用于控制电梯系统的操作的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于控制电梯系统的操作的方法和系统。该方法使用利用电梯绳的张力稳定电梯系统的状态的控制定律来控制电梯系统的操作。遵循由控制定律所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。控制定律是电梯绳的摇摆幅度和电梯绳的摇摆速度的函数。该方法确定在操作期间电梯绳的摇摆幅度和电梯绳的摇摆速度，且基于控制定律以及电梯绳的摇摆幅度和摇摆速度确定电梯绳的张力的大小。
【专利说明】用于控制电梯系统的操作的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及电梯系统，更具体而言，涉及减小电梯系统中电梯绳的摇摆。
【背景技术】
[0002]典型的电梯系统包括沿着垂直电梯井中的导轨移动的轿厢和对重。轿厢和对重通过提升绳彼此连接。提升绳缠绕在位于电梯井顶部或底部的机房中的绳轮上。绳轮可以通过电气马达移动，或对重可以通过线性马达供电。
[0003]绳摇摆表示电梯井中提升和/或补偿绳的振荡。振荡可能是绳式电梯系统中的重要问题。振荡可能例如通过由于风引入的建筑偏离导致的振动和/或在电梯系统的操作期间绳的振动导致。如果振动频率接近或进入绳的自然谐波，则振荡可能大于位移。在这种情形中，绳可能与电梯井中的其他装置缠绕或跑出绳轮的槽。如果电梯系统使用多个绳且绳彼此不同相地振荡，则绳可能变得彼此缠绕且电梯系统可能受损。
[0004]各种方法通过向绳施加张力控制电梯绳的摇摆。然而，常规方法使用恒定控制动作来减小绳摇摆。例如，在美国专利5，861，084中描述的方法通过在检测到绳振动之后在绳上施加恒定张力最小化电梯补偿绳的水平振动。然而，向绳施加恒定张力不是最优的，因为恒定张力能够对绳导致不必要的应力。
[0005]美国专利公报2009/0229922 Al中描述的另一方法基于伺服致动器，该伺服致动器移动绳轮以偏移补偿绳的自然频率以避免补偿绳与建筑的自然频率的共振。伺服致动器通过反馈控制，该反馈使用绳的末端处的绳振动的速度。然而，该方法仅解决补偿绳振动摇摆阻尼的问题。再者，该方法使得必须测量绳的末端处的绳摇摆速度，这在实际应用中是困难的。
[0006]美国专利7，793，763中描述的方法使用安装在轿厢顶部上的无源减震器最小化电梯系统的主绳的振动。减震器连接到轿厢和绳。减震器的阻尼系数的值和距离用于减小绳摇摆。然而，在该方法中，减震器数目与被控制的绳数目成比例。再者，每个减震器是无源的且与绳连续啮合，这可能在绳上引入不必要的额外应力。
[0007]例如参见美国专利4，460, 065和美国专利5，509, 503，其他方法单纯地使用机械解决方案以通过物理限制绳的横向移动来限制摇摆幅度。这种类型的解决方案在安装和维护方面可能是昂贵的。
[0008]相应地，需要最佳地减小电梯绳的摇摆。
【发明内容】
[0009]本发明的一些实施例的目标是提供一种通过向绳施加张力减小连接到电梯系统中的电梯轿厢的电梯绳的摇摆的系统和方法。
[0010]实施例的另一目标是提供优选地仅在必要时应用张力、使得可以减少电梯系统的组件的维护的方法。例如，本发明的一个实施例公开了一种通过在绳上施加时间变化张力减小电梯绳的横向绳摇摆的方法。[0011]本发明的实施例基于这一现实:施加到电梯绳的张力可以用于稳定电梯系统。因此，可以使用电梯系统的模型基于电梯系统的稳定性分析张力。各种类型的稳定性被实施例用于描述代表电梯系统的动态系统的微分方程的求解。
[0012]例如，一些实施例要求代表电梯系统的动态系统是李雅普诺夫(Lyapunov)式稳定的。具体而言，电梯系统的稳定可以通过控制李雅普诺夫函数描述，其中稳定电梯系统的电梯绳的张力通过控制定律确定，使得遵循由控制定律所控制的电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。这些实施例中的一些还基于针对动态系统的假设模式的另一现实。代表假设模式及其时间导数的拉格朗日(Lagrangian)变量涉及摇摆和摇摆速度。控制李雅普诺夫函数是拉格朗日变量的函数，且因此，使用控制李雅普诺夫函数确定的控制定律能够涉及摇摆和摇摆速度。
[0013]相应地，一些实施例使用李雅普诺夫控制理论确定基于电梯绳的张力稳定电梯系统的状态的控制定律。这种方法使得例如仅在张力必要时才最佳地施加张力，这减小了维护成本。例如，一些实施例仅响应于绳的摇摆幅度的增加而施加张力，这相对于恒定张力方法是有利的。
[0014]一个实施例基于无外部干扰的电梯系统的模型确定控制定律。该实施例在外部干扰最小时是有利的。另一实施例使用干扰拒绝成分修改控制定律以迫使李雅普诺夫函数的导数是负定的。该实施例对于具有干扰的系统是有利的。在该实施例的各种变型中，在电梯系统的操作期间测量外部干扰。在另一变型中，基于外部干扰的边界确定干扰拒绝成分。该实施例允许补偿干扰而不测量干扰。这是有利的，因为一般地干扰测量并不轻易可得，例如，用于外部干扰的传感器是昂贵的。
[0015]而且，在一个实施例中，施加于电梯绳的张力具有恒定值(例如最大张力)且在最佳时间点基于摇摆幅度和摇摆速度的值切换到最小值(例如零)。该实施例相对容易实施。在另一实施例中，张力幅度是摇摆幅度的函数且随着摇摆幅度和摇摆速度的减小而减小。与一些其他实施例相比，该实施例使用较少的控制能量。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1A、1B、1C、1D和IE是采用本发明的实施例的示例性电梯系统的示意图；
[0017]图2是根据本发明的一个实施例的电梯系统的模型的示意图；
[0018]图3是根据本发明的一个实施例用于控制电梯系统的操作的方法的框图；
[0019]图4A和4B是根据本发明的各个实施例基于李雅普诺夫理论确定控制定律的方法的框图。
【具体实施方式】
[0020]本发明的各个实施例基于这一现实:施加到电梯绳的张力可以用于稳定电梯系统。此外，电梯系统的稳定性可以通过控制李雅普诺夫函数描述，使得稳定电梯系统的电梯绳的张力确保控制李雅普诺夫函数的导数的负定性。
[0021]一些实施例通过基于控制定律改变电梯绳的张力以减小电梯绳摇摆来控制电梯系统的操作。一些实施例基于这一现实:绳的张力可以与李雅普诺夫理论一起使用以稳定电梯系统且因而稳定摇摆。通过组合李雅普诺夫理论和绳张力致动，根据一些实施例，切换控制器基于切换条件(例如实际摇摆的幅度和速度)优化控制张力的开启和关闭。基于李雅普诺夫理论获得切换条件以及施加的正张力的大小。
[0022]相应地，切换控制允许仅在必要时即在满足切换条件时向绳施加张力。因此，没有不必要的额外张应力施加于诸如电梯绳和绳轮之类电梯系统的部件，这可以减小维护成本。
[0023]图1A示出根据本发明的一个实施例的电梯系统100-A的示意图。电梯系统包括通过至少一个电梯绳可操作地连接到电梯系统的不同组件的电梯轿厢12。例如，电梯轿厢和对重14通过主绳16-17和补偿绳18彼此连接。电梯轿厢12可以包括联杆器30和安全钳下楔33。用于使得电梯轿厢12和对重14移动通过电梯井22的滑轮20可以位于电梯井22的顶部(或底部)处的机房(未示出)中。电梯系统还可以包括补偿滑轮23。电梯井22包括前壁29、后壁31和一对侧壁32。
[0024]电梯轿厢和对重具有在x、y和z方向中的力矩和为零的点处的重力中心。换句话说，轿厢12或对重14理论地可以在该重力中心(x，y，z)支撑和平衡，因为重力中心点附近的所有力矩都被抵消。主绳16-17典型地连接到电梯轿厢12的联杆器30，在那里轿厢的重力中心的坐标被投影。主绳16-17连接到对重14的顶部，在那里对重14的重力中心的坐标被投影。
[0025]在电梯系统的操作期间，系统的不同组件承受内部和外部干扰，例如，由于风导致的摇摆，导致组件的横向移动。组件的这种横向移动可能导致需要被测量的电梯绳摇摆。相应地，一个或一组摇摆传感器120可以布置在电梯系统中以确定电梯绳的横向摇摆。
[0026]该组传感器可以包括至少一个摇摆传感器120。例如，摇摆传感器120配置成在与摇摆传感器的位置相关的摇摆位置感测电梯绳的横向摇摆。
[0027]然而，在各个实施例中，传感器可以布置在不同位置，使得摇摆位置可以被恰当地感测和/或测量。传感器的实际位置可以依赖于使用的传感器的类型。例如，摇摆传感器可以是任意运动传感器，例如光束传感器。
[0028]在电梯系统的操作期间，摇摆的位置可以被确定且发送122到摇摆测量和估算单元140。摇摆单元140例如通过使用摇摆测量和系统的逆模型确定电梯绳的摇摆。各种实施例使用不同逆模型，例如包括绳、滑轮和轿厢的电梯系统的逆模型，而且各种实施例使用不同估算方法来从测量估算绳摇摆。
[0029]在一个实施例中，第一摇摆传感器被放置在对应于初始绳配置的绳中性位置(SP无绳摇摆)。其他摇摆传感器远离中性位置布置且布置在与第一摇摆传感器相同的高度。
[0030]在系统100-A中，绳摇摆通过连接到补偿绳轮23的力致动器130控制。主绳轮闸160被啮合以停止主绳轮的任意旋转。然后，致动器130用于拉动补偿绳轮23以在绳中产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。致动器130通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还确定张力何时开启且张力何时关闭的时间。切换的时序基于从摇摆单元140获得的绳摇摆测量。
[0031]图1B示出根据本发明的另一实施例的电梯系统100-B的示意图。在系统100-B中，使用闸170约束轿厢移动，且主绳轮112被控制以旋转且在主绳上产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。主绳轮112通过控制单元150控制，该控制单元150确定施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算张力开启且张力关闭的时间。基于从摇摆测量/估算单元140获得的绳摇摆测量，通过控制单元150计算切换时序。
[0032]图1C示出根据本发明的又一实施例的电梯系统100-C的示意图。在系统100-C中，使用闸180约束补偿绳轮，且主绳轮112被控制以旋转且在主绳中产生外部张力，该张力使得绳变硬且附带地减小绳摇摆。主绳轮112通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算额外张力必须开启或必须关闭的时间。基于从摇摆测量/估算单元140获得的绳摇摆测量，通过控制单元150计算切换时序。
[0033]图1D示出根据本发明的又一实施例的电梯系统100-D的示意图。在系统100-D中，使用闸160约束主绳轮，且使用闸191约束上限速器绳轮190。限速器绳轮190通过致动器192控制以拉/推限速器绳轮190且在限速器绳193上产生外部张力。该张力暗示着通过链接194在电梯轿厢12上的力，这进而在主绳上产生张力。限速器绳轮190通过控制单元150控制，该控制单元150计算施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算额外张力必须开启且张力必须关闭的时间。基于通过摇摆单元140确定的绳摇摆，通过控制单元150确定切换时序。
[0034]图1E示出根据本发明的另一实施例的电梯系统100-E的示意图。在系统100-E中，使用闸170约束轿厢运动，且使用安装在固定台架196上的致动器195控制主绳轮112。闸170的操作在主绳上产生外部张力。该张力使得绳变硬且减小绳摇摆。致动器195通过控制单元150控制，该控制单元150确定施加到绳的外部张力的大小。控制单元还计算张力开启且张力关闭的时间。基于通过摇摆单元140确定的绳摇摆，通过控制单元150确定切换时序。
[0035]控制绳张力的电梯系统的其他修改是可能的且处于本发明的范围内。
[0036]基于模型的控制设计
[0037]图2示出电梯系统的模型200的示例。模型200基于电梯系统100-A的参数。各个方法可以用于根据电梯系统的模型模拟电梯系统的操作，例如，模拟通过操作电梯系统导致的电梯绳260的实际摇摆212。可以类似地得出其他电梯系统的模型。
[0038]各个实施例可以采用不同电梯系统模型来设计控制定律。例如，一个实施例执行基于牛顿第二定律的建模。例如，电梯绳建模为线且电梯轿厢和对重分别建模为刚性体230和 250。
[0039]在一个实施例中，电梯系统的模型通过偏微分方程确定:
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【权利要求】
1.一种用于控制电梯系统的操作的方法，所述方法包括以下步骤: 确定使用电梯绳的张力来稳定所述电梯系统的状态的控制定律，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的，且其中所述控制定律是所述电梯绳的摇摆幅度和所述电梯绳的摇摆速度的函数； 确定在操作期间所述电梯绳的所述摇摆幅度和所述电梯绳的所述摇摆速度；以及基于所述控制定律以及所述电梯绳的所述摇摆幅度和所述摇摆速度确定所述电梯绳的所述张力的大小，其中所述方法的步骤通过处理器来执行。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤: 基于没有外部干扰的所述电梯系统的模型确定用于所述电梯系统的所述控制定律；以及 使用干扰拒绝成分修改所述控制定律以迫使在具有外部干扰时所述李雅普诺夫函数的所述导数是负定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律被确定为使得所述电梯绳的所述张力与所述电梯绳的所述摇摆幅度成比例。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律仅响应于所述绳的所述摇摆幅度的增加而施加所述张力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律基于所述绳的所述摇摆幅度和所述绳的所述摇摆速度的乘积的符号而施加所述张力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律U(X)包括
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律U(X)包括
8.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括以下步骤: 确定满足如下不等式的干扰拒绝成分V:
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制定律u(X)包括
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摇摆幅度X的所述控制定律U(X)包括:
11.一种用于控制包括由电梯绳所支撑的电梯轿厢的电梯系统的操作的系统，所述系统包括: 致动器，其控制所述电梯绳的张力； 摇摆单元，其确定所述电梯绳的摇摆幅度和摇摆速度；以及 控制单元，其确定所述摇摆幅度和所述摇摆速度的乘积的符号且根据稳定所述电梯系统的状态的控制定律来控制所述致动器，使得所述控制单元仅响应于由所述乘积的符号所指示的所述电梯绳的摇摆幅度的增加而生成施加所述张力的指令。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述张力的大小是恒定的。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述张力的大小是根据下式确定的幅度的函数:
14.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括: 处理器，其确定所述控制定律，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的；以及 存储器，其存储所述控制定律，其中所述控制单元基于所述控制定律确定所述电梯绳的所述张力的大小。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理器确定在没有外部干扰的情况下用于所述电梯系统的所述控制定律，且使用干扰拒绝成分修改所述控制定律以确保在存在所述外部干扰时所述李雅普诺夫函数的所述导数是负定的。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器基于所述外部干扰的边界确定所述干扰拒绝成分。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述干扰拒绝成分基于所述外部干扰的测量。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器确定满足如下不等式的干扰拒绝成分V:
19.一种用于控制包括连接到电梯绳的电梯轿厢的电梯系统的操作的系统，所述系统包括: 处理器，其用于仅响应于所述电梯绳的摇摆幅度的增加而生成向所述电梯绳施加张力的指令。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理器根据使用所述电梯绳的所述张力稳定所述电梯系统的状态的控制定律来生成所述指令，使得遵循由所述控制定律所控制的所述电梯系统的动态的李雅普诺夫函数的导数是负定的。
【文档编号】B66B7/10GK103803378SQ201310548179
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】M·本诺斯曼 申请人:三菱电机株式会社