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超高速电梯轿厢横向振动控制研究

傅武军  
【摘要】: 随着电梯速度的提高,由导轨和空气激励引起的电梯轿厢横向振动也越来越大。研究表明,当超高速电梯运行速度超过一定值后,轿厢横向振动就无法满足乘坐舒适性的要求。抑制轿厢横向振动,除了采用被动控制策略外,研究人员也提出了各种主动振动控制策略以及执行机构,其中主动滚动导靴(Active Roller Guides: ARG)和轿厢主动减震器(Cabin Actuator: CA)是两种主要的执行机构,但是有关这两种执行机构的特性却很少进行深入地横向比较研究。同时由于主被动控制之间存在耦合关系,因此在给定被动控制的情况下,再进行主动控制器优化的顺序设计方法不能保证得到最优的闭环系统;只有采用系统级的集成设计方法才能以最小控制代价得到最优系统性能。 轿厢横向振动控制集成设计是一个多目标优化问题,存在一系列Pareto最优解,传统的集成设计方法常采用加权法将多目标优化问题转换为单目标问题,并在精心选择权值的基础上,通过多次运行求解出多个Pareto最优解,这大大增加了计算的强度和复杂性。 本文首先建立将导轨位移作为显式激励的轿厢横向振动状态方程,并给出以系统性能(轿厢振动)和控制代价的H2范数为优化目标的轿厢横向振动控制集成设计模型,对导靴和支撑橡胶的刚度和阻尼及主动控制器进行同时优化。然后,根据控制器形式的不同将轿厢横向振动控制集成设计方法分为两类:具有固定结构控制器和最优控制器的集成设计方法。采用基于带约束非劣解排序策略的多目标遗传算法(Multi-objective Genetic Algorithm: MOGA)来求解具有固定结构控制器的集成设计问题,不需要确定目标权值。而对于具有最优控制器的集成设计问题,则创新性地采用改进的进化动态加权算法(Evolutionary Dynamic Weighting Algorithm: EDWA)和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities: LMI)的组合策略;在该方法中,目标权值随着进化代数的变化而变化。这两种方法都可以一次运行就求解出均布的Pareto最优解集。 结果表明,集成设计方法得到的轿厢横向振动主被动控制系统能够有效地抑制轿厢厢体地板加速度,使超高速电梯的轿厢横向振动在很广的速度范围内都能满足乘坐舒适性的要求。在此基础上,深入研究了采用ARG和CA作为主动执行机构的轿厢横向振动控制系统的特性,讨论了不同控制策略、控制器阶次等对系统性能的影响。具体内容如下: (1)建立采用ARG作为主动执行机构和具有固定结构控制器的轿厢横向振动控制集成设计模型,并采用MOGA算法来求解上述集成设计问题。设计结果表明,集成设计方法可以求出最优的主被动控制组合,从而获得比初始设计更优的系统性能;ARG采用sky-hook阻尼策略控制器(0阶控制器)就可以得到最优的系统性能和控制代价的Pareto前沿,再提高主动控制器阶次并不能显著地改善ARG抑制轿厢振动的效率;但是,采用该控制器的ARG无法有效地抑制由空气激励引起的轿厢异相振动模态。轿架上下都安装ARG的轿厢系统振动抑制效率要优于仅在轿架底部安装ARG的系统。 (2)建立采用ARG作为主动执行机构和具有H2最优控制器的轿厢横向振动控制集成设计模型,并采用改进EDWA和LMI的组合策略来求解上述集成设计问题。在控制器设计中采用厢体加速度反馈。设计结果表明该集成设计方法的有效性;采用该方法得到的以ARG作为主动执行机构的轿厢横向振动闭环控制系统,对导轨和空气激励引起的振动都具有较好的抑制特性。 (3)建立采用CA作为主动执行机构和具有固定结构控制器的轿厢横向振动控制集成设计模型,并采用MOGA算法求解该集成设计问题。设计结果表明,只需在厢体底部安装CA就可以满足振动控制的要求;1阶控制器的闭环系统控制效率要高于采用sky-hook阻尼策略控制器(0阶控制器),但是再提高控制器的阶次,系统控制效率并不能得到改善。由于传感器及执行机构位置的不同,采用CA作为执行机构的轿厢横向振动控制系统要比采用ARG的系统具有更好的振动抑制效果。 (4)轿厢横向振动试验平台设计和ARG性能实验研究。根据轿厢横向振动的特点,设计了轿厢横向振动模拟试验台。实验结果表明集成设计方法的有效性;采用sky-hook阻尼策略控制器,并仅在轿架底部安装电磁ARG的系统可以有效地抑制轿厢同相振动,但是无法有效抑制轿厢异相振动。 综上所述,本文研究的重点主要集中在以下几个方面:提出基于固定结构控制器和最优控制器的轿厢横向振动控制多目标集成设计方法;基于Pareto最优解集,深入地比较研究了ARG和CA这两种主动执行机构的控制特性;轿厢横向振动试验平台的设计及ARG性能的实验研究。


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