用于控制一組半有源致動器的系統和方法

用于控制一組半有源致動器的系統和方法
【專利摘要】一組半有源致動器布置在電梯系統中，用于補償電梯轎廂的震動。基于測量信號根據控制策略控制致動器，測量信號包括在電梯系統運行期間測得的參數的值。基于電梯系統的模型確定控制策略，其中，所述控制策略包括表示電梯系統的運行的態函數和表示這組半有源致動器的運行的位移函數。使用電梯系統的模型，將所述態函數近似為表示震動的參數的第一函數。使用電梯系統的模型，將所述位移函數近似為參數的第二函數。
【專利說明】用于控制一組半有源致動器的系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及控制一組半有源致動器，更特別地，涉及控制一組半有源致動 器以減少遭受干擾的系統中的震動。

【背景技術】
[0002] 出于包括系統的安全和能源效率的多種原因，減少機械系統中的震動是重要的。 特別地，各種運輸系統中的震動直接與行駛品質和乘客安全相關，因此應該被減少。例如， 可通過通常被稱為懸掛系統的有源或無源減震系統來控制車輛中的垂直震動。類似地，可 減少電梯系統運行期間引起的震動。
[0003] 電梯系統通常包括轎廂、轎架、輥引導組件和導軌。輥引導件用作減少電梯轎廂震 動的懸掛系統。轎廂和輥引導件安裝在轎架上。轎廂和轎架在引導輥的限制下沿著導軌移 動。當電梯足夠快地移動時，導軌的高度變化或彎曲可引起轎架和轎廂中的明顯側向震動。
[0004] 可通過各種類型的懸掛系統減少由例如導軌變形引起的震動。通常，存在無源、半 有源和有源類型的懸掛系統。無源懸掛系統具有不理想的行駛品質。有源懸掛系統使用單 獨的致動器，所述致動器可對懸掛施加獨立的力以改進行駛并且可提供用于減少震動的期 望性能。有源懸掛系統的缺點是高成本、復雜度和質量增加并且需要維護。
[0005] 半有源懸掛系統提供系統成本和系統性能之間的更好權衡。半有源致動器允許調 節諸如粘性阻尼系數或剛性的參數，并且可用于減少震動，并且因為這種致動器僅僅耗散 能量所以是可靠的。
[0006] 例如，美國專利5, 289, 902中描述的一種系統使用諸如液壓致動器的半有源致 動器減少電梯的側向震動。該系統通過控制螺線管中的可移動孔杠桿來調節致動器的阻 尼系數。然而，因為沒有控制機構，所以能實現的性能會受到限制，另外參見美國專利公開 2009/0294222。在另一個示例中，使用震動阻尼器減少汽車轉向系統的軸向和旋轉震動，參 見美國專利6, 752, 425。控制器通過比較來自轉向輪震動傳感器的信號值與預定閾值來啟 用或停用震動阻尼器。在美國專利公開10/574653和美國專利7, 543, 686中還描述了使用 具有可變剛性的半有源致動器。
[0007] 美國專利5, 712, 783公開了根據天棚阻尼控制汽車負荷平衡懸掛（即，打開和關 閉半有源）的減震方法。該方法使用相對位置傳感器得到相對速率，這是困難的并且造成 不必要的系統成本。
[0008] 傳統的半有源減震需要測量半有源致動器的端部之間的相對速率。相對速率對于 確定打開和關閉半有源致動器的時間至關重要，確定打開和關閉半有源致動器的時間與減 震性能直接關聯。
[0009] 遺憾的是，測量相對速率增加了成本，降低了系統的可靠性。另外，測量相對速率 是困難的，有時是不可能進行的。


【發明內容】

[0010] 本發明的一些實施方式的目的是提供用于控制布置在系統中的一組半有源致動 器以補償一組干擾的系統和方法。這種系統和方法應該適于大范圍的遭受至少一種外部干 擾的半有源懸掛系統，所述半有源懸掛系統可應用于各種結構和諸如汽車行業或電梯行業 的行業。
[0011] 一些實施方式的其它目的是提供在使測量系統的運行參數的傳感器的最少的同 時優化半有源致動器的控制的這種系統和方法。本發明的各種實施方式確定半有源致動器 的控制策略。在一些實施方式中，半有源懸掛系統被表不為塊體 -彈簧-阻尼模型。為了 使測得的參數的數量最少，一些實施方式對最佳控制進行近似，例如，基于表示系統震動的 參數來估計一些參數。參數的示例是塊體加速度，諸如，電梯系統中的電梯轎架或電梯轎廂 的加速度。
[0012] 各種實施方式基于所述系統的模型確定控制策略。例如，控制策略可包括表示系 統的運行的態函數和表示一組半有源致動器的運行的位移函數。態函數的示例包括有關系 統的各種塊體的加速度、速率和位置。位移函數的示例包括致動器的端部之間的相對位置 或速率。
[0013] 本發明的各種實施方式是基于可基于系統的模型對用于控制一組半有源致動器 的控制策略進行近似的實現方式。例如，在用于電梯系統的一個實施方式中，基于電梯系統 模型將控制策略的函數近似為表示電梯系統震動的參數的函數。在這個實施方式中，可基 于測量信號根據控制策略控制震動，測量信號包括在電梯系統運行期間測量的參數的值。
[0014] 另外，一些實施方式利用可被一致地控制的一組半有源致動器并因此基于該一致 性可簡化系統模型的另一種實現方式。因此，一些實施方式將系統表示為虛擬系統的模型， 該虛擬系統具有被布置成補償虛擬干擾的單個虛擬半有源致動器。虛擬半有源致動器表示 一組半有源致動器。
[0015] 例如，虛擬半有源致動器的補償力表示一組半有源致動器的補償力。類似地，虛擬 干擾表示這組干擾的組合。這種實現方式允許定義虛擬半有源致動器的控制策略，根據虛 擬半有源致動器的控制策略一致地控制一組半有源致動器中的各致動器。
[0016] 在一些實施方式中，基于虛擬系統模型，對優化成本函數的控制策略進行近似，控 制函數是由諸如塊體加速度的虛擬系統的運行參數來表征的。根據最佳控制策略，打開和 關閉虛擬半有源致動器，因此，即依賴地打開和關閉半有源致動器。
[0017] 然而，即使是虛擬半有源致動器，最佳控制策略也會難以實現，這是因為最佳控制 策略的解析表達式會難以得到。因此，一些實施方式還在保留其機構的同時對控制策略進 行近似，這樣確保了所得控制系統的高性能。
[0018] 因此，一個實施方式公開了一種用于控制一組半有源致動器的方法，所述一組半 有源致動器布置在電梯系統中以補償在電梯系統運行期間由一組干擾造成的電梯轎廂的 震動。該方法包括：基于所述電梯系統的模型，確定用于控制所述一組半有源致動器的控 制策略，其中，所述控制策略包括表示所述電梯系統的運行的態函數和表示所述一組半有 源致動器的運行的位移函數；使用所述電梯系統的模型，將所述態函數近似為表示震動的 參數的第一函數；使用所述電梯系統的模型，將所述位移函數近似為所述參數的第二函數； 基于所述參數的測量信號根據所述控制策略控制所述一組半有源致動器。由處理器執行所 述方法的步驟。
[0019] 另一個實施方式公開了 一種電梯系統，該電梯系統包括：電梯轎廂，其布置在所述 電梯系統中，用于在所述電梯系統運行期間沿著電梯軸移動；傳感器，其用于測量表示在所 述運行期間所述電梯轎廂的震動的參數，所述傳感器產生測量信號；一組致動器，其用于補 償所述電梯轎廂的震動；控制器，其用于根據基于所述測量信號和虛擬半有源致動器的控 制策略所確定的控制信號，一致地控制所述一組半有源致動器，其中，所述虛擬半有源致動 器的補償力表示所述一組半有源致動器的補償力。
[0020] 又一個實施方式公開了一種用于控制一組半有源致動器的方法，所述一組半有源 致動器布置在系統中以沿著干擾的方向補償一組干擾，該方法包括：將所述系統表示為虛 擬系統的模型，所述虛擬系統具有被布置成沿著所述干擾的方向補償虛擬干擾的單個虛擬 半有源致動器，其中，所述虛擬半有源致動器的補償力表示所述一組半有源致動器的補償 力，其中，所述虛擬干擾表示所述一組干擾的組合；根據所述虛擬半有源致動器的控制策 略，控制所述一組半有源致動器中的各致動器。
[0021] 例如，實施方式的一些變形形式控制一組半有源致動器，以只基于表不電梯系統 的轎架或轎廂的加速度的參數的測量來補償一組干擾。一些實施方式通過以下步驟提供近 似：將位移函數作為獨立變量處理，允許以其右手側是其自身和未知變量的函數的態方程 形式推導獨立變量的模型。可通過多種方法（例如，對傳輸系統施加對稱假設）或導致獨 立變量的確定性模型的模型簡化技術，來消除獨立變量的模型對未知變量的依賴性。在一 個實施方式中，當半有源致動器是阻尼器時，位移函數是半有源致動器的相對速率。
[0022] -些實施方式提供了使用具有可調阻尼系數的多個半有源致動器減少遭受干擾 的電梯系統的側向震動的控制方法。控制方法的各種實施方式只需要測量轎架加速度。特 別地，一個實施方式需要測量在六個方向上的沿著轎架的平移加速度和角加速度。
[0023] 另一個實施方式只需要測量前后方向和左右方向上的兩個平移加速度。該實施方 式造成半有源電梯懸掛，這樣可在不犧牲中頻的減震性能的情況下，減少低頻下的峰值諧 振。因此，克服了傳統無源構造造成的根本限制，提高行駛品質。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1A是根據本發明的一些實施方式的控制方法的框圖；
[0025] 圖1B是根據本發明的一些實施方式的控制方法的框圖；
[0026] 圖1C是根據本發明的一些實施方式的控制方法的框圖；
[0027] 圖2是根據本發明的一些實施方式的確定包括虛擬致動器的虛擬系統的模型的 示意圖；
[0028] 圖3A是根據本發明的一些實施方式的確定虛擬致動器的近似控制的方法的框 圖；
[0029] 圖3B是根據本發明的一些實施方式的確定虛擬致動器的近似控制的方法的框 圖；
[0030] 圖4是根據本發明的一些實施方式的用于控制策略的近似的濾波器的系統的框 圖；
[0031] 圖5是根據本發明的一些實施方式的濾波器的框圖；
[0032] 圖6是根據本發明的一些實施方式的半有源減震系統的控制系統的框圖；
[0033] 圖7是遭受外部干擾的半有源減震系統的示例性模型；
[0034] 圖8是遭受兩種外部干擾的半有源減震系統的示例性模型；
[0035] 圖9是根據本發明的一些實施方式的電梯系統的示意圖；
[0036] 圖10是根據本發明的一些實施方式的具有安裝在中心輥上的半有源致動器的輥 引導組件的示意圖；
[0037] 圖11是圖9的電梯系統的干擾的示意圖；以及
[0038] 圖12是被構造用于圖9的電梯系統的圖6的估計器的框圖。

【具體實施方式】
[0039] 本發明的各種實施方式公開了適于控制具有半有源致動器的系統的系統和方法。 一些實施方式致力于在干擾的方向上遭受至少一種外部干擾的懸掛系統，控制至少一個半 有源致動器以減少因對應干擾引起的塊體之一的震動。
[0040] 出于清晰的目的，本公開的重點放在使用半有源致動器減少因一個方向上的干擾 引起的震動的系統的控制方法，該系統遭受該方向上的外部干擾。可通過容易地歸納公開 的控制方法推導出減少多個方向上的震動的控制方法。
[0041] 在給定一組干擾和一組半有源致動器的情況下，本發明的一些實施方式將該系統 表示為具有被布置成補償虛擬干擾的單個虛擬半有源致動器的虛擬系統的模型。例如，虛 擬半有源致動器的補償力表示這組半有源致動器的補償力，虛擬干擾表示這組干擾的組 合。在各種實施方式中，這種表示是基于假設半有源致動器是一致的，即，所有半有源致動 器以類似方式運行并且受到控制。
[0042] 在本發明的各種實施方式中，半有源致動器的控制是根據最佳控制理論推導出的 并且是基于系統的模型。在一些實施方式中，用虛擬系統的模型表示系統的模型。例如，一 個實施方式根據虛擬半有源致動器的最佳控制策略一致地控制這組半有源致動器中的每 個致動器。具體地，一些實施方式是基于有利地根據優化系統運行參數的最佳控制策略控 制這組致動器的實現方式。
[0043] 然而，基于系統的模型確定這種控制策略會是困難的，一些實施方式使用虛擬系 統的模型并且在保留控制策略的結構的同時使表示系統運行的成本函數大體最小。控制策 略的結構可以是根據控制信號打開和關閉的形式，并且確保所得的半有源減震控制系統的 高性能。控制策略的近似降低了測量運行參數的成本并且減少了得到最佳控制策略的解析 表達式的難度。
[0044] 在一些實施方式中，系統的控制是基于反饋機制。具體地，在一個實施方式中，通 過控制優化虛擬系統的運行參數，使得在系統運行期間，基于控制策略和包括系統運行期 間測得的參數值的測量信號來控制這組半有源致動器。
[0045] 具體地，可基于檢測到的塊體震動，確定半有源致動器的控制信號。例如，參數的 函數表示震動信號，諸如，系統中的必須被減震的塊體的加速度，并且控制是基于對塊體加 速度的測量。
[0046] 例如，需要減少車輛的震動。類似地，需要減少電梯轎廂的震動。表示汽車的車體 或電梯中的電梯轎廂的塊體的震動可通過多個指標（例如，塊體加速度的均方根、塊體加 速度的二范數（平方的平方根）、塊體加速度的無窮范數、塊體加速度的峰-峰值等）來表 征。在不失一般性的情況下，一些實施方式使用塊體加速度的二范數指標。
[0047] 圖1A示出用于控制一組半有源致動器的系統和方法的示意圖。控制方法以呈現 物理系統101的模型開始。圖1B示出模型示例，其包括塊體113、彈簧111、阻尼器115和 一組半有源致動器112中的一個或其組合。該系統遭受一組干擾114。在一個實施方式中， 基于所有相關的半有源致動器一致地運行的假設，系統101被表示為虛擬系統102的模型。 如圖1C中所示，虛擬系統包括塊體113、彈簧111和阻尼器115中的一個或其組合。虛擬系 統還包括虛擬半有源致動器122,并且遭受虛擬干擾123。
[0048] 這些干擾影響塊體在一個方向上的移動。特定方向上的一種虛擬干擾表示對塊體 在該方向上的移動的相關干擾的組合效果。類似地，與特定方向上的虛擬干擾對應的虛擬 致動器導致所有相關半有源致動器在該方向上對塊體的影響。
[0049] 傳感器103測量指示系統101的運行狀態的信號。在給定虛擬系統的模型和測量 信號的情況下，根據虛擬半有源致動器的最佳控制策略確定104控制信號106。控制信號 106可改變電壓或電流。信號可被直接輸出到半有源致動器112,或經由放大器間接輸出到 半有源致動器112。
[0050] 如圖1B至圖1C中所示，物理系統和虛擬系統之間的差別是，在虛擬系統中存在虛 擬致動器和虛擬干擾。為了確定虛擬系統，一個實施方式確定虛擬干擾和虛擬半有源致動 器。在假設與一個塊體在特定方向上的移動對應的所有半有源致動器一致地運行的情況 下，影響塊體在特定方向上移動的所有干擾可被組合成虛擬干擾，所有對應半有源致動器 在特定方向對塊體的效果可通過安裝在塊體和虛擬干擾的源之間的虛擬半有源致動器來 表征。
[0051] 圖2示出受分別用205、206、207、208標注的垂直方向上的四個外部干擾《1、％、 w3、w4干擾的物理系統的示例。這組半有源致動器201、202、203、204安裝在相同的塊體113 上，以補償這組干擾。特別地，四個半有源致動器的第一端（例如，第一端221)安裝在塊體 113上，四個半有源致動器的第二端（例如，第二端222)分別安裝在干擾^^?^^^的對 應源上。
[0052] 例如，在一些實施方式中，各半有源致動器是具有受控阻尼系數Ui，1 < i < 4的 半有源阻尼器。假設所有半有源致動器被一致地控制，即，同時打開或關閉，物理系統被減 小成具有虛擬干擾212和虛擬半有源致動器211的虛擬系統。特別地，虛擬干擾是四個干 擾之和，被表示為W=

【權利要求】
1. 一種用于控制一組半有源致動器的方法，所述一組半有源致動器布置在電梯系統中 以補償在所述電梯系統的運行期間由一組干擾造成的電梯轎廂的震動，該方法包括以下步 驟： 基于所述電梯系統的模型，確定用于控制所述一組半有源致動器的控制策略，其中，所 述控制策略包括表示所述電梯系統的運行的態函數和表示所述一組半有源致動器的運行 的位移函數； 使用所述電梯系統的模型，將所述態函數近似為表示所述震動的參數的第一函數； 使用所述電梯系統的模型，將所述位移函數近似為所述參數的第二函數；以及 基于所述參數的測量信號根據所述控制策略控制所述一組半有源致動器，其中，由處 理器執行所述方法的步驟。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，近似的步驟包括： 將所述電梯系統的模型表示為虛擬系統的模型，所述虛擬系統具有被布置成補償虛擬 干擾的單個虛擬半有源致動器，其中，所述虛擬半有源致動器的補償力表示所述一組半有 源致動器的補償力，其中所述虛擬干擾表示所述一組干擾的組合；以及 基于所述虛擬系統的模型，對所述態函數和所述位移函數進行近似。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述控制策略被近似為所述虛擬半有源致動器 的近似的控制策略，其中，控制的步驟還包括： 根據所述虛擬半有源致動器的所述近似的控制策略，一致地控制所述一組半有源致動 器中的各致動器。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中，近似的步驟包括： 基于所述虛擬系統的模型表示所述位移函數的受干擾動態，所述受干擾動態包括對應 于所述測量信號的已知變量和未知變量； 使用所述虛擬系統的模型，將所述受干擾動態變換成獨立于所述未知變量的確定性動 態。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中，變換的步驟是基于對稱假設。
6. 根據權利要求4所述的方法，其中，變換的步驟是基于根據所述受干擾動態的分量 中的相對主因對所述受干擾動態的簡化。
7. 根據權利要求4所述的方法，其中，所述受干擾動態是j = #,〃，〃)，并且所述 確定性動態是ir=蛛 其中，F是函數，X表示所述位移函數，j是所述位移函數的時間導數，ξ表示基于所 述測量信號所估計的信號，y表示所述測量信號，u表示用于控制所述虛擬半有源致動器的 控制輸入，ε表示所述受干擾動態的未知變量，其中，l、y和u是所述已知變量。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述參數是電梯轎架的加速度。
9. 一種電梯系統，該電梯系統包括： 電梯轎廂，其布置在所述電梯系統中，用于在所述電梯系統的運行期間沿著電梯軸移 動； 傳感器，其用于測量表示在所述運行期間所述電梯轎廂的震動的參數，所述傳感器產 生測量信號； 一組致動器，其用于補償所述電梯轎廂的震動；以及 控制器，其用于根據基于所述測量信號和虛擬半有源致動器的控制策略所確定的控制 信號，一致地控制所述一組半有源致動器，其中，所述虛擬半有源致動器的補償力表示所述 一組半有源致動器的補償力。
10. 根據權利要求9所述的電梯系統，其中，所述控制策略包括被近似為所述參數的函 數的所述虛擬半有源致動器的端部之間的位移的函數。
11. 根據權利要求9所述的電梯系統，其中，所述參數是電梯轎架的加速度，所述控制 器還包括： 加速度濾波器，其用于使用所述電梯系統的模型基于所述電梯轎架的加速度來確定所 述電梯轎廂的加速度；以及 位移濾波器，其用于基于所述電梯轎架的加速度、所述電梯轎廂的加速度和所述電梯 系統的模型來確定所述虛擬半有源致動器的位移函數。
12. 根據權利要求11所述的控制系統，其中，所述加速度濾波器包括轉移函數
其中，s是復合頻率，m。是電梯轎廂的質量，是轎廂保持傾卸機的加權剛度，K是所 述轎廂保持傾卸機的加權阻尼。
13. 根據權利要求11所述的控制系統，其中，所述位移濾波器是
其中，//'是旋轉臂相對于樞軸的慣量，L是所述樞軸和致動器施力點之間的長度，uy是 所述虛擬半有源致動器的粘度阻尼系數，h是所述樞軸和輥彈簧之間的高度，h是所述輥 彈簧的阻尼系數，h是所述輥彈簧的剛度，表示環繞所述樞軸的力矩。
14. 一種用于控制一組半有源致動器的方法，所述一組半有源致動器布置在系統中以 沿著干擾的方向補償一組干擾，該方法包括以下步驟： 將所述系統表示為虛擬系統的模型，所述虛擬系統具有被布置成沿著所述干擾的方向 補償虛擬干擾的單個虛擬半有源致動器，其中，所述虛擬半有源致動器的補償力表示所述 一組半有源致動器的補償力，其中，所述虛擬干擾表示所述一組干擾的組合；以及 根據所述虛擬半有源致動器的控制策略，控制所述一組半有源致動器中的各致動器， 其中，所述方法的步驟由處理器來執行。
15. 根據權利要求14所述的方法，所述方法還包括以下步驟： 確定用于控制所述一組半有源致動器的控制策略，所述控制策略包括表示所述系統的 運行的態函數和表示所述一組半有源致動器的運行的位移函數； 使用所述虛擬系統的模型，將所述態函數近似為表示所述系統的震動的參數的第一函 數，將所述位移函數近似為所述參數的第二函數，以產生所述虛擬半有源致動器的控制策 略； 基于測量信號根據所述虛擬半有源致動器的控制策略控制所述一組半有源致動器，所 述測量信號包括在所述系統的運行期間測得的所述參數的值。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述位移函數的結果包括所述虛擬半有源致 動器的第一端和第二端之間的虛擬相對速率或虛擬相對位移。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述參數是所述系統的塊體的加速度。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述一組半有源致動器具有一個半有源致動 器。
19. 根據權利要求15所述的方法，所述方法還包括以下步驟： 確定被作為獨立變量處理的所述第一函數的受干擾動態； 基于所述受干擾動態和所述虛擬系統的模型，確定所述第一函數的確定性動態； 確定被作為獨立變量處理的所述第二函數的受干擾動態； 基于所述受干擾動態和所述虛擬系統的模型，確定所述第二函數的確定性動態； 基于所述第一函數的確定性動態，設計將未知變量近似為所述參數的函數的第一濾波 器； 基于所述第二函數的確定性動態，設計基于所述第一濾波器的輸出和所述參數對所述 位移函數進行近似的第二濾波器；以及 將所述第二函數確定為所述第一濾波器和所述第二濾波器的輸出的組合。
20. 根據權利要求15所述的方法，所述方法還包括以下步驟： 將所述第一函數表示為所述系統的塊體的速率的函數、所述參數和未知變量的線性組 合； 基于所述模型，設計將所述未知變量近似為所述參數的函數的第一濾波器； 基于所述模型，設計基于所述第一濾波器的輸出和所述參數對所述速率的函數進行近 似的第三濾波器；以及 基于所述第一濾波器和所述第三濾波器的輸出的組合，確定所述第一函數。
【文檔編號】B66B7/04GK104302568SQ201380025496
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2012年5月14日
【發明者】王燁賓, S·A·博托夫 申請人:三菱電機株式會社