减小电梯绳索摇摆的方法和电梯系统的利记博彩app
【专利摘要】减小电梯绳索摇摆的方法和电梯系统。一种方法使用电梯绳轮减小将电梯轿厢支承于电梯系统内的电梯绳索的摇摆。所述方法使用所述电梯绳轮的移动，根据所述电梯绳索在第一点和第二点之间的张力的控制定律来控制所述电梯绳索的张力。所述第一点与所述电梯绳索和所述电梯绳轮的接触关联。所述第二点与所述电梯绳索和所述电梯轿厢或所述电梯轿厢的对重装置的接触关联。所述控制定律是所述第一点和所述第二点之间的相对位置、相对速度和相对加速度中的一个或组合的函数。
【专利说明】减小电梯绳索摇摆的方法和电梯系统
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及电梯系统，更具体地，涉及使用电梯轿厢的移动减小电梯系统 中的电梯绳索摇摆。
【背景技术】
[0002] 典型的电梯系统包括沿着垂直电梯井道中的导轨移动的轿厢和对重装置。轿厢和 对重装置通过曳引绳索彼此连接。曳引绳索卷绕位于电梯井道顶部或底部的机房中的绳 轮。绳轮可在电动机的作用下移动，或者对重装置可由线性电动机提供动力。
[0003] 绳索摇摆是指曳引绳索和/或补偿绳索在电梯井道中的振荡。该振荡可以是绳传 动电梯系统中的重大问题。该振荡可例如是因由于风引起的建筑物偏移和/或电梯系统运 行期间绳索的振动造成的。如果振动频率接近或达到绳索的固有谐波，则振荡可大于位移。 在这种情形下，绳索可缠结电梯井道中的其它设备，或者脱离绳轮的凹槽。如果电梯系统使 用多根绳索并且绳索相互异相地振荡，则绳索可变成彼此缠结并且电梯系统会受损。
[0004] 各种方法通过向电梯绳索施加张力来控制绳索的摇摆。然而，传统方法使用恒定 的控制动作来减小绳索摇摆。例如，美国专利5, 861，084中描述的方法通过在检测到电梯 补偿绳索水平振动之后在绳索上施加恒定张力将绳索的振动降至最小。然而，向绳索施加 恒定张力不是最理想的，因为恒定张力可造成绳索的不必要应力。
[0005] 美国专利公开2009/0229922A1中描述的另一种方法是基于伺服致动器，伺服致 动器移动绳轮以改变补偿绳索的固有频率，从而避免补偿绳索与建筑物的固有频率产生谐 振。伺服致动器受使用绳索末端的绳索振动速度的反馈的控制。然而，该方法只解决了补 偿绳索振动摇摆衰减的问题。此外，该方法必需测量绳索末端的绳索摇摆速度，在实际应用 中这是困难的。
[0006] 美国专利7, 793, 763中描述的方法使用安装在轿厢顶部的无源阻尼器将电梯系 统的主绳索的振动降至最小。阻尼器连接到轿厢和绳索。使用距离和阻尼器的阻尼系数的 值来减小绳索摇摆。然而，在该方法中，阻尼器的数量与受到控制的绳索的数量成正比。此 夕卜，各阻尼器是无源的并且连续接合绳索，这样可引起绳索上不必要的额外应力。
[0007] 参见例如美国专利4, 460, 065和美国专利5, 509, 503,其它方法使用纯机械方案 通过物理地限制绳索的横向运动来限制摇摆幅度。这些类型的解决方案的安装和维修成本 商。
[0008] 因此，需要一种更佳的方法来减小电梯绳索的摇摆。
【发明内容】
[0009] 本发明的一些实施方式的目的是提供一种通过使用电梯轿厢的移动改变张力来 减小电梯系统中连接到电梯轿厢的电梯绳索的摇摆的系统和方法。
[0010] 本发明的一些实施方式是基于可基于绳索的两个末端点的相对运动来改变电梯 绳索张力的一般认识。另外地或另选地，本发明的一些实施方式是基于电梯轿厢的垂直移 动引起绳索中的额外张力的认识。可使用这个张力来控制绳索的摇摆。如果正确控制了轿 厢垂直运动，则可使用电梯轿厢的移动来减小摇摆。
[0011] 例如，在一些实施方式中，通过致使电梯系统的主绳轮改变电梯轿厢的电梯绳索 的长度或支承电梯轿厢的对重装置的绳索的长度来控制电梯轿厢的移动。因此，可用最少 数量的致动器或者甚至在不使用任何致动器的情况下，减小电梯绳索的摇摆。此外，电梯轿 厢的移动可同时控制大量电梯绳索的张力，而不需要在电梯系统中增加任何额外的装置。
[0012] 所述控制可以是周期性反馈控制，直到（例如）摇摆的最大幅度低于阈值为止。 本发明的一些实施方式使用控制定律来控制电梯轿厢的移动，所述控制定律包括摇摆状态 的函数和电梯轿厢状态的函数的组合。使用具有这两个组成的控制定律允许将用于减小摇 摆的轿厢移动和用于将电梯轿厢稳定在初始位置附近的电梯轿厢的移动分离（decouple)。 将轿厢稳定在初始位置附近可将摇摆对电梯轿厢作用降至最小并且可形成电梯轿厢在初 始位置附近的上下的振荡移动，这样确保了电梯系统的安全。
[0013] 例如，在一些实施方式中，电梯轿厢状态的函数与电梯轿厢的状态相比初始位置 的改变成比例。电梯轿厢与初始位置相距越远，电梯轿厢状态的函数在控制定律中的作用 越大。
[0014] 本发明的一些实施方式将根据摇摆状态的函数进行控制而导致的对电梯轿厢移 动的作用和根据电梯轿厢状态的函数进行控制而导致的作用分离。例如，一个实施方式确 定摇摆状态的函数，使得摇摆状态的函数的频率与摇摆的频率成比例。另一方面，实施方 式确定电梯轿厢状态的函数，使得电梯轿厢状态的函数的频率不同于摇摆状态的函数的频 率。这种分离允许调整函数，以优化函数对摇摆的减小和电梯轿厢的稳定性二者的作用。
[0015] 本发明的一些实施方式是基于可使用施加到电梯绳索的张力来稳定电梯系统的 认识。因此，可使用电梯系统的模型基于电梯系统的稳定性来分析张力。实施方式将各种 类型的稳定性用于描述代表电梯系统的动力系统的微分方程的解。例如，一个实施方式确 定控制定律，使得遵循受控制定律控制的电梯系统的动力学的李亚普诺夫函数的导数是负 定的。
[0016] 因此，一个实施方式公开了一种用于使用电梯绳轮减小在电梯系统内支承电梯轿 厢的电梯绳索的摇摆的方法。所述方法包括使用所述电梯绳轮的移动根据所述电梯绳索在 第一点和第二点之间的张力的控制定律来控制所述电梯绳索的张力的步骤，其中，所述第 一点与所述电梯绳索和电梯绳轮的接触关联，所述第二点与所述电梯绳索和所述电梯轿厢 或所述电梯轿厢的对重装置的接触关联，其中，所述控制定律是所述第一点和所述第二点 之间的相对位置、相对速度和相对加速度中的一个或组合的函数。所述方法中的步骤由处 理器来执行。
[0017] 另一个实施方式公开了一种电梯系统，所述电梯系统包括：电梯轿厢，其被电梯绳 索支承于所述电梯系统的电梯井道中；绳轮，其用于改变所述电梯绳索的长度，从而控制所 述电梯轿厢的移动；摇摆单元，其用于确定所述电梯绳索的摇摆状态；系统单元，其用于确 定所述电梯轿厢的状态；控制单元，其用于控制所述绳轮基于所述电梯绳索的摇摆状态和 所述电梯轿厢的状态致使所述电梯轿厢移动，以使用所述电梯轿厢的移动来稳定所述电梯 系统的状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是根据本发明的实施方式的电梯系统的示意图；
[0019] 图2A、图2B、图2C和图2D是根据本发明的各种实施方式的电梯系统模型的示意 图；
[0020] 图3A、图3B和图3C是根据本发明的各种实施方式的用于控制电梯系统运行的方 法的框图；
[0021] 图4A是根据本发明的实施方式的用于计算张力控制并且控制电梯系统运行的方 法的框图；
[0022] 图4B是根据本发明的实施方式的用于计算张力控制并且控制电梯系统运行的方 法的框图；
[0023] 图4C是根据本发明的实施方式的用于计算张力控制并且控制电梯系统运行的方 法的框图；
[0024] 图4D是根据本发明的实施方式的用于计算张力控制并且控制电梯系统运行的方 法的框图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明的各种实施方式是基于可使用施加到电梯绳索的张力来减小电梯系统中 的绳索摇摆的认识。此外，这个张力可通过控制电梯轿厢的移动（例如，电梯井道内的垂直 移动）来得到，而不需要在电梯系统中有任何额外的致动器。例如，各种实施方式以在电梯 绳索上引起足够张力并进而减小绳索摇摆这样的方式控制主绳轮，将电梯轿厢在指定的最 大轿厢垂直运动幅度（例如，+3m至-3m)内在初始静止位置附近上下移动。
[0026] 图1示出根据本发明的一个实施方式的电梯系统100的示意图。电梯系统包括通 过至少一根电梯绳索连接到电梯系统的其它组件的电梯轿厢12。例如，电梯轿厢和对重装 置14通过主绳索16-17和补偿绳索18相互连接。电梯轿厢12可包括上横梁30和安全钳 下楔33。用于使电梯轿厢12和对重装置14移动通过电梯井道22的滑轮20可位于电梯井 道22的顶部（或底部）的机房（未示出）中。电梯系统还可包括补偿滑轮23。电梯井道 22包括前壁29、后壁1和一对侧壁32。
[0027] 电梯轿厢和对重装置的重心处于在x、y和z方向上的力矩之和为零的点。换句话 讲，因为重心点周围的所有力矩被抵消，所以理论上，轿厢12或对重装置14可被支承且平 衡于重心（x，y，z)。主绳索16-17典型地连接到电梯轿厢12的上横梁30,轿厢重心的坐标 被投影到上横梁30。主绳索16-17连接到对重装置14的顶部，对重装置14的重心的坐标 被投影到对重装置14的顶部。
[0028] 在电梯系统的运行期间，系统的不同组件经受内部和外部干扰，例如，由于风导致 的摇摆，从而造成组件横向运动。组件的这种横向运动可造成电梯绳索摇摆，需要测量该摇 摆。因此，可在电梯系统中布置一个或一组摇摆传感器120来确定电梯绳索的横向摇摆。
[0029] 这组传感器可包括至少一个摇摆传感器120。例如，摇摆传感器120被构造成感测 与摇摆传感器的位置关联的摇摆位置处的电梯绳索的横向摇摆。
[0030] 然而，在各种实施方式中，传感器可布置在不同位置，使得摇摆位置被正确地感测 和/或测量。传感器的实际位置可取决于所使用的传感器的类型。例如，摇摆传感器可以 是任何运动传感器，例如，光束传感器。
[0031] 在电梯系统运行期间，确定摇摆的位置并且将位置发送122到摇摆测量和估计单 元140。摇摆单元140通过（例如）使用摇摆测量和系统的逆模型来确定电梯绳索摇摆的 状态145。各种实施方式使用不同的逆模型，例如，包括绳索、滑轮和轿厢的电梯系统的逆模 型，另外各种实施方式使用不同的估计方法根据测量值来估计绳索摇摆。
[0032] 单元140确定的摇摆状态可包括摇摆幅度、摇摆速度和摇摆加速度中的一个或组 合的函数。函数的示例包括（但不限于）时间微分函数或时间积分函数。
[0033] 系统100还包括用于确定电梯轿厢的状态155的系统单元150。在一些实施方式 中，电梯轿厢的状态包括电梯轿厢的位置、电梯轿厢的速度、电梯轿厢的加速度、电梯轿厢 的对重装置的位置、对重装置的速度和对重装置的加速度中的一个或组合的函数。
[0034] 系统单元150还可使用在电梯系统运行期间发送124的测量值。例如，系统单元 150可操作地连接到电梯系统中布置的各种位置、速度和/或加速度传感器。
[0035] 在系统100中，由主绳轮112控制绳索摇摆。主绳轮受控制单元160控制，将电梯 轿厢上下移动，在电梯绳索中引起额外张力并进而减小绳索摇摆。控制单元还基于得自摇 摆单元140的绳索摇摆测量值来确定有张力的时间和没有张力的时间。
[0036] 例如，主绳轮受控制单元控制，改变电梯绳索的长度，从而控制电梯轿厢的移动。 控制单元基于摇摆单元140确定的电梯绳索的摇摆状态和系统单元150确定的电梯轿厢的 状态来控制主绳轮。控制绳索张力的电梯系统的其它变形形式是可能的并且在本发明的范 围内。可使用（例如）如下所述的处理器来实现摇摆单元140、系统单元150和控制单元 160。
[0037] 基于模型的控制设计
[0038] 图2A示出电梯系统的模型200的示例。模型200是基于电梯系统100的参数。可 使用各种方法来根据电梯系统的模型来模拟电梯系统的运行，例如，模拟因电梯系统运行 而造成的电梯绳索的实际摇摆220。可类似地推导其它电梯系统的模型。
[0039] 各种实施方式可采用电梯系统的不同模型来设计控制定律。例如，一个实施方式 基于牛顿第二定律执行建模。例如，电梯绳索被建模为弦并且电梯轿厢和对重装置被分别 建模为刚体230和250。
[0040] 在一个实施方式中，通过根据下式的偏微分方程确定电梯系统的模型：
【权利要求】
1. 一种使用电梯系统的主绳轮减小在所述电梯系统内支承电梯轿厢的电梯绳索的摇 摆的方法，所述方法包括以下步骤： 使用所述主绳轮的移动，根据所述电梯绳索在第一点和第二点之间的张力的控制定律 来控制所述电梯绳索的张力，其中，所述第一点与所述电梯绳索和电梯绳轮的接触关联，并 且所述第二点与所述电梯绳索和所述电梯轿厢或所述电梯轿厢的对重装置的接触关联，其 中，所述控制定律是所述第一点和所述第二点之间的相对位置、相对速度和相对加速度中 的一个或组合的函数，其中，所述方法中的步骤由处理器来执行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电梯绳轮是所述主绳轮，所述电梯绳索是将 所述电梯轿厢或所述对重装置与所述主绳轮连接的主电梯绳索，所述第一点是所述主电梯 绳索与所述主绳轮的接触点，所述第二点是所述主电梯绳索与所述电梯轿厢或所述对重装 置的接触点。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电梯绳轮是补偿绳轮，所述电梯绳索是将所 述电梯轿厢或所述对重装置与所述补偿绳轮连接的补偿绳索，所述第一点是所述补偿绳索 与所述补偿绳轮的接触点，所述第二点是所述补偿绳索与所述电梯轿厢或所述对重装置的 接触点。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电梯绳轮是调速器绳轮，所述电梯绳索是将 所述电梯轿厢或所述对重装置与所述调速器绳轮连接的调速器绳索，所述第一点是所述调 速器绳索与所述调速器绳轮的接触点，所述第二点是所述调速器绳索与所述电梯轿厢或所 述对重装置的接触点。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述控制定律是摇摆状态的函数,其中，用 变量q表示摇摆的幅度，用所述变量的导数^表示摇摆的速度。
6. 根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括： 确定所述电梯绳索的摇摆状态和所述电梯轿厢的状态； 根据所述控制定律控制所述电梯轿厢的移动，其中，所述控制定律是所述摇摆状态的 函数和所述电梯轿厢的状态的函数的组合； 周期性重复进行所述确定和所述控制，直到摇摆的最大幅度低于阈值为止。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述摇摆状态的函数确定减小摇摆的所述电梯轿 厢的移动，所述电梯轿厢的状态的函数确定将所述电梯轿厢稳定在初始位置附近的所述电 梯轿厢的移动。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述电梯轿厢的状态的函数与所述电梯轿厢的状 态相比所述初始位置的改变成比例。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中所述摇摆状态的函数确定减小摇摆的所述电梯轿 厢的移动，所述电梯轿厢的状态的函数确定将摇摆对所述电梯轿厢的作用降至最小的所述 电梯轿厢的移动。
10. 根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括： 确定所述摇摆状态的函数，使得所述摇摆状态的函数的频率与摇摆的频率成比例； 确定所述电梯轿厢的状态的函数，使得所述电梯轿厢的状态的函数的频率不同于所述 摇摆状态的函数的频率。
11. 根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括： 确定所述控制定律，使得遵循受所述控制定律控制的所述电梯系统的动力学的李亚普 诺夫函数的导数是负定的。
12. 根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括： 根据T=K_rope(car_x-x_u)将所述电梯绳索的张力T表示为所述电梯轿厢的移动的 函数，其中，K_rope是所述电梯绳索的刚度，car_x是所述电梯轿厢的位置，x_u是所述绳索 和所述主绳轮之间的接触点的位置； 基于所述电梯系统的模型，确定所述李亚普诺夫函数，使得用变量q表示摇摆的幅度 并且用该变量的导数^表示摇摆的速度； 确定用于对控制项U=K_rope(car_x-x_u)进行控制的用所述变量表示的摇摆的幅度 和速度的所述摇摆状态的函数,使得所述李亚普诺夫函数的导数是负定的；以及 用所述电梯轿厢的状态的函数F(car_states)修正函数使得控制定律W(x)包 括
其中，car_states是所述电梯轿厢的状态的向量。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述电梯绳索的刚度是1(_1~(^6 =E.A/1，其中， E是所述电梯绳索的杨氏模量，A是所述电梯绳索的横截面，1是所述电梯绳索的长度。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述摇摆状态的函数包括
f 其中，u_max是代表最大张力的正常数，u*小于或等于零且大于或等于-u_max。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中所述摇摆状态的函数包括
其中，u_max是代表最大张力的正常数，k是正反馈增益。
16. 根据权利要求12所述的方法，其中所述摇摆状态的函数包括其中，|是摇摆 增益，所述方法还包括： 确定通过所述电梯轿厢在预定范围内的移动来实现最大的摇摆减小率的所述摇摆增
17. 根据权利要求12所述的方法，其中所述电梯轿厢的状态的函数包括所述电梯轿厢 的位置和速度，使得控制定律W(x)包括
其中，car_x是所述电梯轿厢在电梯井道内沿着轴x的位置，ear 是所述电梯轿厢的 速度，Kp是所述控制定律的位置增益，Kv是所述控制定律的速度增益。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述控制定律W(x)包括
其中，f是摇摆增益，其中，所述摇摆增益、所述位置增益和所述速度增益是正的。
19. 根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括： 控制所述主绳轮，以根据下式改变所述第一点的位置x_u:
其 中，EA代表所述电梯绳索的材料的杨氏模量E乘以所述电梯绳索的横截面A，其中，car_x是 所述电梯轿厢在电梯井道内沿着轴x的位置，是所述电梯轿厢的速度，^是所述电 梯绳索的摇摆增益，Kp是所述电梯轿厢的位置增益，Kv是所述电梯轿厢的速度增益，其中， 所述摇摆增益、所述位置增益和所述速度增益是正反馈增益，q和4是代表摇摆的幅度和速 度的拉格朗日变量。
20. 根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括： 控制所述主绳轮，以根据下式改变所述第一点的位置x_u:
其中，EA代表所述电梯绳索的材料的杨氏模量E乘以所述电梯绳索的横截面A，其中，
是所述电梯绳索的摇摆增益，q和9是代表摇摆的幅度和速度的拉格朗日变量。
21. -种电梯系统，所述电梯系统包括： 电梯轿厢，其被电梯绳索支承于所述电梯系统的电梯井道中； 绳轮，其用于改变所述电梯绳索的长度，从而控制所述电梯轿厢的移动； 摇摆单元，其用于确定所述电梯绳索的摇摆状态； 系统单元，其用于确定所述电梯轿厢的状态； 控制单元，其用于控制所述绳轮，基于所述电梯绳索的摇摆状态和所述电梯轿厢的状 态使所述电梯轿厢移动，以使用所述电梯轿厢的移动来稳定所述电梯系统的状态。
22. 根据权利要求21所述的电梯系统，其中所述控制单元控制所述绳轮根据下式改变 所述电梯绳索在所述绳轮和所述电梯轿厢之间的长度100 :
其中，EA代表所述电梯绳索的材料的杨氏模量E乘以所述电梯绳索的横截面A，其中， 1(0)是初始绳索长度，x_u(0)是所述电梯绳索和所述绳轮之间的接触点的初始位置，其 中，car_x是所述电梯轿厢在所述电梯井道内沿着轴x的位置，i是所述电梯轿厢的速 度，
是所述电梯绳索的摇摆增益，Kp是所述电梯轿厢的位置增益，Kv是所述电梯轿厢的速 度增益，其中，所述摇摆增益、所述位置增益和所述速度增益是正反馈增益，q和#是代表摇 摆的幅度和速度的拉格朗日变量。
【文档编号】B66F7/10GK104276526SQ201410311113
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2013年7月2日
【发明者】M·本诺斯曼, 福井大树, 渡边诚治, 中泽大辅 申请人:三菱电机株式会社