JP3955365B2

JP3955365B2 - 能動ガイド装置

Info

Publication number: JP3955365B2
Application number: JP23089497A
Authority: JP
Inventors: ラジャマーニラジェシュ; エム．レマーズティモシィ; ケイ．ロバーツランダル
Original assignee: Otis Elevator Co
Current assignee: Otis Elevator Co
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JPH10114482A; SG109400A1; CN1175545A; US5866861A; CN1090148C; HK1008209A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレベータに関し、特にエレベータが昇降路内でレールに沿って垂直方向に移動する際の水平方向の能動制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水平方向の能動的なガイド制御装置は、ローカルな間隙に関する情報のみを利用する単純な制御戦略を使用してエレベータを予め定義された作動エンベロープ内に保っている。作動エンベロープとは、予め定義された実質的に許容範囲のエレベータの位置、速度、及び加速度の値である。能動磁気ガイド（ＡＭＧ）制御装置と呼ばれる電磁石を用いた制御装置では、特定のガイドヘッドで特定の方向へ力を発生させる電磁石アクチュエータは、上記ガイドヘッドの上記方向での間隙に関する情報をのみを使用する。制御装置がアクチュエータのローカルな情報のみを考慮した場合、アクチュエータによって一つのガイドヘッドで一方向へ発生する力は、異なるアクチュエータの運動又は同じガイドヘッドで横方向の運動を引き起こすことがあるので、一方のアクチュエータは、他方のアクチュエータに干渉する可能性がある。
【０００３】
これらの制御装置は、一般的に比例積分偏差（ＰＩＤ）タイプである。これらの制御装置では、アクチュエータの出力を決定するために制御装置によって利用される制御情報は、間隙（レールに対するガイドヘッドの位置によって検出）、ガイドヘッドの絶対速度、及び積分により得られるギャップ・オーバータイム(gap over time)である。このような制御装置は、ガイドヘッドの加速度及び間隙を直接計測するためにセンサを使用し、時間単位の加速度を積分することによってガイドヘッドの速度を求める。各ガイドヘッドでは、加速度及び間隙は、ここでｘ方向及びｙ方向として示している二方向で検出され、これらの方向は、相互に垂直である。また、これら二方向は、ｚ方向として示している昇降路の方向とも垂直である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ローカルでない情報を利用するように設計された衛星制御装置の一つの実施例に関して、関連する特許出願（１９９４年８月１８日出願の米国出願第０８／２９２，６６０号、名称“エレベータ用の能動磁気ガイド”）は、座標制御装置の使用を提案している。この装置では、間隙に関する情報を一組の座標によって表しており、この座標は、問題であったエレベータかごの運動を示すのに特に適している。
【０００５】
しかし、この発明では、エレベータの動力学に基づいてエレベータの制御を行なっておらず、その制御法則は、モデルベースではない。また、アクチュエータ間の干渉を回避するような設計にはなっていない。
【０００６】
本発明の目的は、エレベータが昇降路を移動するに従って、エレベータが移動するガイドレールに対するそのエレベータの位置及び運動を制御することであり、この制御を一組のアクチュエータにエレベータをガイドレールの方向へ引っ張るように指令を出す力学法則によって行うことである。この力は、一組のアクチュエータに対応する一組のエレベータポイントの位置及び加速度に基づいており、また、エレベータ全体がアクチュエータによって出力される引っ張り力に対してどのように反応するかという認識に基づいている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、対向する壁に二つのガイドレールを有する昇降路内のエレベータ用のアクティブガイダンス即ち能動ガイド装置であって、ガイドレールは昇降路の軸に平行な方向で昇降路の全長に渡って伸びており、エレベータには、ガイドレールに沿ってエレベータを案内するための四つのガイドヘッドが取り付けられている能動ガイド装置は、
ａ）センサを有し、このセンサは、エレベータの絶対加速度と、昇降路軸に対して横向きの第一感知方向における四つの位置及び昇降路軸に対して横向きの第二感知方向における二つの位置でのガイドレールに対するエレベータの位置と、に応答して、これらを表すエレベータの制御情報信号を供給し、
ｂ）制御装置を有し、この制御装置は、力学法則に従って複数の力指令信号を提供するために上記制御情報信号に応答し、
ｃ）複数のアクチュエータを有し、各アクチュエータは、対応する力指令信号に応答し、対応するセンサの位置及び感知方向に対応する位置及び方向で正及び負の力を出力するために設けられており、
上記力学法則によって、エレベータの幾何学的形状及び慣性と、アクチュエータによって出力される力によって生じるエレベータの運動と、を関連づけるモデルに従って、各アクチュエータによって出力される力の値が決定される。
【０００８】
ここでは、このようなシステムのための制御装置は、モデルベースマルチインプットマルチアウトプット（ＭＩＭＯ）制御装置と呼んでおり、本発明によると、ＰＩＤタイプの制御装置であってもよい。この制御装置は、エレベータの位置及び運動を予め定義された許容範囲の値以内に保持する。この制御装置がモデルベースである点は、アクチュエータがどのような力を出力すべきかを判断するにあたり、エレベータかご室の力学的運動に関するいくつかの単純化に結び付く仮定に基づいて決定する点であり、更に、計測及び実験を通してモデルの全ての媒介変数の値を決定することに基づく点である。上記仮定とは、例えば、かご室の本体は、剛性であると見なし、その制動は、昇降路に対して横向きの運動に対して速度に基づいて行われること等である。制御装置は、エレベータかご室の位置及び運動を許容範囲の作動エンベロープ内に戻すために、どの程度の力をアクチュエータによって出力する必要があるかを計算するためにモデルを使用する。また、マルチインプットである点は、制御装置が複数のアクチュエータ位置からの間隙情報を使用する点であり、マルチアウトプットである点は、同じ制御装置が各センサと接続した各アクチュエータへ指令を提供する点である。
【０００９】
この方法の結果、各アクチュエータは、ローカルな間隙情報だけでなく、全体的な間隙情報に基づいて出力することができ、各アクチュエータが提供すべき力の正確な値を決定するために、全体的な情報を動力学的モデルで使用することができる。この方法では、各アクチュエータはそれぞれユニゾンでつまり同時に働く。
【００１０】
【発明の実施の形態】
従来の技術を示す図１は、長方形のフレーム３８内に保持されたエレベータかご室４０を示している。かご室は、スチールケーブル３９によって、ガイドレール（図示省略）に沿って昇降する。この従来技術では、エレベータかご室は、ガイドホイール３７によってガイドレールに沿って案内され、このガイドホイールは、トラック外の方向へ移動するエレベータかご室に機械的に対応する。ガイドレールは、昇降路内の互いに対向する壁面に設置されており、ビルの屋上の機械室にあるモータは、ケーブルが懸架されている綱車を駆動する。つり合重りがケーブルの他方端に設けられている。
【００１１】
図２は、好適実施例のモデルで用いた座標を示したエレベータ装置である。フレーム３８には、四つのガイドヘッド３１が固定されている。好適実施例におけるアクチュエータは、電磁石を用いており、ガイドヘッド上に設けられている。これらのアクチュエータは、本発明に係る制御装置からの指示に従って、各ガイドヘッドで側面方向の運動に対抗するためにｘ方向の力を発生させ、前後運動に対抗するためにｙ方向の力を発生させる。
【００１２】
次に図３を参照すると、本発明に係る制御装置２１は、それぞれ対応するアクチュエータ２３を有する複数のローカルセンサ２２からの間隙情報に対応する。制御装置は、全てのローカルセンサからの情報に基づいて、エレベータかご室のモデルを使用してそれぞれのアクチュエータが出力すべき力を計算する。これにより、エレベータの運動は、予め定義された許容範囲の位置及び運動の作動エンベロープ内に保持される。
【００１３】
図４は、二つのトランバース方向、即ち、前後方向（ｘ方向）及び側面方向（ｙ方向）の二方向でガイドレール３６から離れるように、または近づくように、電磁石アクチュエータをガイドヘッド３１に固定する方法を示している。一つのガイドヘッドに設けられる二つの前後電磁石３３は、ｘ方向アクチュエータを提供するために使用される。一方、一つのガイドヘッドに設けられる電磁石３２と、昇降路に沿って、その電磁石に対向するように同じ高さで設けられている他方のガイドレールの他方のガイドヘッドに設けられた電磁石は、単一のｙ方向アクチュエータを形成するために使用される。従って、八つの電磁石は、四つのｘ方向アクチュエータを形成し、四つの電磁石は、二つのｙ方向アクチュエータを形成する。上記の各アクチュエータは、アクチュエータを形成する対となった電磁石の一方又は他方を単に作動させるだけで正及び負の力を出力することができる。
【００１４】
側面方向（ｘ方向）の間隙３４と、前後方向（ｙ方向）の間隙３５は、空隙センサによって計測されることが多いが、他の都合のよい方法を使用することもできる。各ガイドヘッドの側面方向及び前後方向の加速度は、加速度計で計測されることが多い。
【００１５】
図５を参照すると、かご室に側面方向の運動を引き起こす二つのｙ方向アクチュエータが示されている。この図では、それぞれのｙ方向アクチュエータは、図２の添字１及び２を含む座標を有するガイドヘッドのセンサと連結している。従って、この制御装置では、いずれが正であっても負であってもよいＦ_Y1及びＦ_Y2の二つの力のみによって側面方向の運動に対抗している。
【００１６】
図６は、ここでは一般化座標（φ₁，φ₂）と呼ぶエレベータかご室の側面方向の運動を表すために使用される座標を示している。これらの座標は、（直接計測される）デカルト座標（ｙ₁，ｙ₂）に対応付けられる。側面方向の運動を表すのに、デカルト座標を使用することもできるが、運動の方程式はより複雑になる。
【００１７】
図７を参照すると、第二タイプの運動は、前後方向つまりｘ方向の運動である。この運動は、図２で１〜４の添字を含む座標を有するガイドヘッドにおいてｘ方向アクチュエータによって出力される力Ｆ_X1，Ｆ_X2，Ｆ_X3，Ｆ_X4によって対抗される。図７もまた、三つの一般化座標（θ₁，θ₂，ψ）を示しており、これらの座標は、エレベータかご室本体が堅いことを前提とする場合の前後運動を表すために必要とされる。
【００１８】
次に、図５、図６、及び図７を参照すると、制動を無視した側面方向及び前後の運動の運動方程式のための幾何学的形状及び力の図が示されている。これらの方程式では、重力によって生じる加速度はｇで表され、鋼線の伸びに関するヤング係数はＥで表され、各鋼線の横断面はＡで表される。更にＩ_X，Ｉ_Y，Ｉ_Zはそれぞれエレベータかご室の質量中心を通過するｘ，ｙ，ｚ軸周りの回転に関するエレベータかご室の慣性モーメントである。長さｌ_ABS及びｌ_ABFは、それぞれヒッチ４１（図５参照）と、上部の側面方向アクチュエータ、及びヒッチと、上部の前後方向アクチュエータとの間の距離である。同様に、長さｌ_BCS及びｌ_BCFは、それぞれヒッチ４１と、底部側面方向アクチュエータ、及びヒッチと、底部前後方向アクチュエータとの間の距離である。
【００１９】
従って、側面方向運動即ちｙ方向運動の方程式は、以下の通りである。
【００２０】
【数４】

【００２１】
ここでは、センサによって計測された間隙ｙ₁及びｙ₂は、以下の方程式で示すように、φ₁及びφ₂と対応している。
【００２２】
【数５】

【００２３】
これらの方程式は、側面方向の運動の一般化座標とデカルト座標との間の変換を定義している。
【００２４】
前後運動即ちｘ方向運動の全体的な動力学は以下の方程式によって表される。
【００２５】
【数６】

【００２６】
ここでは、四つのセンサによる計測値ｘ₁，ｘ₂，ｘ₃，及びｘ₄は、以下の方程式で示すようにそれぞれ（一般化座標である）角度θ₁，θ₂及びψと対応している。
【００２７】
【数７】

【００２８】
これらの方程式は、前後運動の一般化座標とデカルト座標との間の変換を定義している。
【００２９】
前後及び側面方向の運動に関する動力学的方程式は、一つの行列方程式で表すことができる。以下のように、一列の行列Ｑで一般化座標を全て表し、一列の行列Ｈを制御装置によって計算される全てのアクチュエータの力を表した場合、
【００３０】
【数８】

【００３１】
力学的方程式は、以下のような行列で表すことができる。
【００３２】
【数９】

【００３３】
ここでは、行列Ｍ，Ｋ，及びＢは、力学的モデルによって定義されており、上記の行列でない式によって表した前後及び側面方向の運動の力学的方程式における適切な項に等しくなるように要素が設定されている。更に行列Ｃは、横方向の速度に比例する、かご室の横方向の運動（前後及び側面方向の運動）の制動を表す要素係数を有する。これらの係数は、実験的な計測より求められる。一列の行列Ｈは、空気力学的な風力等、エレベータに働く直接的なディスターバンス・フォース即ち外乱を表すために使用することもできる。
【００３４】
計測される間隙を表すのに、記法Ｇ＝（ｙ₁−ｙ_r1，ｙ₂−ｙ_r2，ｘ₁−ｘ_r1，ｘ₂−ｘ_r2，ｘ₃−ｘ_r3，ｘ₄−ｘ_r4）を使用し、ここでの計算には、レールの不規則性Ｒ＝（ｙ_r1，ｙ_r2，ｘ_r1，ｘ_r2，ｘ_r3，ｘ_r4）を用い、行列Ｒの各成分がエレベータ装置のｚによって決まる定数である場合において、間隙の計測値Ｇと、一般化座標Ｑとの間の座標変換の方程式は、以下のような行列として表すことができる。
【００３５】
【数１０】

【００３６】
ここでは、Ｔは、前後及び側面方向の運動の両方に関するデカルト間隙と一般化座標との対応を表した上記の方程式によって定義された六行五列の変換行列である。
【００３７】
本発明に係る好適実施例のモデルベースＭＩＭＯ制御装置において、各アクチュエータによって提供されることが必要な力は、この記法では、以下の方程式によって表される。
【００３８】
【数１１】

【００３９】
ここでは、Ｋ_P，Ｋ_D，及びＫ_Iは、対角成分が以下のように求められる五行五列の対角行列である。
【００４０】
このような制御法則を選択することによって、力学的方程式は、以下のような行列として表される。
【００４１】
【数１２】

【００４２】
また、共通因数である行列Ｍを除くと、力学的方程式は、五つの非連成非斉次(uncoupled non-homogeneous)微分積分方程式となる。
【００４３】
この力学法則を使用するためには、Ｋ_P，Ｋ_D，及びＫ_Iの（対角）成分の値を求める必要がある。これらの成分の値は、方程式の右側を０にすることで求めることができる。この結果、以下の行列の形式では装置より独立した制御方程式である五つの非連成斉次微分積分方程式が求められる。
【００４４】
【数１３】

【００４５】
ここでは、Ｑ（ｔ）は未知数であり、レールの不規則性が存在しない場合において、エレベータの運動を一般化座標として表している。例えば、φ₁の方程式は、以下の通りである。
【００４６】
【数１４】

【００４７】
ここでは、変数ｋ_d1，ｋ_p1，及びｋ_i1は、それぞれＫ_D，Ｋ_P，及びＫ_Iのｌ−ｌ（対角）成分であり、一般化座標φ₁に関して予め定義された作動エンベロープ内にエレベータを保持するために選択される。
【００４８】
本文において、作動エンベロープとは、各一般化座標におけるエレベータの位置、速度、及び加速度の許容範囲であり、各一般化座標は、使用されるモデルによって異なる程度のエレベータの自由度に対応する。各ガイドヘッドに設けられたセンサの観点からは、制御装置は、各ガイドヘッドにおいて基準となる間隙を保持し、エレベータを傾ける乗車時の不釣り合い等の釣り合いを崩す力に対してアクチュエータからの最低限の力で対応し、エレベータの内部が非剛性（弾性）振動モードで振動しないで、基準となる間隙に戻るように対応する必要がある。
【００４９】
実際の使用においては、行列Ｋ_D，Ｋ_P，及びＫ₁の（対角）成分の値は、システムから独立した制御方程式によって表される個々の微分積分方程式を、ラプラス変換等を使用して代数的方程式に変換することによって選択される。また、エレベータを作動エンベロープ内に保つためには、Ｋ_D，Ｋ_P，及びＫＩの（対角）成分の値は、本発明に係る教示に従って、代数的方程式の極が左半分の複素平面上に最初に位置するように選択される。続いて、Ｋ_P成分の値は、必要最小減のばね率を得ることができるように選択され、また、Ｋ_I成分は、積載物の不釣り合いによってエレベータの中心がずれた場合にどの程度の速さで制御装置がエレベータを中心地点に戻るようにしたらよいかを設定するように選択される。最後に、Ｋ_D成分は、できる限り大きな値が選択されるが、かご室本体が弾性的に変形可能に振動しない程度の値が選択される。剛性体であるかご室の振動よりも周波数が高いこれらの振動のモードの励振を避けるために、Ｋ_Dの成分をそのエレベータによって決まる感度限界以下に保持する必要がある。Ｋ_Dに関する上記の制約と一貫して、Ｋ_P及びＫ_Iの成分は、各一般化座標の微分積分方程式のラプラス変換によって求められる方程式の極が可能な限り負の実部を有するように、使用者によって予め設定された最低値以上になるように選択される。
【００５０】
図８及び図９は、本発明に係るモデルベースＭＩＭＯ制御装置に比較して一入力一出力（ＳＩＳＯ）制御装置がどのように機能するかの予測を示している。図８に示すように、この比較における二種類の制御装置は、特定のレールの外乱インプットに対してほぼ同じレベルの性能を発揮するように調整されている。レールの単位あたりのエレベータの外乱は、全ての周波数において双方の制御装置で同様であることが分かる。一方、風による外乱が加わった場合には、同様の周波数の増加に対してモデルベースＭＩＭＯ制御装置がかなり優れた性能を発揮することが図９よりわかる。モデルベースＭＩＭＯ制御装置での風力の単位あたりの外乱は、ＳＩＳＯ制御装置に比較してほぼ一マグニチュード程度も少ない。ここで使用しているＭＩＭＯ制御装置は、６ｄｂのゲイン余裕と、４０°の位相余裕と、を有する。
【００５１】
本発明を好適実施例に沿って開示及び説明してきたが、その構成及び詳細に関する上記及びその他の改良、省略、及び追加は、本発明の趣旨及び範囲から離れない範囲で行うことができることは、当業者によって理解されるであろう。
【００５２】
本発明を要約すると、エレベータの能動ガイド装置では、一方のアクチュエータ２３が他方のアクチュエータの作動に干渉することを避けるために、制御装置２１が提供される。この制御装置は、エレベータ４０のモデルに基づく力学法則を使用し、全てのセンサ２２からの情報を総合して、力学法則に従って各アクチュエータ２３が提供すべき力を決定する。エレベータ４０のモデルは、エレベータ４０がアクチュエータ２３によって出力される力にどのように対応するのかを判断するために使用される。好適実施例では、エレベータ４０は剛性体としてアクチュエータの力に対応すると仮定される。モデル全体がこの基本的な仮定に基づいて確立され、アクチュエータ２３の力に対応するエレベータの剛性体運動を説明するために必要となるエレベータの全ての幾何学的及び慣性の属性が最終的に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のローラガイドエレベータ装置である。
【図２】従来技術及び本発明に係る能動磁気ガイド制御のエレベータ装置である。
【図３】アクチュエータが力を出力するように該アクチュエータに指令信号を提供するために、かご室に関連する感知可能なローカル信号に応答する本発明に係る制御装置である。
【図４】従来技術及び本発明に係る一般的な能動磁気ガイド装置ガイドヘッドと、対応するガイドレールの平面図である。
【図５】本発明に係るモデルで使用されるいくつかの座標を示したエレベータかご室の側面方向の運動即ちｙ方向の運動の概略図である。
【図６】側面方向の運動を説明するためにデカルト座標（ｙ₁，ｙ₂）と一般化座標（φ₁，φ₂）を示したエレベータかご室の側面方向の運動の概略図である。
【図７】本発明に係るモデルで使用したデカルト座標（ｘ₁，ｘ₂，ｘ₃，ｘ₄）と一般化座標（φ₁，φ₂，ψ）を示したエレベータかご室の前後運動即ちｘ方向の運動の概略図である。
【図８】従来の単一インプット単一アウトプット制御装置と、本発明に係るモデルベースＭＩＭＯ制御装置と、の間でのレールによる外乱に対する性能の予測比較図である。
【図９】従来の単一インプット単一アウトプット制御装置と、本発明に係るモデルベースＭＩＭＯ制御装置と、の間での風による外乱に対する性能の予測比較図である。
【符号の説明】
３１…ガイドヘッド
３８…フレーム
３９…スチールケーブル
４０…かご室
４１…ヒッチ

Claims

対向する壁に二つガイドレールを有する昇降路内にあるエレベータ用の能動ガイド装置であって、前記ガイドレールは、昇降路軸に平行な方向で昇降路の全長に渡って伸びており、前記エレベータには、該エレベータを前記ガイドレールに沿って案内するための四つのガイドヘッドが取り付けられており、
ａ）複数のセンサを有し、前記センサは、前記昇降路軸に対して横向きの第一感知方向における四つの位置及び前記昇降路軸に対して横向きの第二感知方向における二つの位置での前記エレベータの絶対加速度と、前記ガイドレールに対する前記エレベータの位置と、に応答してこれらを表す前記エレベータの制御情報信号を供給し、
ｂ）制御装置を有し、前記制御装置は、力学法則に従って複数の力指令信号を提供するために前記制御情報信号に応答し、
ｃ）複数のアクチュエータを有し、前記各アクチュエータは、対応する前記力指令信号に応答し、対応する前記センサの位置及び感知方向に対応する位置及び方向で正及び負の力を出力するために設けられており、
前記力学法則によって、前記エレベータの幾何学的形状及び慣性と、前記アクチュエータによって出力される力によって生じるエレベータの運動と、を関連づけるモデルに従って、前記各アクチュエータによって出力される力の値が決定され、前記モデルは、前記昇降路軸の横方向の運動に対する制動を行う剛性体に関し、エレベータの昇降路軸に対して横方向の運動を予測するために、

の動力学的方程式を使用し、
この方程式において、Ｑは、一般化座標の五行１列の行列であり、これらの成分の組合せによってエレベータの前記昇降路軸に対する横方向の運動が表わされ、転換方程式Ｇ＝ＴＱ−Ｒによってセンサで感知された間隙の値である６行一列の行列Ｇに対応しており、前記転換方程式において、Ｔは、エレベータの幾何学的形状より決定された六行五列の行列であり、Ｒは、前記各センサに対応するレールの不規則性を表す六行一列の行列であり、
Ｈは、六行一列の行列であり、前記各アクチュエータに一つの成分が対応しており、各成分は、前記各アクチュエータが提供すべき力の大きさ及び方向の値を表しており、
Ｂは、五行六列の行列であり、エレベータの幾何学的形状よりその成分が計算され、前記成分は、前記アクチュエータによって加えられた力と、一般化座標で表されるエレベータの運動とを関連づけており、
Ｍ及びＫは、五行五列の行列であり、Ｍは、エレベータの慣性によって定まる計算された成分を有し、Ｋは、エレベータに働く復原トルクによって定まる計算された成分を有し、
Ｃは、五行五列の行列であり、昇降路軸に対して横方向の第一及び第二感知方向でのエレベータ運動の制動を表す成分を有することを特徴とする能動ガイド装置。
前記力学法則は、

であり、この方程式におけるＫ_P，Ｋ_D，及びＫ_Iは、それぞれ五行五列の行列であり、それらの成分は、システムから独立した制御方程式である

の解Ｑがエレベータの前記昇降路軸に対する横向きの前記第一及び前記第二感知方向での運動を表すように選択されており、前記運動は、予め定義された作動エンベロープの範囲内であることを特徴とする請求項１記載の能動ガイド装置。
前記各アクチュエータは、二つの電磁石を有し、各前記電磁石は、エレベータを同じ線上の反対方向に引っ張るための方向及び位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の能動ガイド装置。