电梯运行水平振动问题的控制分析

电梯运行水平振动问题的控制分析

陈明旭

日立电梯（中国）有限公司广东广州510000

摘要：电梯已是如今建筑的必备设施，针对其在运行中的水平振动问题，本文通过结合具体的研究分析，对电梯运行过程中水平振动问题的控制作了详细阐述，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：电梯；振动问题；控制

电梯的振动不仅是评价电梯质量好坏的重要指标之一，还是电梯运行中必须要解决的关键问题。因此，为了避免因电梯运行的振动问题而发生严重的安全事故，就需要对电梯运行过程中的振动进行控制。基于此，本文就电梯运行水平振动问题的控制进行了分析，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1电梯导轨对各导靴的作用力分析

高速电梯是非常复杂的多体运动系统，其结构图如图1所示，电梯桥厢发生水平振动的诱因有很多种，其中电梯的导向系统对电梯的水平振动影响最大。电梯的导向系统由导靴和导轨两部分组成，导靴一般安装在电梯导轨支架的两侧，高速电梯的导靴一般使用滚动式导靴。

图1高速电梯结构图

研究表明高速电梯的水平振动幅度和电梯的速度成正比例关系，并且在高速电梯中导轨的激励状态是影响电梯振动的关键因素之一。高速电梯中导轨对电梯桥厢的激励主要受电梯导轨的弯曲程度、施工工艺误差和接头间隔距离等因素影响。在对高速电梯的水平振动问题进行仿真时，一般会在电梯桥厢上加上短脉冲、阶跃、三角等激励，这种仿真方式有较高的仿真效果，但是依然存在很多问题需要改进。本文针对现阶段高速电梯水平振动仿真存在的问题同时兼顾模型的实用性，将电梯系统中的导靴、桥架、导轨的弯曲和不平整度等因素考虑在内，并且将导轨激励引入到电梯水平振动的模型中，这样缩小了各种类型激励对电梯水平振动的影响，建立起比较完善的电梯桥厢水平振动模型。因为高速电梯采用滚动导靴，因此高速电梯的导轨和滚动导靴属于滚动接触并且两者之间会产生Herta接触力。根据Kaler博士提出的三维接触滚动理论可知，电梯的导轨和导靴接触点的位移值和该点受到的力的方向有关，从而可以建立导轨和导靴的接触模型，如图2所示，

图2高速电梯导轨和导靴的接触模型

通过上图2可知，高速电梯的导靴受力方向是沿着z方向的，并且电梯导轨和导靴之间的接触面上单位长度所受到的力可通过下式（1）计算出来

错误！未找到引用源。（1）

上式（1）中L代表圆柱体轴线方向的长度，F代表圆柱体上受到的总负荷。

2高速电梯水平振动主动电气控制设计

根据上文中高速电梯导靴和导轨接触的模型，本文设计了基于液压作动器的电梯主动导靴，然后采用模糊控制实现对电梯的主动电气控制达到降低高速电梯水平振动的目的。如下图3所示为液压主动导靴导轮的结构图，以液压油缸为主动导靴的执行机构，液压油缸安装在导靴支架与导轮的支撑摇臂之间，替代被动导靴中的减振弹簧。以高速开关阀作为控制阀，通过阀的开启和关闭来控制油缸内的油压。系统的控制机理为恒压力控制，当电梯沿着平直的理想导轨运行时，可以通过液压装置保证导轮与导轨的紧密接触，同时使电梯轿厢免受导轨不平度的影响而达到减振的目的。为了吸收及消除压力脉动，提高液压系统的性能，每一液压油缸连接了一个蓄能器。

本文在采用液压主动导靴减缓高速电梯振动的基础上采用模糊控制算法对液压系统进行电气控制从而进一步减低电梯水平振动程度。因为液压控制系统属于非线性的控制系统，一般的控制方法不能取得较好的效果，而模糊算法可以实现输入和输出变量的模糊化，并且具有良好的鲁棒性能可以实现对液压系统的有效控制。

模糊控制器的设计步骤主要分为以下几步：

（1）选择输入变量、输出变量

输入变量是被控对象的实际输出值与给定值的偏差和偏差的变化率。它们是自然语言，不是数值变量。所以可以将其看着“模糊”的。输入变量为偏差和偏差的变化，输出变量为控制量，构成二维模糊控制器。

（2）确定输入输出变量的论域范围，计算量化因子以及比例因子

确定偏差、偏差的变化以及控制量的基本论域，例如如果控制量的基本论域为[－50，50]、[－150，150]和[－64，64]，而它的模糊论域为{－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4}，那么它的量化因子和比例因子可知分别为：

Ke=4/50=0.08，pde=4/150=0.027，Ku=64/4=16

（3）语言变量值的正确选取

综合考虑各方面因素，每个语言变量一般选4—10个值，考虑到各个变量的正、负性，对于偏差、偏差的变化率和控制量的变化这些语言变量，通常采用目前比较通用的语言量，即“NB”“NM”、“NS”、“ZO”、“PS”、“PM”、“PB”来表示。结合各个量的偏差、各个量的偏差的变化率、各个控制量的变化表示成各自的模糊集。

图3液压主动导靴导轮结构图

（4）制定模糊控制规则

确定赋值表就定义了模糊子集，也就是确定了模糊子集隶属度函数曲线的形状。通过离散该曲线，获得了不同点的隶属度，这些不同的点所对应的不同的模糊变量就构成了模糊子集。

（5）模糊控制查询表的生成

模糊控制查询表的生成包括五个方面：计算偏差以及偏差变化对应的语言值隶属度、查找被激活的模糊控制规则、计算被激活规则的前件满足度、计算输出模糊集合、解模糊。

通过模糊控制器的设计步骤对高速电梯液压导靴的控制进行设计，得到如图4所示结构图。

图4液压主动导靴导轮结构图

在上图4中p代表液压执行器的油压，代表执行器油压的导数，两者作为作为模糊控制器输入量，以高速开关阀的PWM驱动信号的占空比作为输出量。

3控制仿真分析

本文采用matlab软件液压主动导靴及其模糊控制模型进行仿真，在进行仿真时将电梯的速度设定为3.5m/s并且将电梯桥厢底部中心的水平振动加速度作为观测值。通过仿真对比可以发现，采用被动导靴控制时振动平均加速度为0.277m/s2，方均根值为0.091m/s2，而采用主动导靴控制时振动的平均加速度为0.157m/s2，方均根值为0.052m/s2，与被动控制相比平均加速度降低了43.7%。

通过对比可知采用主动控制策略能够有效降低高速电梯的水平振动。

4结语

综上所述，在电梯运行中，电梯振动是影响电梯安全运行的一个重要因素。为了避免振动问题，而导致电梯在运行过程中发生安全事故，我们就需要认真分析电梯发生振动的原因，并采取有效的方式对电梯振动进行控制，以最大限度降低电梯的针对幅度。

参考文献：

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[2]陈宏意.电梯运行振动原因及减振方法探讨[J].机械工程师.2014（01）.

[3]张喜龙.电梯运行振动原因及其改善[J.科技致富向导.2014（12）.