Satz von Parametern der implementierten Steuerungsstrategie in der Steuereinheit 106 neu auszuwählen. Als Beispiel kann die Steuereinheit das Leistungsspektrum der kalkulierten virtuellen Störung auf Basis ihres Profils über dem gesamten Zeitraum jedes einzelnen Betriebs berechnen und das Leistungsspektrum der kalkulierten virtuellen Störung in das virtuelle System einbauen, um die Parameter der Steuereinheit 106 zu bestimmen oder um einen Satz vorgegebener Parameter aus einer Nachschlagetabelle auf Basis des Leistungsspektrums auszuwählen.
Ausführungsbeispiel
10 zeigt ein Schema eines Systems, das als Masse-Feder-Dämpfungssystem 1000 dargestellt ist, das einer Störung unterworfen ist, die auf die Mitte der Masse ausgeübt wird. Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit sind die translationalen Bewegungen der Masse horizontal. Die offenbarten Verfahren sind auch auf vertikale Bewegungen anwendbar, beispielsweise automotorische Aufhängungen.
Im System 1000 ist w eine Vibrationsquelle der externen Störung 1010, m₁ und m₂ stellen Massen einer Aufzugskabine 1030 bzw. eines Aufzugsrahmens 1020 dar, k₁ 1025 und b₁ 1035 sind die Gesamtsteifigkeit und -dämpfung der Trägergummis zwischen der Kabine und dem Rahmen, k₂ 1045 und b₂ 1055 sind die Steifigkeit und die Dämpfung von Federn zwischen dem Rahmen und der Führungsschiene, x₁ und x₃ sind die horizontalen Verlagerungen 1040 und 1050 der Kabine bzw. des Rahmens, und x₂ = x .₁ und x₄ = x .₃ sind die horizontalen Geschwindigkeiten der Kabine bzw. des Rahmens.
Das in Gleichung (1) ausgedrückte Modell des gestörten Masse-Feder-Dämpfungssystems kann folgendermaßen geschrieben werden:
worin u der gesteuerte Dämpfungskoeffizient des semi-aktiven Betätigungselements ist und y den gemessenen Betriebsparameter darstellt, d. h. die Beschleunigung des Rahmens. Das Steuerungssignal u ist dafür ausgelegt, die Beschleunigung ẍ₁ der Kabine zu minimieren. Da nur eine einzige Störung vorliegt, ist das physische semi-aktive Betätigungselement das virtuelle semi-aktive Betätigungselement und die virtuelle semi-aktive Störung ist die physische Störung. Somit stellt das Modell des Systems, das auf Gleichung (1) basiert, auch das Modell des virtuellen Systems dar. Für den Fall der automotorischen Aufhängung wird die Kabinenaufhängung auf ähnliche Weise modelliert, aber die Bewegung der Massen geschieht in der vertikalen Richtung, und die Führungsschiene ist durch die Straße ersetzt.
Diese Ausführungsform verwendet die Sensoren 103, um nur die Rahmenbeschleunigung zu messen, d. h. der Betriebsparameter ist die Rahmenbeschleunigung, d. h. y = x .₄ , somit werden die echten Werte des Zustands x und die relative Geschwindigkeit η . = x₄ – w . nicht gemessen. Aufgrund des Problems der naturgemäßen Unmessbarkeit mit dem Beschleunigungsinstrument betrachtet diese Ausführungsform eine genäherte optimale Steuerung gemäß
worin η .^der Verlagerung
ist. Eine Variante der Ausführungsform verwendet die folgende genäherte optimale Steuerung
worin c₁ und c₂ konstant sind,
die kalkulierte Kabinenbeschleunigung ist und x ^₄ die kalkulierte Geschwindigkeit des Rahmens ist.
Entsprechend 11 ist die Näherung der Kabinenbeschleunigung die Ausgabe des ersten Filters 611, die Näherung der virtuellen relativen Geschwindigkeit ist die Ausgabe des zweiten Filters 612 und die Näherung der Rahmengeschwindigkeit ist die Ausgabe des dritten Filters 613. Die erste Funktion der Näherungs-Steuerungsstrategie wird in Block 1104 evaluiert.
Angesichts des Modells des virtuellen Systems, das in Gleichung (1) ausgedrückt wird, der Behandlung des gemessenen Signals y als bekannte Variable und der Bezeichnung der virtuellen relativen Position als η kann die Dynamik der virtuellen relativen Position wie folgt abgeleitet werden:
(21) wobei die Kabinenbeschleunigung x .₂ vom ersten Filter kalkuliert werden kann
(22)
Das erste Filter (22) verarbeitet die Rahmenbeschleunigung als seine Eingabe und gibt die Kalkulation der Kabinenbeschleunigung aus. Die Ausgabe des ersten Filters (22), bezeichnet mit
, konvergiert zum wahren Wert der Kabinenbeschleunigung x .₂ . Mit der kalkulierten Kabinenbeschleunigung wird die Dynamik der virtuellen relativen Position (21) von einer linear zeitinvarianten Differentialgleichung erster Ordnung, deren rechte Seite eine Funktion der virtuellen relativen Position ist, bekannten Variablen, einschließlich des gemessenen Signals, und der kalkulierten Kabinenbeschleunigung beschrieben.
Das zweite Filter kalkuliert die virtuelle relative Geschwindigkeit des virtuellen Betätigungselements gemäß
worin η ^ die Kalkulation der virtuellen relativen Position ist und z die Kalkulation der virtuellen relativen Geschwindigkeit oder die Näherung des Werts der Verlagerungsfunktion ist. Das zweite Filter liefert eine asymptotische Näherung der Verlagerungsfunktion, d. h. die Ausgabe des zweiten Filters konvergiert zum wahren Wert der Verlagerungsfunktion, wenn die Zeit unendlich ist und die Konvergenzgeschwindigkeit exponentiell ist.
Die hierin offenbarten Filter liefern eine global exponentielle Konvergenzkalkulation der relativen Geschwindigkeit und der Kabinenbeschleunigung. Dieser Ansatz kann problemlos angewendet werden, um die relative Geschwindigkeit zwischen der Kabine und dem Rahmen zu kalkulieren, so dass das offenbarte Steuerverfahren ebenfalls anwendbar ist, wenn das semi-aktive Betätigungselement zwischen der Kabine und dem Rahmen angeordnet ist.
Das fünfte Filter 615 für das System 1000 kann durch Befolgen des oben gelehrten Verfahrens bestimmt werden. Das Modell des Systems 1000 wird erweitert, um die virtuelle Störung und ihre Zeitableitung erster Ordnung als zwei extra Zustandsvariablen einzubeziehen. Dieses erweiterte virtuelle System wird wie folgt geschrieben
worin v = w .. die Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung x₅ = w ist und x₆ = w . die Zeitableitung erster Ordnung der virtuellen Störung ist. Behandelt man die Zeitableitung zweiter Ordnung als externe unbekannte Eingabe und nehme man der Einfachheit wegen u = 0, kann eine Transferfunktion von der externen unbekannten Eingabe auf das gemessene Signal y berechnet und folgendermaßen bezeichnet werden G_v(s) = Y(s) / V(S). wobei Y(s), V(s) jeweils die Laplace-Transformation des Signals y(t), v(t) ist. Die Transferfunktion weist zwei Pol-Nullstellenkompensationen auf, aber sie hat keinen Einfluss auf die Rekonstruktion der externen unbekannten Eingabe. Eine Transferfunktion des invertierten erweiterten virtuellen Systems kann ohne weiteres durch Invertieren der Transferfunktion G_v(s) erhalten werden. Somit weist das Bandpassfilter 1 eine Transferfunktion auf wie folgt
Die externe unbekannte Eingabe kann umgebaut werden zu v ^(t) = G_bpf1(s)·Y(s) wobei · die Konvolution angibt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf beliebige von zahlreichen Arten implementiert werden. Zum Beispiel können die Ausführungsformen unter Verwendung von Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden. Wenn sie in Software implementiert wird, kann der Software-Code auf jedem geeigneten Prozessor oder jeder geeigneten Zusammensetzung von Prozessoren ausgeführt werden, ob in einem einzelnen Computer bereitgestellt oder auf mehrere Computer verteilt. Solche Prozessoren können mit einem oder mit mehreren Prozessoren in einer integrierten Schaltungskomponente als integrierte Schaltungen implementiert sein. Jedoch kann ein Prozessor unter Verwendung von Schaltung in jedem geeigneten Format implementiert werden.
Ferner sei klargestellt, dass ein Computer in einer beliebigen von verschiedenen Formen implementiert werden kann, beispielsweise als Rack-mount-Computer, als Desktop-Computer, als Laptop-Computer, als Minicomputer oder als Tablet-Computer. Solche Computer können durch eines oder mehrere Netzwerke in jeder geeigneten Form miteinander verbunden sein, beispielsweise als Local Area Network oder als Wide Area Network, beispielsweise als Unternehmensnetz oder Internet. Solche Netze können auf jeder geeigneten Technik basieren und können gemäß jedem geeigneten Protokoll arbeiten und können drahtlose Netze, kabelgebundene Netze oder faseroptische Netze beinhalten.
Ebenso können verschiedene hierin dargestellte Verfahren und Prozesse als Software codiert sein, die an einem oder an mehreren Prozessoren, die eine von einer Reihe von Betriebssystemen oder -plattformen verwenden, ausführbar ist. Außerdem kann solche Software anhand einer Reihe von geeigneten Programmiersprachen und/oder Progammierungs- oder Script-Tools geschrieben werden und kann als ausführbarer Maschinensprach-Code oder Zwischen-Code kompiliert werden, der auf einem Framework oder einer virtuellen Maschine ausgeführt wird.
Was dies betrifft, so kann die Erfindung als nicht-transitorisches computerlesbares Medium oder als mehrere computerlesbare Medien implementiert werden, beispielsweise als Computerspeicher, Compact Disks (CD), optische Disks, digitale Videodisks (DVD), Magnetbänder und Flash-Speicher. Die Begriffe „Programm” oder „Software” werden hierin in einem allgemeinen Sinn verwendet und bezeichnen jede Art von Computercode oder Satz von computerausführbaren Befehlen, die verwendet werden können, um einen Computer oder anderen Prozessor zu programmieren, um verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zu implementieren wie oben erörtert.
Computerausführbare Geräte können in vielen Formen vorliegen, beispielsweise als Programmmodule, die von einem oder mehreren Computern oder anderen Geräten ausgeführt werden. Allgemein beinhalten Programmmodule Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen, die bestimmte Aufgaben durchführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In der Regel kann die Funktionalität der Programmmodule nach Wunsch in verschiedenen Ausführungsformen kombiniert oder verteilt werden
Ebenso können die Ausführungsformen der Erfindung als Verfahren ausgeführt werden, für das ein Beispiel angegeben worden ist. Die Aktionen, die als Teil des Verfahrens durchgeführt werden, können in jeder geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden. So können Ausführungsformen konzipiert werden, in denen Handlungen in einer anderen Reihenfolge als dargestellt ausgeführt werden, welche die gleichzeitige Durchführung von Handlungen beinhalten, auch wenn diese als aufeinanderfolgende Handlungen in den Ausführungsbeispielen dargestellt worden sind.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um eine Vibration einer Aufzugskabine zu minimieren, die durch einen Satz von Störungen in einer horizontalen Richtung an der Aufzugskabine verursacht werden, umfassend: Darstellen des Aufzugssystems mit einem Modell eines virtuellen Aufzugssystems mit einem einzelnen virtuellen semi-aktiven Betätigungselement, das dafür ausgelegt ist, eine virtuelle Störung, die proportional ist zu einer Summe von Störungen aus dem Satz von Störungen, zu kompensieren, wobei eine Kompensationskraft des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements proportional ist zu einer Summe von Kompensationskräften des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente; Bestimmen der virtuellen Störung während eines Betriebs der Aufzugskabine unter Verwendung eines Bewegungsprofils einer Position der Aufzugskabine während des Betriebs und eines Störungsprofils der virtuellen Störung; Bestimmen eines Zustands des Aufzugssystems unter Verwendung des Modells des virtuellen Aufzugssystems, der virtuellen Störung und eines Signals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während des Betriebs anzeigt; und Steuern jedes Betätigungselements des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente auf Basis des Zustands des Aufzugssystems und gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements, wobei Schritte des Verfahrens von einem Prozessor durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Signal ein Beschleunigungssignal ist, ferner umfassend: Empfangen von Beschleunigungswerten des Beschleunigungssignals, die an verschiedenen vertikalen Positionen der Aufzugskabine während eines Betriebs des Aufzugssystems ohne eine Verwendung des Satzes von Betätigungselementen gemessen werden, wobei der Betrieb gemäß einer vertikalen Positionstrajektorie erfolgt; und Bestimmen des Störungsprofils der virtuellen Störung auf Basis des Modells und der Beschleunigungswerte.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: Erweitern des Modells mit der virtuellen Störung und einer Zeitableitung der virtuellen Störung als Zustandsvariablen, um ein erweitertes Modell zu erzeugen; Invertieren des erweiterten Modells, um eine Beziehung zwischen einer Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung und dem Beschleunigungssignal zu bestimmen; Bestimmen der Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung für jeden Beschleunigungswert des Beschleunigungssignals unter Verwendung der Beziehung; zweimaliges Integrieren der Zeitableitung zweiter Ordnung, um einen Wert der virtuellen Störung zu erzeugen, der ein Zeitprofil der virtuellen Störung bildet; und Erzeugen des Störungsprofils der virtuellen Störung auf Basis des Zeitprofils der virtuellen Störung und der vertikalen Positionstrajektorie.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Invertierung auf einer Inversen einer Transferfunktion basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Definieren eines Schätzers mit einer Transferfunktion als Inverse der Transferfunktion von der Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung auf das Beschleunigungssignal; Betätigen des Aufzugssystems ohne die Verwendung des Satzes von Betätigungselementen, um das Beschleunigungssignal zu erzeugen; und Bestimmen der Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung als Ausgabe des Schätzers, der das Beschleunigungssignal verarbeitet.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: Bestimmen einer relativen Position zwischen zwei Enden des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements auf Basis des Beschleunigungssignals; Bestimmen einer horizontalen Versetzung der Aufzugskabine auf Basis des Beschleunigungssignals; und Addieren der relativen Position und der horizontalen Versetzung, um ein Zeitprofil der virtuellen Störung zu erzeugen; und Erzeugen des Störungsprofils unter Verwendung des Zeitprofils der virtuellen Störung und der vertikalen Positionstrajektorie.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Bestimmen der relativen Position auf Basis der Dynamik des virtuellen Aufzugssystems.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung des Zustands ferner umfasst: Konzipieren eines Zustandsschätzers unter Verwendung des Modells des virtuellen Systems als Funktion der virtuellen Störung, einer Zeitableitung erster Ordnung der virtuellen Störung, des Signals und einer kalkulierten relativen Geschwindigkeit; und Bestimmen eines Zustands des Aufzugssystems unter Verwendung des Zustandsschätzers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zustandsschätzer ein Kalman-Filter oder einen Luenberger-Beobachter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerung eine Eingabe der Betätigungselemente auf Basis eines Receding-Horizon-Algorithmus anpasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerung einen Befehl erzeugt zum EIN und AUS Schalten von Betätigungselementen auf Basis der virtuellen Störung und einer Zeitableitung der virtuellen Störung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerung Parameter von Steuereinheiten abstimmt, die offline auf Basis eines Leistungsspektrums der geschätzten virtuellen Störung konzipiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Anpassen der virtuellen Störung, die von dem vor dem Betrieb der Aufzugskabine bestimmten Störungsprofil angegeben wird, auf Basis des Signals, das die Beschleunigung während des Betriebs angibt.
System zum Steuern eines Satzes semi-aktiver Betätigungselemente, die in einem Aufzugssystem angeordnet sind, um einen Satz von Störungen zu kompensieren, umfassend: einen Sensor zum Bestimmen eines Beschleunigungssignals, das eine horizontale Beschleunigung der Aufzugskabine während eines Betriebs des Aufzugssystems anzeigt; einen Prozessor, um auf Basis eines Modells eines virtuellen Aufzugssystems und eines Beschleunigungssignals ein Störungsprofil einer virtuellen Störung zu bestimmen, die den Satz von Störungen darstellt, wobei das Modell des virtuellen Aufzugssystems ein einziges virtuelles semi-aktives Betätigungselement mit einer Kompensationskraft beinhaltet, die proportional ist zu einer Summe von Kompensationskräften des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente und dafür ausgelegt ist, die virtuelle Störung proportional zu einer Summe von Störungen aus dem Satz von Störungen zu kompensieren, und wobei das Beschleunigungssignal an verschiedenen vertikalen Positionen der Aufzugskabine während des Betriebs des Aufzugssystems gemessen wird, ohne dass der Satz von Betätigungselementen verwendet wird; und eine Steuereinheit zur Steuerung jedes Betätigungselements des Satzes semi-aktiver Betätigungselemente gemäß einer Steuerungsstrategie des virtuellen semi-aktiven Betätigungselements unter Verwendung des Störungsprofils der virtuellen Störung und des Beschleunigungssignals, das während des Betriebs der Aufzugskabine gemessen wird unter Verwendung des Satzes von Betätigungselementen.
System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor ausgelegt ist für eine Erweiterung des Modells mit der virtuellen Störung und einer Zeitableitung der virtuellen Störung als Zustandsvariablen, um ein erweitertes Modell zu erzeugen; eine Invertierung des erweiterten Modells, um eine Beziehung zwischen einer Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung und dem Beschleunigungssignal zu bestimmen; eine Bestimmung der Zeitableitung zweiter Ordnung der virtuellen Störung für jeden Beschleunigungswert des Beschleunigungssignals unter Verwendung der Beziehung; eine zweimalige Integration der Zeitableitung zweiter Ordnung, um einen Wert der virtuellen Störung zu erzeugen, der ein Zeitprofil der virtuellen Störung bildet; und Erzeugen des Störungsprofils der virtuellen Störung auf Basis des Zeitprofils der virtuellen Störung und der vertikalen Positionstrajektorie.