高速電梯水平振動(dòng)主動(dòng)控制研究

■甘若淵 ■亞洲富士長林電梯有限公司，江西 新余 338000

1 引言

伴隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，大部分建筑安裝了電梯給人們的生活帶來很大方便。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展城市中的高樓拔地而起，其中高速電梯成為這些大廈不可或缺的部分。對(duì)高速電梯水平振動(dòng)問題的研究對(duì)提高高速電梯的運(yùn)行安全和乘客的舒適度具有重要意義。本文針對(duì)高樓中高速電梯水平振動(dòng)問題進(jìn)行了研究，分析了電梯導(dǎo)軌對(duì)各導(dǎo)靴的作用力，接著采用主動(dòng)控制策略對(duì)高速電梯進(jìn)行模糊電氣控制，建立了控制模型并進(jìn)行了仿真分析。

2 電梯導(dǎo)軌對(duì)各導(dǎo)靴的作用力分析

高速電梯是非常復(fù)雜的多體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，電梯橋廂發(fā)生水平振動(dòng)的誘因有很多種，其中電梯的導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)電梯的水平振動(dòng)影響最大。電梯的導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)靴和導(dǎo)軌兩部分組成，導(dǎo)靴一般安裝在電梯導(dǎo)軌支架的兩側(cè)，高速電梯的導(dǎo)靴一般使用滾動(dòng)式導(dǎo)靴。

圖1 高速電梯結(jié)構(gòu)圖

研究表明高速電梯的水平振動(dòng)幅度和電梯的速度成正比例關(guān)系，并且在高速電梯中導(dǎo)軌的激勵(lì)狀態(tài)是影響電梯振動(dòng)的關(guān)鍵因素之一。高速電梯中導(dǎo)軌對(duì)電梯橋廂的激勵(lì)主要受電梯導(dǎo)軌的彎曲程度、施工工藝誤差和接頭間隔距離等因素影響。在對(duì)高速電梯的水平振動(dòng)問題進(jìn)行仿真時(shí)，一般會(huì)在電梯橋廂上加上短脈沖、階躍、三角等激勵(lì)，這種仿真方式有較高的仿真效果，但是依然存在很多問題需要改進(jìn)。本文針對(duì)現(xiàn)階段高速電梯水平振動(dòng)仿真存在的問題同時(shí)兼顧模型的實(shí)用性，將電梯系統(tǒng)中的導(dǎo)靴、橋架、導(dǎo)軌的彎曲和不平整度等因素考慮在內(nèi)，并且將導(dǎo)軌激勵(lì)引入到電梯水平振動(dòng)的模型中，這樣縮小了各種類型激勵(lì)對(duì)電梯水平振動(dòng)的影響，建立起比較完善的電梯橋廂水平振動(dòng)模型。因?yàn)楦咚匐娞莶捎脻L動(dòng)導(dǎo)靴，因此高速電梯的導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)靴屬于滾動(dòng)接觸并且兩者之間會(huì)產(chǎn)生Herta 接觸力。根據(jù)Kaler 博士提出的三維接觸滾動(dòng)理論可知，電梯的導(dǎo)軌和導(dǎo)靴接觸點(diǎn)的位移值和該點(diǎn)受到的力的方向有關(guān)，從而可以建立導(dǎo)軌和導(dǎo)靴的接觸模型，如圖2 所示，

圖2 高速電梯導(dǎo)軌和導(dǎo)靴的接觸模型

通過上圖2 可知，高速電梯的導(dǎo)靴受力方向是沿著z 方向的，并且電梯導(dǎo)軌和導(dǎo)靴之間的接觸面上單位長度所受到的力可通過下式(1)計(jì)算出來

上式(1)中L 代表圓柱體軸線方向的長度，F(xiàn) 代表圓柱體上受到的總負(fù)荷。

3 高速電梯水平振動(dòng)主動(dòng)電氣控制設(shè)計(jì)

根據(jù)上文中高速電梯導(dǎo)靴和導(dǎo)軌接觸的模型，本文設(shè)計(jì)了基于液壓作動(dòng)器的電梯主動(dòng)導(dǎo)靴，然后采用模糊控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的主動(dòng)電氣控制達(dá)到降低高速電梯水平振動(dòng)的目的。如下圖3 所示為液壓主動(dòng)導(dǎo)靴導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)圖，以液壓油缸為主動(dòng)導(dǎo)靴的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓油缸安裝在導(dǎo)靴支架與導(dǎo)輪的支撐搖臂之間，替代被動(dòng)導(dǎo)靴中的減振彈簧。以高速開關(guān)閥作為控制閥，通過閥的開啟和關(guān)閉來控制油缸內(nèi)的油壓。系統(tǒng)的控制機(jī)理為恒壓力控制，當(dāng)電梯沿著平直的理想導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)，可以通過液壓裝置保證導(dǎo)輪與導(dǎo)軌的緊密接觸，同時(shí)使電梯轎廂免受導(dǎo)軌不平度的影響而達(dá)到減振的目的。為了吸收及消除壓力脈動(dòng)，提高液壓系統(tǒng)的性能，每一液壓油缸連接了一個(gè)蓄能器。

圖3 液壓主動(dòng)導(dǎo)靴導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)圖

本文在采用液壓主動(dòng)導(dǎo)靴減緩高速電梯振動(dòng)的基礎(chǔ)上采用模糊控制算法對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制從而進(jìn)一步減低電梯水平振動(dòng)程度。因?yàn)橐簤嚎刂葡到y(tǒng)屬于非線性的控制系統(tǒng)，一般的控制方法不能取得較好的效果，而模糊算法可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出變量的模糊化，并且具有良好的魯棒性能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的有效控制。

模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟主要分為以下幾步:

(1)選擇輸入變量、輸出變量

輸入變量是被控對(duì)象的實(shí)際輸出值與給定值的偏差和偏差的變化率。它們是自然語言，不是數(shù)值變量。所以可以將其看著“模糊”的。輸入變量為偏差和偏差的變化，輸出變量為控制量，構(gòu)成二維模糊控制器。

(2)確定輸入輸出變量的論域范圍，計(jì)算量化因子以及比例因子

確定偏差、偏差的變化以及控制量的基本論域，例如如果控制量的基本論域?yàn)椋?50，50］、［-150，150］和［-64，64］，而它的模糊論域?yàn)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，那么它的量化因子和比例因子可知分別為:

(3)語言變量值的正確選取

綜合考慮各方面因素，每個(gè)語言變量一般選4—10 個(gè)值，考慮到各個(gè)變量的正、負(fù)性，對(duì)于偏差、偏差的變化率和控制量的變化這些語言變量，通常采用目前比較通用的語言量，即“NB”“NM”、“NS”、“ZO”、“PS”、“PM”、“PB”來表示。結(jié)合各個(gè)量的偏差、各個(gè)量的偏差的變化率、各個(gè)控制量的變化表示成各自的模糊集。

(4)制定模糊控制規(guī)則

確定賦值表就定義了模糊子集，也就是確定了模糊子集隸屬度函數(shù)曲線的形狀。通過離散該曲線，獲得了不同點(diǎn)的隸屬度，這些不同的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不同的模糊變量就構(gòu)成了模糊子集。

(5)模糊控制查詢表的生成

模糊控制查詢表的生成包括五個(gè)方面:計(jì)算偏差以及偏差變化對(duì)應(yīng)的語言值隸屬度、查找被激活的模糊控制規(guī)則、計(jì)算被激活規(guī)則的前件滿足度、計(jì)算輸出模糊集合、解模糊。

圖4 液壓主動(dòng)導(dǎo)靴導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)圖

通過模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟對(duì)高速電梯液壓導(dǎo)靴的控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如圖4 所示結(jié)構(gòu)圖在上圖4 中p 代表液壓執(zhí)行器的油壓，代表執(zhí)行器油壓的導(dǎo)數(shù)，兩者作為作為模糊控制器輸入量，以高速開關(guān)閥的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比作為輸出量。

4 控制仿真分析

本文采用matlab 軟件液壓主動(dòng)導(dǎo)靴及其模糊控制模型進(jìn)行仿真，在進(jìn)行仿真時(shí)將電梯的速度設(shè)定為3.5m/s 并且將電梯橋廂底部中心的水平振動(dòng)加速度作為觀測(cè)值。通過仿真對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用被動(dòng)導(dǎo)靴控制時(shí)振動(dòng)平均加速度為0.277m/s2，方均根值為0.091m/s2，而采用主動(dòng)導(dǎo)靴控制時(shí)振動(dòng)的平均加速度為0.157m/s2，方均根值為0.052m/s2，與被動(dòng)控制相比平均加速度降低了43.7%。

通過對(duì)比可知采用主動(dòng)控制策略能夠有效降低高速電梯的水平振動(dòng)。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展高速電梯在高層樓宇中獲得了廣泛使用，本文首先分析了電梯導(dǎo)軌對(duì)各導(dǎo)靴的作用力，然后設(shè)計(jì)了液壓主動(dòng)導(dǎo)靴并采用模糊控制器進(jìn)行控制，最后通過仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用液壓主動(dòng)控制能夠有效降低電梯的水平振動(dòng)幅度。

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