超高速電梯轎廂橫向振動控制研究.pdf

1、隨著電梯速度的提高，由導(dǎo)軌和空氣激勵引起的電梯轎廂橫向振動也越來越大。研究表明，當(dāng)超高速電梯運(yùn)行速度超過一定值后，轎廂橫向振動就無法滿足乘坐舒適性的要求。抑制轎廂橫向振動，除了采用被動控制策略外，研究人員也提出了各種主動振動控制策略以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中主動滾動導(dǎo)靴(ActiveRollerGuides:ARG)和轎廂主動減震器(CabinActuator:CA)是兩種主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是有關(guān)這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性卻很少進(jìn)行深入地橫向比較研究

2、。同時(shí)由于主被動控制之間存在耦合關(guān)系，因此在給定被動控制的情況下，再進(jìn)行主動控制器優(yōu)化的順序設(shè)計(jì)方法不能保證得到最優(yōu)的閉環(huán)系統(tǒng)；只有采用系統(tǒng)級的集成設(shè)計(jì)方法才能以最小控制代價(jià)得到最優(yōu)系統(tǒng)性能。 轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，存在一系列Pareto最優(yōu)解，傳統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)方法常采用加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問題，并在精心選擇權(quán)值的基礎(chǔ)上，通過多次運(yùn)行求解出多個Pareto最優(yōu)解，這大大增加了計(jì)算的強(qiáng)度和復(fù)雜性

3、。 本文首先建立將導(dǎo)軌位移作為顯式激勵的轎廂橫向振動狀態(tài)方程，并給出以系統(tǒng)性能(轎廂振動)和控制代價(jià)的H2范數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)的轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)模型，對導(dǎo)靴和支撐橡膠的剛度和阻尼及主動控制器進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化。然后，根據(jù)控制器形式的不同將轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)方法分為兩類：具有固定結(jié)構(gòu)控制器和最優(yōu)控制器的集成設(shè)計(jì)方法。采用基于帶約束非劣解排序策略的多目標(biāo)遺傳算法(Multi-obiectiveGeneticAlgorithm:MO

4、GA)來求解具有固定結(jié)構(gòu)控制器的集成設(shè)計(jì)問題，不需要確定目標(biāo)權(quán)值。而對于具有最優(yōu)控制器的集成設(shè)計(jì)問題，則創(chuàng)新性地采用改進(jìn)的進(jìn)化動態(tài)加權(quán)算法(EvolutionaryDynamicWeightingAlgorithm：EDWA)和線性矩陣不等式(LinearMatrixInequalities:LMI)的組合策略；在該方法中，目標(biāo)權(quán)值隨著進(jìn)化代數(shù)的變化而變化。這兩種方法都可以一次運(yùn)行就求解出均布的Pareto最優(yōu)解集。 結(jié)果表明，

5、集成設(shè)計(jì)方法得到的轎廂橫向振動主被動控制系統(tǒng)能夠有效地抑制轎廂廂體地板加速度，使超高速電梯的轎廂橫向振動在很廣的速度范圍內(nèi)都能滿足乘坐舒適性的要求。在此基礎(chǔ)上，深入研究了采用ARG和CA作為主動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轎廂橫向振動控制系統(tǒng)的特性，討論了不同控制策略、控制器階次等對系統(tǒng)性能的影響。具體內(nèi)容如下： (1)建立采用ARG作為主動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和具有固定結(jié)構(gòu)控制器的轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)模型，并采用MOGA算法來求解上述集成設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)

6、結(jié)果表明，集成設(shè)計(jì)方法可以求出最優(yōu)的主被動控制組合，從而獲得比初始設(shè)計(jì)更優(yōu)的系統(tǒng)性能；ARG采用sky-hook阻尼策略控制器(0階控制器)就可以得到最優(yōu)的系統(tǒng)性能和控制代價(jià)的Pareto前沿，再提高主動控制器階次并不能顯著地改善ARG抑制轎廂振動的效率；但是，采用該控制器的ARG無法有效地抑制由空氣激勵引起的轎廂異相振動模態(tài)。轎架上下都安裝ARG的轎廂系統(tǒng)振動抑制效率要優(yōu)于僅在轎架底部安裝ARG的系統(tǒng)。 (2)建立采用ARG作

7、為主動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和具有H2最優(yōu)控制器的轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)模型，并采用改進(jìn)EDWA和LMI的組合策略來求解上述集成設(shè)計(jì)問題。在控制器設(shè)計(jì)中采用廂體加速度反饋。設(shè)計(jì)結(jié)果表明該集成設(shè)計(jì)方法的有效性；采用該方法得到的以ARG作為主動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轎廂橫向振動閉環(huán)控制系統(tǒng)，對導(dǎo)軌和空氣激勵引起的振動都具有較好的抑制特性。 (3)建立采用CA作為主動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和具有固定結(jié)構(gòu)控制器的轎廂橫向振動控制集成設(shè)計(jì)模型，并采用MOGA算法求解該集成設(shè)計(jì)

8、問題。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，只需在廂體底部安裝CA就可以滿足振動控制的要求；1階控制器的閉環(huán)系統(tǒng)控制效率要高于采用sky-hook阻尼策略控制器(0階控制器)，但是再提高控制器的階次，系統(tǒng)控制效率并不能得到改善。由于傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的不同，采用CA作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轎廂橫向振動控制系統(tǒng)要比采用ARG的系統(tǒng)具有更好的振動抑制效果。 (4)轎廂橫向振動試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)和ARG性能實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)轎廂橫向振動的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了轎廂橫向振動模擬試驗(yàn)臺。實(shí)