多因素影响下高速电梯水平振动最优控制研究

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城市化的飞速发展使得城镇人口密度越来越大,土地空间资源也随之愈加紧张,为了节约土地资源,建筑物不断向着纵向化发展,愈来愈多的高层和超高层建筑拔地而起。高层与超高层建筑的增加对楼层内人员运输提出了新的需求,因此,电梯也不断朝着高速、超高速方向发展。然而,电梯速度的提升会加剧轿厢系统在运行时的水平振动,剧烈的水平振动会对电梯系统产生冲击,从而影响电梯运行时的安全性;轿厢的剧烈振动还可能使乘客出现眩晕、呕吐等不良症状,降低乘梯人员的舒适度并对其健康产生影响。因此,为了保证电梯的安全性和舒适性,更加有效的抑制电梯运行过程中的轿厢水平振动已成为高速电梯研究领域急需解决的关键科学难题之一。首先,将由导向系统引起的轿厢系统水平振动及进行了模型简化和导靴减振动力学推导;考虑电梯导向系统中主动导靴存在的响应速度慢和控制不便的问题,基于差动式电磁作动器原理设计差动式电磁导靴;考虑高速电梯轿厢轿架分离的特点,提出中心对称分布式高速电梯轿厢系统水平振动主动控制模型,使其可实现只使用四个执行器同时对轿厢、轿架同时实施控制;并通过MATLAB仿真实验及轿厢系统水平振动实测实验验证了所提出的高速电梯轿厢系统水平振动主动控制模型的准确性,为后续轿厢系统水平振动最优控制策略奠定基础。针对所设计的高速电梯轿厢系统水平振动主动控制模型,设计高速电梯轿厢系统水平振动状态加权最优二次型(LQR)控制器,并验证其渐进稳定的条件;结合GA算法和LQR最优控制原理,应用GA算法对LQR加权系数矩阵智能寻优,更加快速的得出了电梯轿厢系统水平振动LQR控制的有效加权系数矩阵;通过MATLAB/SIMULINK对电梯轿厢水平振动主动控制系统仿真分析,对无控制和GA-LQR控制下电梯轿厢系统水平振动加速度与振动位移进行对比,验证了该控制方法的可行性。考虑控制输出中存在振动加速度指标,基于输出加权方法设计了LQR控制器价值函数,并分析了输出加权二次型控制器的稳定性,考虑粒子群算法(PSO)操作简便及寻优精度高的优点,对其改进提出一种权值跳跃粒子群算法(JWPSO),并应用常用的优化算法适应度函数证明该算法比粒子群算法有着更好的寻优效果;应用JWPSO算法搜寻出电梯轿厢水平振动主动控制系统LQR控制的最优加权系数矩阵,通过MATLAB对电梯轿厢水平振动抑制效果进行仿真分析,结果证明轿厢水平振动在基于JWPSO优化的LQR控制下的控制效果明显优于基于PSO优化的LQR控制和基于LMI的H∞控制,验证了该控制方法的优越性。考虑轿架安装件质量误差、电梯载重量变化和执行器不确定增益等因素,基于所建立的中心对称分布式主动控制模型,应用TS模糊推理方法构建了更加符合实际服役情况的轿厢系统主动控制TS模型;通过二次型指标方法设计了自适应滑模控制器,并验证了其稳定性,结合模糊自适应调整方法得出了切换项模糊调整自适应滑模控制率,设计切换增益模糊调整的自适应最优滑模控制器(FGASMC);通过MATLAB对FGASMC的衰减效果进行验证,实验结果表明,FGASMC在导轨激励条件下对不同载重工况的高速电梯轿厢、轿架底部水平振动均有较好的抑制效果,验证了该控制方法的优越性,对衰减高速电梯轿厢系统水平振动提高电梯乘坐舒适度具有重要参考意义。
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