考虑参数不确定性的高速电梯轿厢系统水平振动鲁棒控制研究

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为满足城市住房供需要求,高层、超高层建筑的数量及高度一直被更新。电梯作为人们在高层建筑中的垂直交通工具,其运行速度逐渐增大。而在电梯运行速度不断提高的同时也将产生一系列的振动问题,不仅会破坏电梯中精密仪器的测量精度,降低电梯的运行安全性,严重时引发电梯平层位置不准确等安全事故;同时振动及其产生的机械噪声会引起乘客的眩晕、耳鸣等不良生理反应,从而严重影响电梯的乘坐舒适性。因此,设计更加贴近电梯真实环境下的主动减振控制策略,保证乘客获得优越的乘坐舒适性体验,已成为研发高端电梯产品亟待解决的关键问题之一。针对电梯在真实环境下轿厢体与轿厢架因质心位置不一致产生不同的振动响应的问题,采用质量-弹簧-阻尼方法线性化轿厢系统零部件间的模型。同时为轿厢系统设计电液式主动导靴模型,并基于拉格朗日能量法构建高速电梯轿厢系统四自由度水平振动主动控制模型。采用低通滤波后的高斯白噪声作为轿厢系统的导轨激励输入,利用MATLAB对已构建轿厢水平振动动力学模型进行加速度时频域响应仿真。进一步借助合作公司120m高速电梯试验塔建4m/s高速电梯实验平台,获取轿厢在真实运行环境下的加速度响应实测值,并将其与数值仿真后的加速度时频域响应进行典型数字特征对比分析,验证所建动力学模型的正确性,为轿厢系统主动减振控制策略的研究奠定模型基础。考虑滚动导靴因零部件间摩擦、磨损及弹簧老化等现象对轿厢系统控制器设计性能的影响,设计了适用于参数不确定性的鲁棒保性能控制策略。基于轿厢系统四自由度动力学模型,采用线性分式变换(LFT)方法构建含有参数不确定性的轿厢系统状态空间方程。其次,将轿厢地板中心位置处的水平加速度作为被控性能指标,轿厢架上下位置处的振动位移、作动器输出的主动控制力等作为机械约束指标,基于线性矩阵不等式(LMI)凸优化方法设计鲁棒保性能状态反馈控制器。进一步,在控制器设计过程中引入自由矩阵,降低控制器设计的保守性。最后,对轿厢系统在参数不确定性的三种工况下进行数值仿真,以验证本文所设计控制器能保证轿厢系统具有更好的振动抑制能力和良好的鲁棒性。考虑传统鲁棒控制器自适应能力较差,设计出一种具有自适应增益的输出反馈控制器。针对高速电梯轿厢质量和转动惯量不确定的问题,利用T-S模糊推理方法,推导出非线性不确定性轿厢系统水平振动状态空间方程。同时,在轿厢地板水平振动加速度被控性能指标及作动器控制力等机械约束的基础上,将轿厢架水平振动加速度为被控性能指标以及轿厢架质心处振动位移为输出指标,采用LMI方法和并行分布补偿规则(PDC)设计了具有自适应增益的H∞动态反馈控制律,使其获得更小的振动加速度峰值。对4m/s的高速电梯轿厢系统分别在空载与重载两种工况下进行数值仿真,验证了该控制器的有效性与鲁棒性,可为工程实际中高速电梯主动减振器的研发提供了理论指导。考虑现有液压作动器因油液粘性导致作动器输入时滞影响系统控制性能的问题,以及人体对轿厢水平方向1-2Hz频率范围内的振动幅度比较敏感,提出了一种考虑液压作动器输入时滞的有限频域轿厢水平振动H∞鲁棒控制策略,实现在人体敏感频率范围内对轿厢水平振动的主动减振。基于轿厢系统四自由度动力学模型,构建了输入时滞的轿厢系统状态空间方程。基于上述鲁棒控制器设计性能指标,结合广义KYP引理与LMI方法,设计了有限频域H∞鲁棒控制器。进一步,对比分析了最大时滞工况下轿厢体与轿厢架在随机激励与脉冲激励下的振动加速度时频域特性曲线,验证本文所设计控制器下轿厢系统的振动幅值降低程度更大,且在脉冲激励下收敛速度更快。
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