控制升降机系统的操作的方法、控制单元和升降机系统的制作方法

控制升降机系统的操作的方法、控制单元和升降机系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种控制升降机系统的操作的方法、控制单元和升降机系统。方法控制升降机系统的操作。该方法接收在升降机的运行期间确定的升降机绳索的摇摆的幅度和升降机绳索的摇摆的速度。该方法根据摇摆的幅度和速度的函数修改连接到升降机绳索的半主动阻尼器致动器的衰减系数。该方法的步骤能够由处理器执行。
【专利说明】控制升降机系统的操作的方法、控制单元和升降机系统

【技术领域】
[0001] 本发明一般地涉及升降机系统，并且更具体地涉及减少升降机系统中的升降机绳 索的摇摆。

【背景技术】
[0002] 通常的升降机系统包括在坚直的升降机井上沿着导轨在地上和地下移动的轿厢 和对重。轿厢和对重借助于卷扬绳索彼此连接。卷扬绳索围绕位于升降机井的顶部或底部 的机房中的槽轮缠绕。轮能够利用电动马达来移动，或者对重能够利用直线马达来提供动 力。
[0003] 绳索摇摆是指升降机井中的卷扬和/或补偿绳索的振荡。振荡能够是使用绳索的 升降机系统中的显著问题。振荡能够例如由在升降机系统的运行期间引起建筑物偏转和/ 或绳索的振动的风引起。如果振荡的频率接近或进入了绳索的自然谐振，则振荡能够大于 移位。在这样的情况下，绳索能够与升降机井中的其它设备纠缠，或者离开轮的槽。如果升 降机系统使用多个绳索并且绳索异相振荡，则绳索能够变为纠缠，从而带来了安全性风险， 并且升降机系统会被损坏。
[0004] 各种传统方法通过向绳索施加张力来控制升降机绳索的摇摆。然而，这些方 法使用恒定控制动作来减少绳索摇摆。例如，在美国专利5861084和美国专利公开 2012/0125720中描述的方法通过在检测到绳索的振动之后在绳索上施加恒定张力来最小 化升降机补偿绳索的水平振动。然而，向绳索施加恒定张力是次优的，这是因为恒定张力会 对绳索引起不必要的应力。
[0005] 在美国专利公开2009/0229922中描述的另一方法使用伺服致动器，其使轮移动 以改变补偿绳索的固有频率，从而避免补偿绳索与建筑物的固有频率的谐振。伺服致动器 由使用绳索的末端的绳索振动的速度的反馈控制。然而，该方法仅解决了补偿绳索振动摇 摆衰减的问题。此外，该方法需要绳索的末端处的绳索摇摆速度的测量，这在实际应用中是 困难的。
[0006] 美国专利7793763中描述的方法使用安装在轿厢的顶部上的被动阻尼器来使得 升降机系统的主绳索的振动。阻尼器连接到轿厢和绳索。预先确定阻尼器的衰减系统的距 离和值并且使用其来减少绳索摆动。然而，阻尼器是被动的并且持续与绳索接合，这能够引 起绳索上的不必要的额外应力。
[0007] 其它方法（例如参见美国专利4460065和美国专利5509503)单纯地使用机械方 案来通过物理地限制绳索的横向运动来限制摇摆振幅。这几种方案能够在成本上有效地安 装和保持。
[0008] 因此，需要减少升降机绳索的摇摆的更优方案。


【发明内容】

[0009] 本发明要解决的技术问题
[0010] 本发明的一些实施方式的目的在于提供一种系统和方法，其用于通过向绳索施加 衰减力来减少升降机系统中连接到升降机轿厢的升降机绳索的摆动。例如，本发明的一个 实施方式使用连接在升降机绳索与升降机轿厢之间的半主动阻尼器致动器来在升降机绳 索上施加衰减力。另一实施方式使用连接在升降机绳索与升降机对重之间的半主动阻尼器 致动器来在升降机绳索上施加衰减力。
[0011] 实施方式的另一目的在于提供一种方法，其最佳地（例如，仅在需要时）施加衰减 力，从而能够减少升降机系统的组件的维护。例如，本发明的一个实施方式根据摇摆的幅度 和速度的函数更新半主动阻尼器致动器的衰减系数。实施方式通过在绳索上施加随着时间 改变的衰减力来减少升降机绳索的横向绳索摇摆。
[0012] 本发明的技术方案
[0013] 本发明的实施方式基于施加到升降机绳索的衰减力能够用于稳定升降机系统的 实现。因此，能够使用升降机系统的模型基于升降机系统的稳定性来分析衰减力。实施方 式能够使用各种类型的稳定性用于描述表示升降机系统的动力学系统的微分方程的解。
[0014] 例如，一些实施方式要求表示升降机系统的动力学系统是李雅普诺夫稳定的。具 体地，能够利用控制李雅普诺夫函数描述升降机系统的稳定，其中，利用控制规则来确定使 得升降机系统稳定的升降机绳索的衰减力，从而由控制规则控制的升降机系统的动力学的 李雅普诺夫函数的导数为负定的。表示动力学系统的假设模式的拉格朗日变量及其时间 导数与摇摆和摇摆的速度相关。控制李雅普诺夫函数是拉格朗日变量的函数，并且因此，使 用控制李雅普诺夫函数确定的控制规则能够与摇摆和摇摆的速度相关。
[0015] 一个实施方式使用李雅普诺夫控制理论基于升降机绳索的衰减力来确定稳定升 降机系统的状态的控制规则。这样的方法使得能够最优地（例如，仅在需要衰减力时）施 加衰减力，这减少了维护成本和系统上的整体能耗。
[0016] -个实施方式基于没有外部扰动的升降机系统的模型来确定控制规则。该实施方 式在外部扰动最小或快速消失时是有利的。另一实施方式利用扰动去除分量来修改控制规 则以强制李雅普诺夫函数的倒数为负定。该实施方式对于具有稳定扰动的系统来说是有利 的。在该实施方式的一个变形例中，在升降机系统的运行期间测量外部扰动。在另一变形 例中，基于外部扰动的边界确定扰动去除分量。该实施方式允许在没有测量扰动的情况下 补偿扰动。这是由于一般来说，扰动测量是不容易可用的（例如，用于外部扰动的传感器是 昂贵的）而是有利的。
[0017] 而且，在一个实施方式中，衰减力具有最大衰减值，并且基于摇摆幅度和摇摆速度 的值在最佳时间切换到最小值（例如，零）。在另一实施方式中，衰减的幅度是摇摆的幅度 的函数并且随着摇摆和摇摆的速度的减小而减小。与一些其它实施方式相比，该实施方式 使用更少的能量。
[0018] 因此，一个实施方式公开了一种用于控制升降机系统的操作的方法。该方法接收 在升降机的运行期间确定的升降机绳索的摇摆的幅度和升降机绳索的摇摆的速度。该方法 根据摇摆的幅度和速度的函数修改连接到升降机绳索的半主动阻尼器致动器的衰减系数。 该方法的步骤能够由处理器执行。
[0019] 另一实施方式公开了一种控制单元，其用于控制连接到升降机系统的升降机绳索 的半主动阻尼器致动器的操作。该控制单元包括处理器，其用于根据升降机绳索的摇摆的 幅度和升降机绳索的摇摆的速度的函数确定半主动阻尼器致动器的衰减系数。
[0020] 又一实施方式公开了一种升降机系统，其包括升降机轿厢和升降机轿厢的对重； 升降机绳索，该升降机绳索连接到升降机轿厢或连接到对重；半主动阻尼器致动器，该半主 动阻尼器致动器连接到升降机绳索；摇摆单元，用于确定升降机绳索的摇摆的幅度和升降 机绳索的摇摆的速度；以及控制单元，用于根据升降机绳索的摇摆的幅度和速度的函数确 定半主动阻尼器致动器的衰减系数。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图IA是使用本发明的各种实施方式的升降机系统的示意图；
[0022] 图IB是使用本发明的各种实施方式的升降机系统的示意图；
[0023] 图IC是使用本发明的各种实施方式的升降机系统的示意图；
[0024] 图ID是使用本发明的各种实施方式的升降机系统的示意图；
[0025] 图IE是根据本发明的一个实施方式的半主动阻尼器致动器的布置的示意图；
[0026] 图2是根据本发明的实施方式的升降机系统的模型的示意图；
[0027] 图3A是根据本发明的一些实施方式的通过改变半主动阻尼器致动器的衰减系数 来控制升降机系统的操作的方法的框图；
[0028] 图3B是根据本发明的实施方式的控制升降机系统的操作的方法的框图；
[0029] 图4A是根据本发明的各种实施方式的基于李雅普诺夫理论确定控制规则的方法 的框图；以及
[0030] 图4B是根据本发明的各种实施方式的基于李雅普诺夫理论确定控制规则的方法 的框图。

【具体实施方式】
[0031] 机械系统中的振动减少由于包括系统的安全性和效率的各种原因而是重要的。特 别地，升降机系统中的升降机绳索的振动（例如，横向摇摆）与乘客的称作质量和安全性直 接相关，并且因此应该减少这样的振动。
[0032] 由于例如诸如风或地震活动的外部扰动引起的振动能够由各种类型的悬挂系统 来减少。一般来说，存在被动、半主动和主动型悬挂系统。被动悬挂系统具有不想要的乘坐 品质。主动悬挂系统使用致动器，其能够在悬挂上施加独立的力以改进乘坐的舒适性并且 能够提供想要的用于减少振动的性能。主动悬挂系统的缺点在于增加了成本、复杂性、质量 和维护。
[0033] 半主动悬挂系统在系统成本和性能之间提供了更好的权衡。例如，半主动阻尼器 致动器允许调整诸如粘性衰减系数或刚性的参数，并且能够用于减少振动，并且由于这样 的致动器仅消散能量而是可靠的。
[0034] 本发明的一些实施方式基于其能够有利地使用半主动阻尼器致动器（即，半主动 阻尼器）通过将衰减力施加到升降机绳索来减少升降机绳索的摇摆的实现。衰减力的这样 的施加能够改变升降机绳索的衰减并且减少摇摆。另外，与获得相同或类似性能的被动阻 尼器的大小相比，半主动阻尼器的衰减系数的时间改变选择能够有助于减少半主动阻尼器 的大小。
[0035] 然而，包括被动阻尼器的升降机系统能够被建模为线性系统，而具有半主动阻尼 器的升降机系统能够由于作为升降机绳索的状态的函数（其更难以分析）的半主动阻尼器 系数的改变而仅被建模为非线性系统。因此，半主动阻尼器的控制是更加困难的，并且不正 确的控制能够增加升降机绳索的摇摆。
[0036] 本发明的各种实施方式基于下述实现，即能够使用施加到升降机绳索的衰减力来 稳定升降机系统。此外，能够利用控制李雅普诺夫函数来描述升降机系统的稳定化，从而稳 定升降机系统的升降机绳索的衰减力确保了控制李雅普诺夫函数的导数的负定。通过组合 李雅普诺夫理论和绳索衰减致动，根据一些实施方式的切换控制器基于切换条件（例如， 实际摇摆的幅度和速度）来优化控制开启和关闭的切换。基于李雅普诺夫理论来获得切换 条件以及将要施加的正衰减的幅度。
[0037] 因此，切换控制允许仅在需要时（即，在满足切换条件时）向绳索施加衰减，这能 够减少维护的开销和系统的整体能耗。
[0038] 图IA示出了根据本发明的一个实施方式的升降机系统的示意图。该升降机系统 包括升降机轿厢12,其可操作地由至少一个升降机绳索连接到升降机系统的不同组件，例 如，升降机轿厢和对重14借助于主绳索16-17和补偿绳索18彼此连接。升降机轿厢12能 够包括十字头（crosshead)器30和安全板（safety plank) 33。用于贯穿升降机井22移动 升降机轿厢12和对重14的滑轮20能够位于升降机井22的顶部（或底部）的机房（未示 出）中。升降机系统还能够包括补偿滑轮23。升降机井22包括前壁29、后壁31和一对侧 壁32。
[0039] 升降机轿厢和对重具有重心，其位于X、y和z方向上的力矩的和为零的点处。换 言之，轿厢12或对重14能够在理论上被在重心（x，y，z)处支撑并且平衡，这是因为围绕重 心的所有力矩都被抵消。主绳索16-17通常连接到升降机轿厢12的十字头30,轿厢的重心 的坐标被投射到该十字头处。主绳索16-17连接到对重14的顶部，对重14的重心的坐标 被投射到该顶部。
[0040] 在升降机系统的运行期间，系统的不同组件受到内部和外部扰动，例如由于风导 致的摇摆，从而导致组件的横向运动。组件的这样的横向运动能够导致需要对其进行测量 的升降机绳索的摇摆。因此，一个或一组摇摆传感器120能够被布置在升降机系统中以确 定升降机绳索的横向摇摆。
[0041] 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被构造为感 测与摇摆传感器的位置关联的摇摆位置处的升降机绳索的横向摇摆。
[0042] 然而，在各种实施方式中，传感器能够被布置在不同的位置，从而适当地感测和/ 或测量摇摆位置。传感器的实际位置能够依赖于所使用的传感器的类型。例如，摇摆传感 器能够是任何运动传感器（例如，光束传感器）。
[0043] 在一个实施方式中，第一摇摆传感器被布置在对应于初始绳索构造（即，没有绳 索摇摆）的绳索的自然位置处。其它摇摆传感器被布置为远离该自然位置并且处于与第一 摇摆传感器相同的高度。
[0044] 在升降机系统的运行期间，确定摇摆的位置并且将其发送给摇摆测量估计单元 140 (122)。摇摆单元140确定升降机绳索的摇摆的状态（例如，摇摆的幅度和速度）。摇 摆单元能够仅基于摇摆测量来确定摇摆的状态。在替选实施方式中，摇摆单元使用摇摆测 量和升降机系统的模型来确定摇摆的状态。各种实施方式使用不同的逆模型，例如，包括绳 索、滑轮和轿厢的升降机系统的逆模型，同样地，各种实施方式使用用于从测量估计绳索摇 摆的各种估计方法。
[0045] 在图IA的系统中，利用安装在升降机轿厢12的顶部上并且可操作地连接到升降 机绳索的半主动阻尼器致动器130控制绳索摇摆，从而半主动阻尼器能够将衰减力施加到 升降机绳索。由控制单元150控制致动器130,该控制单元150计算半主动阻尼器的衰减系 数的幅度以改变施加到升降机绳索的衰减力。控制单元还确定衰减力启用的时间和衰减力 关闭的时间。切换的时序是基于从摇摆单元140获得的绳索摇摆测量。
[0046] 在图IA的实施方式中，半主动阻尼器将衰减力施加到主升降机绳索。然而，在不 同的实施方式中，半主动阻尼器的布置变化并且衰减力被施加到不同的升降机绳索。另外， 在一些实施方式中，使用多个半主动阻尼器来将衰减力施加到相同或不同的升降机绳索。
[0047] 例如，图IB示出了根据另一实施方式的升降机系统的示意图。在该实施方式中， 利用安装在升降机轿厢12的底部上的半主动阻尼器致动器131来控制绳索摇摆。
[0048] 图IC示出了根据另一实施方式的升降机系统的示意图。在该实施方式中，利用安 装在升降机对重14的顶部上的半主动阻尼器致动器132来控制绳索摇摆。
[0049] 图ID示出了根据另一实施方式的升降机系统的示意图。在该实施方式中，利用安 装在升降机对重14的底部上的半主动阻尼器致动器133来控制绳索摇摆。
[0050] 图IE示出了半主动阻尼器致动器134的布置的示意图。半主动阻尼器134连接 到升降机轿厢12的轿厢顶并且以离开升降机轿厢的距离160连接到升降机绳索17。半主 动阻尼器能够固定或可移动地附接到升降机绳索。当升降机绳索振荡时，半主动阻尼器在 与升降机绳索的运动的方向相反的方向上施加衰减力并且对升降机绳索的振荡进行衰减。
[0051] 基于模型的控制设计
[0052] 图2示出了升降机系统的模型200的示例。模型200基于图IA中所示的升降机 系统的参数。能够类似地推导出其它升降机系统的参数和模型。能够使用各种方法来根据 升降机系统的模型模拟升降机系统的操作，例如，模拟由摇摆传感器220感测到的由于操 作升降机系统引起的升降机绳索的实际摇摆212。
[0053] 各种实施方式能够使用升降机系统的不同模型来设计控制规则。例如，一个实施 方式基于牛顿第二定律来执行建模。例如，升降机绳索被建模为弦，并且升降机轿厢和对重 被分别建模为刚性体230和250。
[0054] 在一个实施方式中，根据下式利用任意差分方程（ODE)来确定利用半主动阻尼器 致动器控制的升降机系统的模型

【权利要求】
1. 一种控制升降机系统的操作的方法，所述方法包括：接收在所述升降机系统的操作期间确定的升降机绳索的摇摆的幅度和所述升降机绳 索的摇摆的速度；以及响应于该接收，根据所述摇摆的幅度和速度的函数修正连接到所述升降机绳索的半主 动阻尼器致动器的衰减系数，其中，所述方法的步骤由处理器执行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正是根据所述函数的符号来进行的。
3. 根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括： 确定控制规则，所述控制规则使得所述升降机系统的状态稳定，其中，所述控制规则基 于所述函数确定所述衰减系数的值，使得所述衰减系数的值确保控制李雅普诺夫函数的导 数的负定。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则被确定为使得所述半主动阻尼器 致动器的衰减系数的值与所述升降机绳索的摇摆的幅度成比例。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则基于函数的符号确定衰减系数的 值的切换条件。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则基于所述升降机绳索的摇摆的幅 度与所述升降机绳索的摇摆的速度的乘积的符号分配所述半主动阻尼器致动器的衰减系 数的值。
7. 根据权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括： 基于没有外部扰动的所述升降机系统的模型确定针对所述升降机系统的控制规则；以 及利用扰动去除分量修正控制规则以强制所述李雅普诺夫函数的导数在存在外部扰动 的情况下为负定。
8. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则U(X)包括
其中，u_min是表示所述半主动阻尼器致动器的最小衰减系数的正常数，并且u_max是 表示所述半主动阻尼器致动器的最大衰减系数的正常数，?^(仏尔，并且是表示假设 的模式及假设的模式的时间导数的拉格朗日变量，并且(^、P是所述升降机系统的模型的 系数。
9. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则U(X)包括
其中，x=(g,办并且％4:是表示假设的模式及假设的模式的时间倒数的拉格朗日变量，k是小于u_max的正反馈增益，u_min是表示所述半主动阻尼器致动器的最小衰减系数 的正常数，u_max是表示所述半主动阻尼器致动器的最大衰减系数的正常数，并且<：〕、P是 所述升降机系统的模型的系数。
10. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制规则U(X)包括 U (X) = U_ {nom} (X) +V (X)其中
其中，X=Ol,.并且是表示假设的模式及所述假设的模式的时间倒数的拉格朗日 变量，并且$、€、e是正增益，是从所述升降机系统的模型获得的系数，F_{max}表 示扰动F(t)和歹的上限，并且U_{nom}表示没有扰动的情况下的控制规则并且符号函数为
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半主动阻尼器致动器被布置在升降机轿厢 的顶部与主绳索之间，或者布置在对重的顶部与所述主绳索之间。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半主动阻尼器致动器被布置在升降机轿厢 的底部与补偿绳索之间，或者布置在对重的底部与所述补偿绳索之间。
13. -种升降机系统，所述升降机系统包括： 升降机轿厢和所述升降机轿厢的对重；升降机绳索，所述升降机绳索连接到所述升降机轿厢或连接到所述对重；半主动阻尼器致动器，所述半主动阻尼器致动器连接到所述升降机绳索；摇摆单元，所述摇摆单元用于确定升降机绳索的摇摆的幅度和所述升降机绳索的摇摆 的速度；以及控制单元，所述控制单元用于根据所述升降机绳索的摇摆的幅度和速度的函数确定所 述半主动阻尼器致动器的衰减系数。
14. 根据权利要求13所述的升降机系统，其中，所述控制单元根据所述函数的符号确 定所述哀减系数。
15. 根据权利要求13所述的升降机系统，其中，所述控制单元根据使得所述升降机系 统的状态稳定的控制规则确定所述衰减系数，其中，所述控制规则基于所述函数确定所述 衰减系数的值，使得所述衰减系数的值确保了控制李雅普诺夫函数的导数的负定。
16. 根据权利要求15所述的升降机系统，其中，所述控制规则被确定为使得所述半主 动阻尼器致动器的所述衰减系数的值与所述升降机绳索的摇摆的幅度成比例。
17. 根据权利要求15所述的升降机系统，其中，所述控制规则基于所述函数的符号确 定所述衰减系数的值的切换条件。
18. 根据权利要求15所述的升降机系统，其中，所述控制规则基于所述升降机绳索的 摇摆的幅度与所述升降机绳索的摇摆的速度的乘积的符号分配所述半主动阻尼器致动器 的所述衰减系数的值。
19. 根据权利要求15所述的升降机系统，其中，所述控制规则包括扰动去除分量，用于 强制所述李雅普诺夫函数的导数在外部扰动的情况下为负定。
20. -种控制单元，所述控制单元用于控制连接到升降机系统的升降机绳索的半主动 阻尼器致动器的操作，所述控制单元包括： 处理器，所述控制器用于根据升降机绳索的摇摆的幅度和所述升降机绳索的摇摆的速 度的函数确定所述半主动阻尼器致动器的衰减系数。
【文档编号】B66B7/06GK104340810SQ201410347377
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2013年7月23日
【发明者】M·本诺斯曼 申请人:三菱电机株式会社