[论文解读] Semi-Active Control of the Sway Dynamics for Elevator Ropes

Mouhacine Benosman|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2015

Elevator Systems and Control参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于非线性李雅普诺夫的半主动控制方法，通过在电梯轿厢与钢丝绳之间安装阻尼器，以抑制高层电梯钢丝绳的横向摆动。控制器通过实时自适应调节阻尼器的阻尼系数，在外部扰动下稳定钢丝绳的振荡，实现在高层建筑模拟中风致激励下稳态摆动幅度减少高达71%（从8.4 m降至2.4 m）。

ABSTRACT

In this work we study the problem of rope sway dynamics control for elevator systems. We choose to actuate the system with a semi-active damper mounted on the top of the elevator car. We propose nonlinear controllers based on Lyapunov theory, to actuate the semi-active damper and stabilize the rope sway dynamics. We study the stability of the proposed controllers, and test their performances on a numerical example.

研究动机与目标

• 解决由风力或地震等外部扰动引起的高层电梯钢丝绳摆动问题。
• 开发一种成本效益高的控制方案，避免通过加装复杂力作动器进行改造，转而采用半主动阻尼器。
• 通过半主动阻尼器中时变阻尼系数的反馈控制，稳定钢丝绳摆动动力学。
• 确保在包含测量噪声和作动器动态特性的实际条件下，闭环系统的稳定性与性能。
• 通过高层电梯模型的数值仿真，验证所提控制器在双模态动力学下的有效性。

提出的方法

• 基于弦理论假设，使用偏微分方程（PDE）对电梯钢丝绳系统进行建模，边界条件为非齐次。
• 应用伽辽金降阶法，将PDE转化为具有一个或两个模态的有限维常微分方程（ODE）模型。
• 基于李雅普诺夫稳定性理论设计非线性控制器，以计算半主动阻尼器的时变阻尼系数。
• 制定控制器，使阻尼系数保持有界，并根据摆动位置和速度自适应调整，确保系统稳定性。
• 实施控制信号滤波并注入测量噪声，以模拟真实世界中作动器动态特性和传感器限制。
• 通过理论分析证明，在所提控制器下，闭环系统的渐近稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于自适应增益调度的半主动阻尼能否有效抑制高层电梯中大振幅的钢丝绳摆动？
• RQ2 在控制律中同时引入摆动位置与速度，相较于仅使用位置的控制方式，对系统稳定性与性能有何影响？
• RQ3 在共振外部扰动（如第一阶固有频率处）作用下，基于李雅普诺夫的控制方法在多大程度上能稳定钢丝绳摆动？
• RQ4 测量噪声与作动器动态特性在真实仿真中对所提控制器性能有何影响？
• RQ5 即使在双模态系统上进行测试，单模态简化模型是否仍能准确表征摆动动力学以用于控制器设计？

主要发现

• 所提控制器（14）在无扰动且无结构阻尼条件下，将钢丝绳最大摆动幅度从1.5 m（未控制）降低至0.75 m（控制后）。
• 在0.08 Hz的共振激励（匹配第一阶钢丝绳模态）下，控制器（18）将稳态摆动幅度从8.4 m降至2.4 m，实现71%的减少。
• 控制力保持在40 kN·s/m以内，该值对现有半主动阻尼器（如磁流变阻尼器）而言是可行的。
• 即使在模拟测量噪声（±1 cm误差）和作动器滤波（截止频率10 Hz，5点延迟）条件下，控制器仍能保持有界且连续的控制信号。
• 理论稳定性分析通过李雅普诺夫函数证实了两种控制器下闭环系统的渐近稳定性。
• 双模态仿真结果表明，单模态模型足以用于控制器设计，因为高阶模态对主导动力学的影响可忽略。