高速电梯轿厢系统横向振动非线性控制研究

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电梯作为高层建筑必不可少的组成部分,为满足高层建筑的需求,正朝着高速度和高舒适度方向发展。电梯速度提升势必会引起一系列问题,最主要的问题之一是振动加剧使得电梯乘坐舒适度下降。因此,探索优秀的控制方法来抑制电梯振动势在必行。本课题利用主动导靴的控制作用,针对高速电梯轿厢系统横向振动的非线性控制问题进行研究。为了建立符合工程实际的轿厢系统动力学模型,研究了振动系统模型(包括:导靴模型、导轨激励模型、轿厢水平振动模型)简化方法,基于刚体动力学理论,建立了轿厢横向振动动力学模型。通过MATLAB软件对所建轿厢系统模型进行仿真,分析得到了轿厢横向振动的时域和频域仿真数据。在120m高速电梯试验塔上对4m/s高速电梯实梯进行了轿厢振动加速度数据采集工作,并与仿真数据进行了对比分析。数据分析表明,所建模型振动响应与实梯振动幅值较高的范围都集中在0~10Hz,轿厢横向振动加速度均值和均方根值的相对误差分别为4.63%和2.05%,模型拟合优度的决定系数为0.7253>0.4。结果显示,所建立的轿厢系统动力学模型可以较好的反应实梯轿厢振动响应特点。针对主动导靴模型参数难以精确得到以及导轨不平度激励的问题,基于已提出的主动导靴动力学模型,研究了基于模糊控制理论的主动导靴簧上质量振动控制方法。基于模糊控制理论,将主动导靴簧上质量振动加速度、簧上质量振动速度作为输入量划分了七个变量档次的模糊控制规则,同时进行了模糊和去模糊化处理,共同组成了模糊控制器。在导轨阶跃激励和导轨随机不平度激励作用下,对被动控制导靴和模糊控制主动导靴进行了仿真对比分析,结果表明,在两种导轨激励下,簧上质量的振动加速度均方根值(RMS)分别降低了26.2%和30.1%,因此,采用模糊控制方法可以起到显著抑制主动导靴簧上质量振动的作用。进一步,为了实现在不需要得知控制模型精确物理参数的条件下对轿厢系统进行振动控制,针对所建立的轿厢横向振动动力学模型,提出了应用自抗扰控制的方法对高速电梯轿厢振动进行主动控制。为了简化控制参数设计难度,通过仿真对比分析了非线性扩张状态观测器和线性扩张状态观测器的扰动观测性能,结果显示线性扩张状态观测器可以达到非线性扩张状态观测器相同的观测效果,且兼顾了参数调整简单易行的优点。随后,验证了主动导靴的动行程满足导靴机械结构的行程约束,并且对满载和空载时自抗扰控制和被动控制下的轿厢振动加速度进行了仿真对比分析,结果显示,空载和满载时轿厢水平振动加速度均方根值(RMS)分别降低了38.2%和53.2%,证明了自抗扰控制器的有效性和鲁棒性。轿厢系统模型不仅存在参数未知的问题,而且作动器输出非线性的存在还会减弱甚至恶化主动导靴的控制效果。为了解决这些问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的自适应控制算法来提高主动导靴控制精度,进而更好的抑制轿厢横向振动。所提出的控制算法将系统不确定性及非理想因素划分为结构不确定性(元件参数,载荷)和非结构不确定性(作动器非线性、外部扰动、未建模动态),通过自适应率在线估计系统的结构不确定性参数,并把无法估计的非结构不确定参数(作动器非线性项、气流扰动)的集总效应看作系统的扩张状态,用所设计的ESO对其进行观测并补偿,保证了控制过程的全局鲁棒性。用类李雅普诺夫函数进行严格的数学分析,证明了系统的稳定性。最后,用两种典型的导轨激励信号仿真验证所提出的控制方法相比传统鲁棒控制算法可以显著提高主动导靴的控制性能,并对比分析了实梯试验数据与导轨随机激励下轿厢横向振动仿真数据。结果显示,所提出的控制算法相比传统鲁棒控制对轿厢横向振动加速度控制效果更加显著。
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