EP1547956A1 - Einrichtung und Verfahren zur Schwingungsdämpfung an einer Aufzugskabine - Google Patents

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EP1547956A1
EP1547956A1 EP04029143A EP04029143A EP1547956A1 EP 1547956 A1 EP1547956 A1 EP 1547956A1 EP 04029143 A EP04029143 A EP 04029143A EP 04029143 A EP04029143 A EP 04029143A EP 1547956 A1 EP1547956 A1 EP 1547956A1
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EP
European Patent Office
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controller
elevator car
actuator
output signal
control device
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EP04029143A
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English (en)
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Josef Husmann
Elena Cortona
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Inventio AG
Original Assignee
Inventio AG
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Publication date
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    • B66B—ELEVATORS; ESCALATORS OR MOVING WALKWAYS
    • B66B7/00—Other common features of elevators
    • B66B7/02—Guideways; Guides
    • B66B7/023—Mounting means therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66B7/02—Guideways; Guides
    • B66B7/04—Riding means, e.g. Shoes, Rollers, between car and guiding means, e.g. rails, ropes
    • B66B7/041—Riding means, e.g. Shoes, Rollers, between car and guiding means, e.g. rails, ropes including active attenuation system for shocks, vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66B—ELEVATORS; ESCALATORS OR MOVING WALKWAYS
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    • B66B7/02—Guideways; Guides
    • B66B7/04—Riding means, e.g. Shoes, Rollers, between car and guiding means, e.g. rails, ropes
    • B66B7/046—Rollers

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for Reduction of vibrations on a guided on rails elevator car.
  • While driving an elevator car in a lift shaft can different forces on the cabin body or a cabin body acting cab frame and stimulate the system to vibrate.
  • Cause of the vibrations are in particular unevenness in the Guide rails and caused by the wind forces, which the Cabin can cause, in the horizontal direction or to one of the two Horizontal axes or to swing easily about the vertical axis.
  • lateral Tensile forces transmitted by the traction cables or sudden ones Bearing changes of the load while driving can cause of Be transverse vibrations.
  • control systems which try the to counteract forces acting on the elevator car.
  • a system which a plurality of movable between two end positions connected to the elevator car Having guide elements, wherein transversely to the direction of travel occurring Detects vibrations from several mounted on the cabin sensors and to Control of multiple actuators used between the cab and the Guiding elements are arranged.
  • the actuators are thereby using a Control device controlled such that they are opposite to the occurring Working forces and thus suppress vibrations as effectively as possible.
  • Another typical property of the above-mentioned methods of active Vibration damping is further that of the position of the elevator car regulating position controller has a predominantly integrating behavior. This has to Result that with constant control deviation the output signal of the controller with the Time is getting bigger. Now the above-mentioned method of limitation used the control signal, the effect may occur that the output signal of the Position controller is getting bigger, as long as still a relatively large Control deviation exists. If the control deviation then becomes smaller again, it takes too long until the control signal has reached the desired value again.
  • the present invention is accordingly the object of the to avoid the disadvantages mentioned here.
  • the object is achieved by a device for reducing vibrations of one Rail guided elevator car according to claim 1 or by a method solved according to claim 8.
  • the solution according to the invention is the difference between the Output signal of the controller and the limited, that is actually to the Actuators forwarded signal as an additional input to the controller attributed, wherein the controller is designed such that the recirculated Difference remains as low as possible.
  • the measure according to the invention also known as anti-reset windup (ARW) is designated, it allows the not visible to the outside state variables of Regulator to change so that the difference between the actual output of the controller and the forwarded to the actuators limited output signal remains as low as possible. This ensures that the controller responds very quickly to changes in the system, especially in situations in which the position error decreases again.
  • ARW anti-reset windup
  • the return branch via which the difference signal to the controller is returned, a time delay block, the difference signal Delayed transmitted to the controller.
  • a time delay block the difference signal Delayed transmitted to the controller.
  • the controller operates time discretely, the time delay block the Difference signal then delayed by one sampling period back to the controller transmitted.
  • the maximum value to which the limiting unit outputs the value output by the controller Output signal limited, can in turn be switched dependent on temperature
  • the device for this purpose has a temperature sensor, the temperature the actuators captured or a mathematical model that the temperature is due the currents, the ambient temperature and the dissipation behavior of the Actuators, calculated.
  • the control device is preferably designed in two parts and has on the one hand a position controller, which controls the actuators such that the Guide elements against the rails occupy a predetermined position, and an acceleration controller, which controls the actuators such that on the elevator car vibrations are suppressed on.
  • the signals of the position controller and the acceleration controller are added here and then supplied as a sum to the actuators.
  • the above-mentioned limiting unit with the Return branch provided only for the position controller.
  • the control behavior of the system for Vibration damping can be significantly optimized, while still ensured is that the actuators do not overheat. The reliability of the system remains therefore unchanged guaranteed.
  • the car shown in Figure 1 and generally provided with the reference numeral 1 is divided into a cabin body 2 and a car frame 3.
  • a cabin body 2 is mounted in the frame 3 by means of several rubber springs 4, which are intended for the isolation of structure-borne noise.
  • These rubber springs 4 are relatively stiff designed to the occurrence of low-frequency vibrations to suppress.
  • the car 1 is by means of four roller guides 5 at the two Guide rails 15 which are in a (not shown) elevator shaft are arranged.
  • the four roller guides 5 are usually identical constructed and mounted laterally below and above the cab frame 3. she each have a stand, mounted on the three guide rollers 6 are, two lateral and one middle role.
  • the guide rollers 6 are each movably supported by means of a lever 7 and are on a spring 8 on the Guide rails 15 pressed.
  • the lever 7 of the two lateral guide rollers 6 are further connected via a pull rod 9, so that they themselves move in sync with each other.
  • Per roller guide 5 two electric actuators 10 are provided, each exert a force on the lever 7, which acts parallel to the associated springs 8.
  • a first actuator 10 moves the central lever 7 with the associated middle guide roller 6, whereas the second actuator 10, the two lateral lever 7 moves with the associated lateral guide rollers 6. about the actuators 10 thus the position of the lever 7 and the rollers 6 and thus the position of the elevator car 1 with respect to the guide rails 15 influenced.
  • the various shifts or rotations in the five degrees of freedom are each on a different storage of the elevator car 1 to the four roller guides 5 due in the X and / or Y direction.
  • two position sensors 11 are initially per roller guide 5 provided, a first sensor for detecting the position of the central lever 7 with the associated guide roller 6 and a second sensor for detecting the position of two lateral lever 7 with the associated lateral guide rollers.
  • each roller guide 5 with two horizontally aligned Acceleration sensors 12 equipped, one of which accelerations in Displacement direction of the middle guide roller 6 and the second Accelerations perpendicular to it in the direction of displacement of the two lateral Guide rollers 6 detected.
  • the measuring signals of the sensors 11 and 12 provide information about the current position of the elevator car 1 with respect to the two Guide rails 15 and also inform about whether the cabin body 1 current accelerations, which can lead to vibrations.
  • a rotational movement sensor 13 is provided, the rotation angle of a him associated guide roller 6 measures.
  • the about this rotary motion sensor 13th The measured values obtained provide information about the travel path of the car as well as about their current driving speed in vertical, ie in the Z direction.
  • One on the Ceiling of the cab body 2 attached controller 14 finally processes the from the sensors 11 and 12 transmitted signals and controls the evaluation of the Sensor signals by means of a power section, the electric actuators 10 of the four Roller guides 5 to the accelerations and vibrations in a suitable Counteract way.
  • FIGS. 2 and 3 show the signal flow diagram of the system according to the invention for active vibration damping.
  • the basic structure according to FIG. 2 corresponds essentially to the method, as it also in the EP 0 731 051 B1 is used.
  • the signals shown are as To understand vector signals which comprise a plurality of signals of the same kind.
  • the Control device is a so-called MIMO (multi-input multi-output) controller configured, based on several input signals, several control signals for determines the located on the roller guides actuators.
  • MIMO multi-input multi-output
  • the controller 19 is composed, as already mentioned, of two controllers, a position controller (K p ) 20 and an acceleration controller (K a ) 21.
  • the reason for using two separate controllers is that a target of the controller 19 is cabin vibrations in the high frequency range (between 0.9 and 15 Hz, and preferably between 0.9 and 5 Hz) without the controlled elevator outside this frequency range behaving worse than the unregulated.
  • the control device 19 must ensure that the setting of the cabin frame 3 with respect to the guide rails 15 is controlled so that at any time a sufficient Dämpfungsweg is available to the rollers. This is particularly important when the car 1 is loaded asymmetrically.
  • the position controller 20 takes into account only the measured values the position sensors 11 and is accordingly for the maintenance of the Leading games of the cabin 1 responsible.
  • the acceleration controller 21 processes the measured values of the acceleration sensors 12 and is responsible for the Suppression of vibrations required.
  • the setpoints or set values of both Regulator 20 and 21 are added in the summation block 23 and as a common actuating signal supplied to the actuators 10.
  • the solution to avoiding the above-mentioned conflict between the two Regulators 20 and 21 is based on the circumstance that for an imbalance of Cabin 1 responsible forces (a non-symmetrical loading of the cabin, a large lateral cable force and the like) change much more slowly than the other sources of interference that cause the cabin vibrations. in this connection These are mainly rail unevenness or air disturbances.
  • the Amplification changes in the frequency domain are always continuous, that is: there are no fixed limits. At a certain frequency both controllers have 20 and 21 the same amount of influence.
  • the acceleration controller 21 acts stronger, underneath, the position regulator 20 acts more strongly.
  • control device 19 By the subdivision of the control device 19 in a position control loop as well An acceleration control loop can thus both be mentioned above To be tracked. Another advantage of the subdivision is further in that the controllers 20 and 21 contain no non-linearities. Otherwise, would be a stability analysis and thus a corresponding configuration of the two Controller difficult.
  • the output signal F P of the position controller 20 is initially supplied to a limiting unit 22, which limits the signal to a maximum amount F max .
  • the maximum size F max of the limiting unit 22 is dependent on the thermal load capacity of the electric actuators 10 and thus on their current temperature T act .
  • temperature sensors are attached to the actuators (not shown in FIG. 1), which transmit a corresponding signal to the control unit 19, which then supplies the limiting unit 22 with the corresponding maximum value F max (T act ).
  • the temperature T act can be determined by a mathematical model. This takes into account the currents at the actuators 10, the ambient temperature and the dissipation behavior of the actuators 10.
  • the extension according to the invention consists in the fact that now a return path is provided, via which the position controller 20, a further input signal is supplied.
  • This further input signal is the difference between the output signal F P of the controller 20 and the limited output signal F Pl output by the limiting unit 22. Both values are fed to a summation block 24, which forms the difference e F k .
  • the error signal determined in this way is then fed to a time delay block (z -1 ) 25, which returns the signal as an input signal e K k-1 to the position controller 20 with a time delay, preferably by one sampling period of the time-discretely operating regulating device 19.
  • the time delay of this error signal is required so that no closed algebraic loop is formed in the control system.
  • the position controller 20 thus receives now in addition to the error signal e p with respect to the position of the car 1 also another input signal e F k-1 in the form of the difference signal between the output signal F P and the limited output signal F Pl .
  • the controller 20 is designed in such a way that the difference signal e F k remains as small as possible.
  • the output signal F P of the position controller 20 should thus be limited only slightly by the limiting unit 22. This ensures that in the event that the position error signal e p again assumes a smaller value after a temporary period with higher deviations, the controller can react as promptly as possible to the new situation. This is now possible since the effect can no longer occur that the output signal of the controller 20 drifts significantly above the maximum value F max of the limiting unit 22.
  • the implementation of the feedback branch into the controller is achieved by extending the position controller 20 by a so-called Anti-Reset Windup (ARW) algorithm.
  • This algorithm alters the internal state variables x of the position controller 20 such that the difference signal e F k remains as small as possible in the desired manner.
  • a so-called ARW matrix B ARW is extended, resulting in the following system of equations describing the behavior of the system to be controlled:
  • the calculation of the ARW matrix then takes place in the design of the controller with the so-called H ⁇ method.
  • H ⁇ method This is a - for example from the publication "Robust Control" by Hans P. Geering, IMRT-Press, Institute for Measurement and Control Control technology of the Swiss Federal Institute of Technology Zurich - known Method by which a controller with knowledge of the behavior of the system to be controlled can be designed, the main advantage of this method being that it can be automated as far as possible. In the present case with the Extended loop then additional information is used otherwise remain unused.
  • the application of the H ⁇ method and the For example, calculation of the ARW matrix is also from U. Christen: Engineering Aspects of H ⁇ Control, Diss. ETH No. 11433 (1996).
  • the controller achieved by means of the invention Extension even in the event that the position error signal for a longer Period assumes a higher value, quickly the desired new control value, as soon as the position error signal falls back to a lower value. simultaneously however, it is ensured that the control signal of the controller, the predetermined Does not exceed maximum values and thus the actuators do not run the risk of to be damaged due to excessive thermal stress.

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  • Cage And Drive Apparatuses For Elevators (AREA)
  • Elevator Control (AREA)

Abstract

Bei einer Einrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer an Schienen (15) geführten Aufzugskabine (1) mit mehreren Führungselementen (5, 6, 7) zum Führen der Aufzugskabine (1) entlang der Schienen (15), einem Sensor (11, 12) zum Erfassen von Positionsänderungen der Aufzugskabine (1) und/oder von an der Aufzugskabine (1) auftretenden Beschleunigungen, einem zwischen der Aufzugskabine (1) und den Führungselementen (5, 6, 7) angeordneten Aktuator (1) sowie einer Regeleinrichtung (19), welche auf Basis der von dem Sensor (11, 12) übermittelten Werte den Aktuator (10) zur Veränderung der Lage der Kabine (1) gegenüber den Schienen (15) ansteuert, wird das von einem in der Regeleinrichtung (19) vorgesehenen Regler (20) erzeugte Ausgangssignal zum Ansteuern des Aktuators (10) auf einen Maximalwert limitiert und auf diese Weise ein von der Regeleinrichtung (19) auszugebendes Stellsignal erzeugt. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers (20) und dem limitierten Ausgangssignal wird dem Regler (20) als zusätzliches Eingangssignal zugeführt, wobei der Regler (20) derart ausgeführt ist, dass die zurückgeführte Differenz möglichst gering bleibt. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Reduktion von Schwingungen an einer an Schienen geführten Aufzugskabine.
Während der Fahrt einer Aufzugskabine in einem Aufzugsschacht können unterschiedliche Kräfte auf den Kabinenkörper bzw. einen den Kabinenkörper haltenden Kabinenrahmen einwirken und das System zu Schwingungen anregen. Ursache für die Schwingungen sind insbesondere Unebenheiten in den Führungsschienen sowie durch den Fahrtwind hervorgerufene Kräfte, welche die Kabine dazu veranlassen können, in horizontaler Richtung oder um eine der beiden Horizontalachsen bzw. um die Vertikalachse leicht zu schwingen. Auch seitliche Zugkräfte, die durch die Zugseile übertragen werden, oder plötzliche Lagerveränderungen der Last während der Fahrt können Ursache von Querschwingungen sein.
Um den Fahrkomfort für den Aufzug benutzende Personen und auch die Sicherheit des Systems zu erhöhen, werden Regelsysteme verwendet, welche versuchen, den auf die Aufzugskabine wirkenden Kräften entgegenzuwirken. Aus der EP 0 731 051 B1 der Anmelderin ist beispielsweise ein System bekannt, welches mehrere zwischen zwei Endstellungen bewegbar mit der Aufzugskabine verbundene Führungselemente aufweist, wobei quer zur Fahrtrichtung auftretende Schwingungen von mehreren an der Kabine angebrachten Sensoren erfasst und zur Steuerung mehrerer Aktuatoren verwendet werden, die zwischen der Kabine und den Führungselementen angeordnet sind. Die Aktuatoren werden dabei mit Hilfe einer Regeleinrichtung derart angesteuert, dass sie entgegengesetzt zu den auftretenden Kräften arbeiten und damit Schwingungen möglichst effektiv unterdrücken.
Eine typische Eigenschaft dieser Verfahren zur aktiven Dämpfung von Vibrationen in Aufzugskabinen ist, dass der Reglerausgang oder das Stellsignal für die elektrischen Aktuatoren begrenzt werden muss, da andernfalls die Gefahr der thermischen Überhitzung besteht. In der Veröffentlichung "Thermal Protection of Electromagnetic Actuators" von E. Cortona wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die oben erwähnte Begrenzung des Stellsignals variabel und von der Temperatur der Aktuatoren abhängig gestaltet wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Aktuatoren nicht aufgrund einer zu hohen thermischen Belastung beschädigt werden.
Eine weitere typische Eigenschaft der oben erwähnten Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung besteht ferner darin, dass der die Position der Aufzugskabine regelnde Positionsregler ein vorwiegend integrierendes Verhalten hat. Dies hat zur Folge, dass bei konstanter Regelabweichung das Ausgangssignal des Reglers mit der Zeit immer größer wird. Wird nun das oben erwähnte Verfahren der Begrenzung des Stellsignals eingesetzt, so kann der Effekt auftreten, dass das Ausgangssignal des Positionsreglers immer größer wird, solange noch eine verhältnismäßig große Regelabweichung besteht. Wird dann die Regelabweichung jedoch wieder kleiner, dauert es zu lange bis das Stellsignal wieder den gewünschten Wert erreicht hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die vorliegend genannten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll erreicht werden, dass der Regler nach Erreichen der Begrenzung des Stellsignals schnell wieder richtig anspricht, sobald der Positionsfehler wieder kleiner wird.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer an Schienen geführten Aufzugskabine gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers und dem limitierten, also dem tatsächlich an die Aktuatoren weitergeleiteten Signal als zusätzliches Eingangssignal zu dem Regler zurückzuführen, wobei der Regler derart ausgeführt ist, dass die zurückgeführte Differenz möglichst gering bleibt.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, die auch als Anti-Reset Windup (ARW) bezeichnet wird, ermöglicht es, die nach außen nicht sichtbaren Zustandsgrößen des Reglers so zu verändern, dass die angesprochene Differenz zwischen dem tatsächlichen Ausgangssignal des Reglers und dem an die Aktuatoren weitergeleiteten limitierten Ausgangssignal möglichst gering bleibt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Regler sehr schnell wieder auf Veränderungen des Systems anspricht, insbesondere in solchen Situationen, in denen der Positionsfehler wieder abnimmt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält der Rückführungszweig, über den das Differenzsignal zu dem Regler zurückgeführt wird, einen Zeitverzögerungsblock, der das Differenzsignal zeitverzögert an den Regler übermittelt. Hierdurch ist sichergestellt, dass in dem Regelsystem keine geschlossene algebraische Schlaufe entsteht. Vorzugsweise arbeitet die Regeleinrichtung zeitdiskret, wobei der Zeitverzögerungsblock das Differenzsignal dann um eine Abtastperiode zeitverzögert zurück an den Regler übermittelt.
Der Maximalwert, auf den die Begrenzungseinheit das von dem Regler ausgegebene Ausgangssignal limitiert, kann wiederum temperaturabhängig geschalten werden, wobei die Einrichtung hierzu einen Temperatursensor aufweist, der die Temperatur der Aktuatoren erfasst oder ein mathematisches Modell, das die Temperatur aufgrund der Ströme, der Umgebungstemperatur und des Dissipationsverhaltens der Aktuatoren, berechnet.
Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise zweiteilig ausgestaltet und weist zum einen einen Positionsregler, welcher die Aktuatoren derart ansteuert, dass die Führungselemente gegenüber den Schienen eine vorgegebene Position einnehmen, sowie einen Beschleunigungsregler, welcher die Aktuatoren derart ansteuert, dass an der Aufzugskabine auftretende Schwingungen unterdrückt werden, auf. Die Signale des Positionsreglers und des Beschleunigungsreglers werden hierbei addiert und dann als Summe den Aktuatoren zugeführt. Erfindungsgemäß ist bei diesem Ausführungsbeispiel die oben erwähnte Begrenzungseinheit mit dem Rückführungszweig lediglich für den Positionsregler vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann das Regelverhalten des Systems zur Schwingungsdämpfung deutlich optimiert werden, wobei nach wie vor sichergestellt ist, dass die Aktuatoren nicht überhitzen. Die Betriebssicherheit des Systems bleibt daher unverändert gewährleistet.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung einer an Schienen geführten Aufzugskabine, bei der das erfindungsgemäße Regelungssystem zum Einsatz kommt;
Figur 2
das Signalflussschema eines Systems zur aktiven Schwingungsdämpfung mit einem Positions- und einem Beschleunigungsregler; und
Figur 3
das Signalflussschema der erfindungsgemäß ausgestalteten Regeleinrichtung.
Bevor die erfindungsgemäße Regeleinrichtung anhand der Figuren 2 und 3 erläutert wird, soll zunächst anhand von Figur 1 die Realisierung eines Gesamtsystems zur aktiven Dämpfung von Vibrationen einer Aufzugskabine besprochen werden.
Die in Figur 1 dargestellte und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene Kabine ist dabei in einen Kabinenkörper 2 sowie einen Kabinenrahmen 3 unterteilt. Der Kabinenkörper 2 ist in dem Rahmen 3 mit Hilfe mehrerer Gummifedern 4 gelagert, die zur Isolation von Körperschall vorgesehen sind. Diese Gummifedern 4 sind verhältnismäßig steif ausgelegt, um das Auftreten niederfrequenter Schwingungen zu unterdrücken.
Die Kabine 1 wird mit Hilfe von vier Rollenführungen 5 an den beiden Führungsschienen 15 geführt, die in einem (nicht gezeigten) Aufzugsschacht angeordnet sind. Die vier Rollenführungen 5 sind üblicherweise identisch aufgebaut und seitlich unten und oben an dem Kabinenrahmen 3 angebracht. Sie weisen jeweils einen Ständer auf, an dem jeweils drei Führungsrollen 6 gelagert sind, zwei seitliche und eine mittlere Rolle. Die Führungsrollen 6 sind dabei jeweils mit Hilfe eines Hebels 7 beweglich gelagert und werden über eine Feder 8 auf die Führungsschienen 15 gedrückt. Die Hebel 7 der beiden seitlichen Führungsrollen 6 sind ferner über eine Zugstange 9 miteinander verbunden, so dass sie sich synchron miteinander bewegen.
Pro Rollenführung 5 sind zwei elektrische Aktuatoren 10 vorgesehen, die jeweils eine Kraft auf die Hebel 7 ausüben, die parallel zu den zugehörigen Federn 8 wirkt. Ein erster Aktuator 10 bewegt dabei den mittleren Hebel 7 mit der zugehörigen mittleren Führungsrolle 6, während hingegen der zweite Aktuator 10 die beiden seitlichen Hebel 7 mit den zugehörigen seitlichen Führungsrollen 6 bewegt. Über die Aktuatoren 10 wird somit die Stellung der Hebel 7 bzw. der Rollen 6 und damit die Position der Aufzugskabine 1 bezüglich der Führungsschienen 15 beeinflusst.
Die Kabinenschwingungen oder Vibrationen, die von der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu dämpfen sind, treten in den folgenden fünf Freiheitsgraden auf:
  • Verschiebungen in X-Richtung
  • Verschiebungen in Y-Richtung
  • Drehungen um die X-Achse
  • Drehungen um die Y-Achse
  • Drehungen um die Z-Achse
Die verschiedenen Verschiebungen bzw. Drehungen in den fünf Freiheitsgraden sind dabei jeweils auf eine unterschiedliche Lagerung der Aufzugskabine 1 an den vier Rollenführungen 5 in X- und/oder in Y-Richtung zurückzuführen.
Um Schwingungen der Kabine 1 in allen fünf oben genannten Freiheitsgraden erfassen zu können, sind pro Rollenführung 5 zunächst zwei Positionssensoren 11 vorgesehen, ein erster Sensor zur Erfassung der Lage des mittleren Hebels 7 mit der zugehörigen Führungsrolle 6 und ein zweiter Sensor zum Erfassen der Lage der beiden seitlichen Hebel 7 mit den zugehörigen seitlichen Führungsrollen 6. Darüber hinaus ist jede Rollenführung 5 mit zwei horizontal ausgerichteten Beschleunigungssensoren 12 ausgestattet, von denen einer Beschleunigungen in Verschiebungsrichtung der mittleren Führungsrolle 6 und der zweite Beschleunigungen senkrecht dazu in Verschiebungsrichtung der beiden seitlichen Führungsrollen 6 erfasst. Die Messsignale der Sensoren 11 und 12 geben Auskunft über die aktuelle Lage der Aufzugskabine 1 in Bezug auf die beiden Führungsschienen 15 und informieren ferner darüber, ob der Kabinenkörper 1 aktuellen Beschleunigungen ausgesetzt ist, die zu Schwingungen führen können.
An einer der Rollenführungen 5 (hier an der rechten oberen Rollenführung) ist ferner ein Drehbewegungssensor 13 vorgesehen, der den Drehwinkel einer ihm zugeordneten Führungsrolle 6 misst. Die über diesen Drehbewegungssensor 13 erhaltenen Messwerte geben Auskunft über den Fahrweg der Kabine sowie über deren aktuelle Fahrgeschwindigkeit in vertikaler, also in Z-Richtung. Ein auf der Decke des Kabinenkörpers 2 befestigtes Steuergerät 14 verarbeitet schließlich die von den Sensoren 11 und 12 übermittelten Signale und steuert nach Auswertung der Sensorsignale mit Hilfe eines Leistungsteils die elektrischen Aktuatoren 10 der vier Rollenführungen 5 an, um den Beschleunigungen und Vibrationen in geeigneter Weise entgegenzuwirken.
Die Figuren 2 und 3 zeigen das Signalflussschema des erfindungsgemäßen Systems zur aktiven Schwingungsdämpfung. Der grundsätzliche Aufbau gemäß Figur 2 entspricht dabei im wesentlichen dem Verfahren, wie es auch in der EP 0 731 051 B1 zum Einsatz kommt. Die dargestellten Signale sind dabei als Vektorsignale zu verstehen, welche mehrere Signale gleicher Art umfassen. Die Regeleinrichtung ist als sogenannter MIMO (Multi-Input Multi-Output) Regler ausgestaltet, der anhand von mehreren Eingangssignalen mehrere Stellsignale für die an den Rollenführungen befindlichen Aktuatoren ermittelt.
Bei dem in Figur 1 dargestellten System wirken auf die Kabine 1 äußere Störungen ein, welche sich aus indirekten Störkräften von den Schienen 15 sowie aus direkt an der Kabine 1 angreifenden Störkräften 16 in Form von Kabinenlast, Seil- und Windkräften zusammensetzen. Mit Hilfe der Positionssensoren 11 und der Beschleunigungssensoren 12 wird der aktuelle Zustand der Kabine ermittelt, wobei zunächst die von den Positionssensoren 11 gemessenen Positionen in einem Summationsblock 17 mit Referenzwerten verglichen werden, welche eine Referenzstellung der Kabine 1 in Bezug auf die Schienen 15 wiedergeben. Resultat der Summenbildung ist das Fehlersignal oder die Regelabweichung ep, welche die Abweichungen der Positionen der Rollenführungen hinsichtlich der Referenzstellung beschreibt. Im Summationsblock 18 hingegen werden die Beschleunigungswerte der Beschleunigungssensoren 12 negiert, d.h. von dem Ideal- bzw. Referenzwert 0 (keine Beschleunigungen) abgezogen, wodurch das zweite Fehlersignal ea erzeugt wird.
Die Regeleinrichtung 19 setzt sich wie bereits erwähnt aus zwei Reglern zusammen, einem Positionsregler (Kp) 20 sowie einem Beschleunigungsregler (Ka) 21. Der Grund für die Verwendung zweier getrennter Regler besteht darin, dass ein Ziel der Regeleinrichtung 19 darin besteht, Kabinenschwingungen im hohen Frequenzbereich (zwischen 0,9 und 15 Hz, und vorzugsweise zwischen 0,9 und 5 Hz) zu unterdrücken, ohne dass der geregelte Aufzug außerhalb dieses Frequenzbereiches sich schlechter verhält als der ungeregelte. Auf der anderen Seite muss die Regeleinrichtung 19 dafür sorgen, dass die Einstellung des Kabinenrahmens 3 bezüglich der Führungsschienen 15 so geregelt wird, dass jederzeit ein ausreichender Dämpfungsweg an den Rollen zur Verfügung steht. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Kabine 1 asymmetrisch beladen wird.
Für den ersten Regelungszweck ist eine Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsrückführung mit Trägheitssensoren ausreichend, während hingegen für das zweite Regelungsziel eine Positionsrückführung erforderlich ist. Beide Rückführungen haben zwei widersprüchliche Ziele, welche durch die Verwendung der beiden getrennten Regler 20 und 21 verfolgt werden. Wie in Figur 2 dargestellt ist, berücksichtigt der Positionsregler 20 ausschließlich die Messwerte der Positionssensoren 11 und ist dementsprechend für die Aufrechterhaltung der Führungsspiele der Kabine 1 verantwortlich. Der Beschleunigungsregler 21 hingegen verarbeitet die Messwerte der Beschleunigungssensoren 12 und ist für die Unterdrückung der Schwingungen erforderlich. Die Soll- bzw. Stellwerte beider Regler 20 und 21 werden in dem Summationsblock 23 addiert und als ein gemeinsames Stellsignal den Aktuatoren 10 zugeführt.
Die Lösung zum Vermeiden des oben angesprochenen Konflikts zwischen den beiden Reglern 20 und 21 basiert auf dem Umstand, dass die für eine Schieflage der Kabine 1 verantwortlichen Kräfte (eine nicht-symmetrische Beladung der Kabine, eine große seitliche Seilkraft und dergleichen) sich wesentlich langsamer ändern als die anderen Störquellen, welche die Kabinenschwingungen verursachen. Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Schienenunebenheiten oder Luftstörkräfte. Die Verstärkungsänderungen im Frequenzbereich sind immer kontinuierlich, das heißt: es gibt keine festen Grenzen. Bei einer bestimmten Frequenz haben beide Regler 20 und 21 gleich viel Einfluss. Darüber wirkt der Beschleunigungsregler 21 stärker, darunter wirkt der Positionsregler 20 stärker.
Durch die Unterteilung der Regeleinrichtung 19 in einen Positions-Regelkreis sowie einen Beschleunigungs-Regelkreis können somit beide oben angesprochenen Regelziele verfolgt werden. Ein weiterer Vorteil der Unterteilung besteht ferner darin, dass die Regler 20 und 21 keine Nicht-Linearitäten enthalten. Anderenfalls wäre eine Stabilitätsanalyse und somit eine entsprechende Konfigurierung der beiden Regler nur schwer möglich.
Das Ausgangssignal FP des Positionsreglers 20 wird jedoch im vorliegenden Fall zunächst noch einer Begrenzungseinheit 22 zugeführt, welche das Signal auf einen maximalen Betrag Fmax limitiert. Das auf diese Weise erzeugte limitierte Ausgangssignal FPl, für das FPl = max[min(FP, Fmax), -Fmax] gilt, wird schließlich in dem Block 23 mit dem Stellsignal Fa des Beschleunigungsreglers 21 addiert und dem bzw. den Aktuatoren 10 zugeführt.
Die Maximalgröße Fmax der Begrenzungseinheit 22 ist von der thermischen Belastbarkeit der elektrischen Aktuatoren 10 und damit von deren aktueller Temperatur Tact abhängig. Hierzu sind an den Aktuatoren (in Fig. 1 nicht dargestellte) Temperatursensoren angebracht, welche ein entsprechendes Signal an die Regeleinheit 19 übermitteln, die der Begrenzungseinheit 22 daraufhin den entsprechenden Maximalwert Fmax(Tact) zuführt. Anstelle durch Messung kann die Temperatur Tact durch ein mathematisches Modell ermittelt werden. Dieses berücksichtigt die Ströme an den Aktuatoren 10, die Umgebungstemperatur und das Dissipationsverhaltens der Aktuatoren 10.
Die in der bisherigen Weise durchgeführte Limitierung des Ausgangssignals des Positionsreglers 20 hat zur Folge, dass das von dem Regler 20 ermittelte "theoretisch optimale" Stellsignal FP immer weiter ansteigt, sofern über einen längeren Zeitraum hinweg Regelabweichungen von der Optimalposition vorliegen. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Positionsregler 20 ein vorwiegend integrierendes Verhalten aufweist. Die Folge hiervon wäre, dass dann, wenn die Regelabweichung wieder abfällt, es zu lange dauert, bis das Ausgangssignal FP des Reglers 20 wieder den gewünschten Wert erreicht hat, bis also der Regler auf die neue Situation reagieren kann. Um diese Problematik zu umgehen, ist erfindungsgemäß eine Erweiterung des Regelkreises vorgesehen, die nunmehr anhand von Figur 3 diskutiert werden soll. Dabei ist in Figur 3 ausschließlich die Regeleinrichtung 19 dargestellt, da die weiteren Komponenten des in Figur 2 dargestellten Signalflussschemas unverändert bleiben.
Die erfindungsgemäße Erweiterung besteht darin, dass nunmehr ein Rückführungszweig vorgesehen ist, über den dem Positionsregler 20 ein weiteres Eingangssignal zugeführt wird. Bei diesem weiteren Eingangssignal handelt es sich um die Differenz zwischen dem Ausgangssignal FP des Reglers 20 und dem von der Begrenzungseinheit 22 ausgegebenen limitierten Ausgangssignal FPl. Beide Werte werden einem Summationsblock 24 zugeführt, der die Differenz eF k bildet. Das auf diese Weise ermittelte Fehlersignal wird dann einem Zeitverzögerungsblock (z-1) 25 zugeführt, der das Signal zeitverzögert - vorzugsweise um eine Abtastperiode der zeitdiskret arbeitenden Regeleinrichtung 19 - als Eingangssignal eK k-1 zu dem Positionsregler 20 zurückführt. Die Zeitverzögerung dieses Fehlersignals ist erforderlich, damit in dem Regelungs-System keine geschlossene algebraische Schlaufe entsteht.
Der Positionsregler 20 erhält somit nunmehr neben dem Fehlersignal ep hinsichtlich der Position der Kabine 1 auch noch ein weiteres Eingangssignal eF k-1 in Form des Differenzsignals zwischen dem Ausgangssignal FP und dem limitierten Ausgangssignal FPl. Der Regler 20 ist dabei derart konzipiert, dass das Differenzsignal eFk möglichst klein bleibt. Das Ausgangssignal FP des Positionsreglers 20 soll somit durch die Begrenzungseinheit 22 lediglich geringfügig eingeschränkt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass für den Fall, dass das Positions-Fehlersignal ep nach einem vorübergehenden Zeitraum mit höheren Abweichungen wieder einen kleineren Wert annimmt, der Regler möglichst umgehend auf die neue Situation reagieren kann. Dies ist nunmehr möglich, da nicht mehr der Effekt auftreten kann, dass das Ausgangssignal des Reglers 20 deutlich über den Maximalwert Fmax der Begrenzungseinheit 22 hinausdriftet.
Die Implementierung des Rückführungszweigs in die Regeleinrichtung wird dadurch erreicht, dass der Positionsregler 20 durch einen sogenannten Anti-Reset Windup (ARW) Algorithmus erweitert wird. Dieser Algorithmus verändert die internen Zustandsgrößen x des Positionsreglers 20 derart, dass das Differenzsignal eF k in der gewünschten Weise möglichst klein bleibt. Die das lineare Verhalten des Positionsreglers beschreibenden Gleichungen xk+ 1 = APxk + BPeP FP,k = CPxk + DPeP werden hierzu mit einer sogenannten ARW-Matrix BARW erweitert, wodurch sich das folgende, das Verhalten des zu regelnden Systems beschreibende Gleichungssystem ergibt:
Figure 00090001
Figure 00090002
Die Berechnung der ARW-Matrix erfolgt dann bei dem Entwurf des Reglers mit dem sogenannten H∞-Verfahren. Dies ist ein - beispielsweise aus der Veröffentlichung "Robuste Regelung" von Hans P. Geering, IMRT-Press, Institut für Mess- und Regeltechnik der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich - bekanntes Verfahren, mit dem ein Regler bei Kenntnis des Verhaltens des zu regelnden Systems entworfen werden kann, wobei der Hauptvorteil dieses Verfahrens darin besteht, dass es sich weitestgehend automatisieren läßt. Im vorliegenden Fall mit dem erweiterten Regelkreis werden dann zusätzliche Informationen verwendet, die ansonsten ungenutzt bleiben. Die Anwendung des H∞-Verfahrens und die Berechnung der ARW-Matrix sind beispielsweise auch aus U. Christen: Engineering Aspects of H∞ Control, Diss. ETH Nr. 11433 (1996) bekannt.
Anzumerken ist, dass bei der dargestellten Unterteilung der Regeleinrichtung in die beiden Regelkreise die Limitierung und erfindungsgemäße Rückführung lediglich für das Ausgangssignal des Positionsreglers durchgeführt wird, was wiederum mit dem integrierenden Verhalten des Positionsreglers zusammenhängt. Der Beschleunigungsregler hingegen besitzt - wie erwähnt - eher das Verhalten eines Bandpaßfilters. Da die von ihm zur beherrschenden Vorgänge deutlich schneller sind als die von dem Positionsregler auszugleichenden Positionsveränderungen der Kabine, besteht nicht die Gefahr, dass die Aktuatoren durch die Stellsignale des Beschleunigungsreglers dauerhaft einseitig beansprucht werden und somit die Gefahr einer Überhitzung besteht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist somit sichergestellt, dass der Positionsregler in gewünschter Weise schnell auf sich ändernde Verhältnisse reagieren kann. Insbesondere erreicht der Regler mit Hilfe der erfindungsgemäßen Erweiterung auch für den Fall, dass das Positionsfehlersignal für einen längeren Zeitraum einen höheren Wert annimmt, schnell den gewünschten neuen Stellwert, sobald das Positionsfehlersignal wieder auf einen niedrigeren Wert fällt. Gleichzeitig ist allerdings sichergestellt, dass das Stellsignal des Reglers die vorgegebenen Maximalwerte nicht überschreitet und somit die Aktuatoren nicht Gefahr laufen, aufgrund einer überhöhten thermischen Belastung beschädigt zu werden.

Claims (14)

  1. Einrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer an Schienen (15) geführten Aufzugskabine (1), aufweisend:
    mehrere Führungselemente (5, 6, 7) zum Führen der Aufzugskabine (1) entlang der Schienen (15),
    einen Sensor (11, 12) zum Erfassen von Positionsänderungen der Aufzugskabine (1) und/oder von an der Aufzugskabine (1) auftretenden Beschleunigungen,
    einen zwischen der Aufzugskabine (1) und den Führungselementen (5, 6, 7) angeordneten Aktuator (1) sowie
    eine Regeleinrichtung (19), welche auf Basis der von dem Sensor (11, 12) übermittelten Werte den Aktuator (10) zur Veränderung der Lage der Kabine (1) gegenüber den Schienen (15) ansteuert,
    die Regeleinrichtung (19) weist
    a) einen Regler (20), der auf Basis der von dem Sensor (11, 12) übermittelten Werte ein Ausgangssignal zum Ansteuern des Aktuators (10) erzeugt, sowie
    b) eine Begrenzungseinheit (22), welche das von dem Regler (20) ausgegebene Ausgangssignal auf einen Maximalwert limitiert und auf diese Weise das von der Regeleinrichtung (19) auszugebende Stellsignal erzeugt,
    auf,
    die Regeleinrichtung (19) ferner einen Rückführungszweig (24, 25) aufweist, über welchen dem Regler (20) die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers (20) und dem von der Begrenzungseinheit (22) erzeugten limitierten Ausgangssignal als weiteres Eingangssignal zugeführt wird,
    der ist Regler (20) derart ausgeführt ist, dass die zurückgeführte Differenz möglichst gering bleibt.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungszweig einen Zeitverzögerungsblock (25) aufweist, welcher die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers (20) und dem von der Begrenzungseinheit (22) erzeugten limitierten Ausgangssignal zeitverzögert an der Regler (20) zurück übermittelt.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (19) zeitdiskret arbeitet, wobei der Zeitverzögerungsblock (25) das Differenzsignal um eine Abtastperiode zeitverzögert an den Regler (20) übermittelt.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert, auf den die Begrenzungseinheit das von dem Regler (20) ausgegebene Ausgangssignal limitiert, temperaturabhängig ist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert von der Temperatur des Aktuators (10) abhängt, wobei die Einrichtung ferner mindestens einen die Temperatur des Aktuators (10) erfassenden Temperatursensor aufweist, dessen Messignale der Begrenzungseinheit (22) zugeführt werden oder anstelle einer Messung kann die Temperatur des Aktuators (10) durch ein mathematisches, thermisches Modell ermittelt werden.
  6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (19) aufweist:
    einen Positionsregler (20), welcher den Aktuator (10) in Abhängigkeit von Signalen von an der Aufzugskabine (1) angeordneten Positionssensoren (11) derart ansteuert, dass die Führungselemente (5, 6, 7) eine vorgegebene Position einnehmen, sowie
    einen Beschleunigungsregler (21), welcher den Aktuator (10) in Abhängigkeit von Signalen von an der Aufzugskabine (1) angeordneten Beschleunigungssensoren (12) derart ansteuert, dass an der Aufzugskabine (1) auftretenden Schwingungen unterdrückt werden,
    wobei die Stellsignale des Positionsreglers (20) und des Beschleunigungsreglers (21) addiert und dem Aktuator (10) als Summensignal zugeführt werden.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinheit (22) und der Rückführungszweig (24, 25) lediglich zur Begrenzung und Rückführung des von dem Positionsregler (20) ausgegebenen Ausgangssignal vorgesehen sind.
  8. Verfahren zur Reduktion von Schwingungen einer an Schienen (15) geführten Aufzugskabine (1), wobei die Kabine aufweist:
    mehrere Führungselemente (5, 6, 7) zum Führen der Aufzugskabine (1) entlang der Schienen (15),
    einen Sensor (11, 12) zum Erfassen von Positionsänderungen der Aufzugskabine (1) und/oder von an der Aufzugskabine (1) auftretenden Beschleunigungen,
    einen zwischen der Aufzugskabine (1) und den Führungselementen (5, 6, 7) angeordneten Aktuator (1), sowie
    eine Regeleinrichtung (19), welche auf Basis der von dem Sensor (11, 12) übermittelten Werte den Aktuator (10) zur Veränderung der Lage der Kabine (1) gegenüber den Schienen (15) ansteuert,
    wobei das von einem in der Regeleinrichtung (19) vorgesehenen Regler (20) erzeugte Ausgangssignal zum Ansteuern des Aktuators (10) auf einen Maximalwert limitiert und auf diese Weise ein von der Regeleinrichtung (19) auszugebendes Stellsignal erzeugt wird,
    wobei die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers (20) und dem limitierten Ausgangssignal dem Regler (20) als zusätzliches Eingangssignal zugeführt wird, und
    wobei der Regler (20) derart ausgeführt ist, dass die zurückgeführte Differenz möglichst gering bleibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Reglers (20) und dem limitierten Ausgangssignal zeitverzögert erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (19) zeitdiskret arbeitet, wobei die Rückführung um eine Abtastperiode zeitverzögert erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert, auf den das von dem Regler (20) ausgegebene Ausgangssignal limitiert wird, temperaturabhängig ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert von der Temperatur des Aktuators (10) abhängt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (19) aufweist
    einen Positionsregler (20), welcher den Aktuator (10) in Abhängigkeit von Signalen von an der Aufzugskabine (1) angeordneten Positionssensoren (11) derart ansteuert, dass die Führungselemente (5, 6, 7) eine vorgegebene Position einnehmen, sowie
    einen Beschleunigungsregler (21), welcher den Aktuator (10) in Abhängigkeit von Signalen von an der Aufzugskabine (1) angeordneten Beschleunigungssensoren (12) derart ansteuert, dass an der Aufzugskabine (1) auftretenden Schwingungen unterdrückt werden,
    wobei die Stellsignale des Positionsreglers (20) und des Beschleunigungsreglers (21) addiert und dem Aktuator (10) als Summensignal zugeführt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass lediglich das Ausgangssignal des Positionsreglers (20) limitiert und zurückgeführt wird.
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