（机械电子工程专业论文）vvvf电梯的sdcs速度控制研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 v v v f 电梯的s d c s 速度控制研究 摘要 本文对、n ，、，f 电梯的s d c s ( s u r p l u sd i s t a n c ec o n t r o ls p e e d ) 速度 控制进行了研究，设计开发了相应的嵌入式速度控制模块，实现了基 于剩余距离的电梯速度控制。本文具体内容包括： 1 、在对现有的、，、，、，f 电梯速度控制系统及速度控制方式研究分 析的基础上，提出了s d c s 的电梯运行速度控制方案，即采用绝对值 编码器反馈轿厢的绝对位置给主控制器，用电梯运行中的剩余距离控 制电梯的运行速度，同时采用旋转编码器反馈电梯的实时运行速度给 变频器，从而形成速度的双闭环控制。 2 、s d c s 的速度控制是本文的核心。针对确定的速度控制系统 方案，提出了具体的剩余距离控制电梯运行速度的算法和速度的数字 调节算法。 3 、设计了嵌入式s d c s 速度控制模块，用汇编和c 语言混合编 程完成了系统通讯以及速度控制的软件设计，成功实现了基于剩余距 离的电梯实时速度控制。 关键词：v w f 电梯、s d c s 速度控制、剩余距离、速度算法 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r s ho ns p e e dc o n t r o lo fs d c s f o rv v v fe l e v 们o r a b s t r a c t t h i st h e s i sh a ss t u d i e dt h es d c s ( s u r p l u sd i s t a n c ec o n t r o ls p e e d ) b a s e do nv v v fe l e v a t o ra n d d e s i g n e dt h ea c c o r d i n ge m b e d d e ds y s t e m m o d u l e ，w h i c hm a k e st h ee l e v a t o r s p e e d c o n t r o lb a s e do n s u r p l u s d i s t a n c ec o m et r u e t h es p e c i f i cd e t a i l si n c l u d e ： 1 b a s e do nt h es t u d yo ft h em o d e lo fv w f e l e v a t o rs y s t e ma n d s e v e r a lp r e s e n tc o m m o n s p e e dc o n t r o ls t r a t e g y , t h i st h e s i sp u t sf o r w a r d s d c s s p e e d c o n t r o l s t r a t e g y w h i c hc o n t r o l st h e s p e e d o fe l e v a t o r a c c o r d i n gt os u r p l u sd i s t a n c ef r o mt h ea b s o l u t ev a l u ee n c o d e ra n dm a k e u s eo fp i da r i t h m e t i ct oa d j u s tt h es p e e d a c c o r d i n gt ot h er e a l t i m es p e e d f e e d b a c kf r o m r o t a r ye n c o d e r , w h i c hm a k e st w oc l o s e dl o o pc o m et r u e 2 s d c si st h ec o r eo ft h et h e s i s i tu s e ds i n ec u r v ea st h ei d e a l v e l o c i t yc u r v e b a s e do nt h es c h e m ep u tf o r w a r d ，t h es p e c i f i cs d c s a r i t h m e t i ci sd e s i g n e da n d d i g i t a lp i d a r i t h m e t i ci sa p p l i e d 3 t h ee m b e d d e ds d c sm o d u l ei n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w a sd e s i g n e d t h es o f t w a r ei s a c c o m p l i s h e dw i t ht h et o o lo fa s s e m b l e l a n g u a g e a n dc k e y w o r d ：v v v f e l e v a t o r , s d c s ，s u r p l u sd i s t a n c e ，s p e e d a r i t h m e t i c 浙江工业大学硕士学位论文 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 商体1 毡日期：y 舞r 月2 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属予 1 、保密口，在。 年解密后适用本授权书。 2 、不保密电f ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：孓伟吼日期晦箩月日 跏鹳：和习雏飙癣期码日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】 主要简述了现代电梯的要求、电梯速度控制系统的概念与性能评 价以及国内外电梯速度控制系统的现状、现存问题和研究动态，最后阐明本课题 选题的任务和意义。 1 0 引言 在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。每幢高楼都可 以说是一座垂直的城市，电梯作为高层建筑重要的垂直交通工具，在国民经济和 人们日常生活中发挥着极其重要的作用。 目前我国已经成为全球电梯需求量最大的国家，也是电梯产量最大的国家， 电梯是机电一体化的典型产品，涉及到的行业多，产业关联度比较大，是发展国 民经济的强大推动力之一。电梯工业代表了一个国家工业发展领域的发展水平， 涉及到新材料、新工艺、新技术的利用，是具有规模经济效益和高附加值的技术 密集型产业。 1 1 现代电梯的要求 随着我国城市化的高速发展，高层建筑越来越多，对电梯的要求也越来越高， 主要有以下几点【1 1 ： 1 ) 安全性。保证乘客的基本人身安全，这是最基本的也是最主要的要求。 2 ) 舒适度高。要求电梯在整个运行过程中运行平稳。 3 ) 快速性。目前有的高楼已经相当的高了，也要求电梯能在极短的时间内能 到达目标层。 列电梯的快速性要求通过如下方法得到“： 1 ) 提高电梯的额定速度。 2 ) 集中布置多台电梯。 3 ) 尽可能减少电梯起、停过程中的加、减速时间。 对电梯的舒适性要求如下： 浙江工业丈学硕士学忙论文 1 ) 衄l 速度引起的不适：g b i 0 0 6 09 3 第4 7 3 条及g b 1 1 0 0 5 81 9 9 7 第3 3 2 条划定“乘客电梯启动加速度和制动减速度不应大于1 5m s “ - 第3 3 3 条规定 “电梯额定速度小丁2 o m s 时，其平均加速度不应小于0 5m s2 ：当电梯额定速 度为2 o m s o t 系统处r 加速运动状态。 当t t 时，面d n o r 系统处 ：减速运动状态。 2 浙江工业大学硕士学位论文 当t = 瓦时，一d _ n = 0 ，即转速不变化，系统或以匀速运行，或处于静止状态， f 称为稳态。 由图2 - - 4 可见，电梯的平移运动系统由轿厢和对重组成；对于采用蜗轮蜗杆 传动的中、低速电梯，电动机轴与蜗杆同轴，蜗轮与曳引轮同轴，构成了运动系 统中的多轴旋转系统。由于各轴的转速不同，所以电动机轴上的静阻力矩和当量 飞轮矩就必须通过折算得到。 ( 2 ) 电梯的静阻力矩 电梯的轿厢和对重构成垂真运动的位能性负载， 其合力f l ( 忽略曳引钢丝绳、补偿链和移动电缆的影 响) 就是位能性负载阻力，如图2 - 6 所示。轿厢和对重 在上、下运动时，各自的导靴与导轨之间存在摩擦。因 此当轿厢上升时，忽略导向轮的摩擦阻力影响，负载 。 静5 h 力为 瓦= ( 1 + ，j ) ( g ，+ g 2 ) 一( 1 一，2 ) g 3( 2 _ 4 ) 因此，当轿厢下降时，负载静阻力为 民= ( 1 + ，2 ) g 。一( 1 一 ) ( g ，+ g ：) ( 2 - 5 ) 式中g 是轿厢自重，n ； g l + g 2 1 一曳引轮2 轿厢3 一对重 图2 - 6 阻力计算示意图 g ：是轿厢载重，n ； g ，是对重重量，g 3 = g ，+ k g 2 。，n ； 工是轿厢导靴与导轨得摩擦得阻力系数； ，2 是对重导靴与导轨得摩擦得阻力系数； g ：一是轿厢额定载重量，n ； k 是电梯平衡系数，一般为o 4 0 5 。 若曳引轮的半径为r ，轿厢上升时，则曳引轮上的静阻力矩为 死= e 。r( 2 6 ) 轿厢下降时，则曳引轮上的静阻力矩为 浙江工业大学硕士学位论文 r ：= f 。，r f 2 7 1 当电机处于电动状态，即蜗杆为主动旋转而蜗轮为从动旋转时，在轿厢满载 上升时，电动机的输出功率为 r 扭= 等 则九= 器= 鲁 弘s ， 同理，轿厢空载下降时，电动机输出功率为 丁“= 器= 鲁 式中瓦是折算到电动机轴上的负载转矩； ( 2 9 ) q 是电动机的角速度； q 是曳引轮的角速度； i 是传动比； 7 7 ，是蜗杆为主动旋转而蜗轮为从动旋转时的总传动效率。 当电机处于电动状态，即减速机构蜗轮为主动旋转而蜗杆为从动旋转时，按 所传递功率等原则，可求出轿厢空载上升和满载下降情况下电动机轴上的静阻力 矩为 l = 薷 任埘 个 一 r 二 “一瓦 式中，7 7 ：是蜗轮为主动旋转而蜗杆为从动旋转时的总传动效率。 ( 3 ) 电梯的动态力矩 ( 2 - 1 1 ) 由公式2 3 可知电梯的动态力矩与电动机轴上的总的飞轮矩g d 2 有关，飞轮 矩g d 2 可以表示为 g d 2 = ( g d2 ) 。+ ( g d 2 ) 。十( g d2 ) ( 2 一1 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 式中，( g d 2 ) 。是电动机同一铀上的飞轮矩； ( g d 2 ) 。是蜗轮同一轴上的折算到电动机轴上的飞轮矩； ( g d 2 ) 。是电梯垂直平移运动部分分别按储存动能相同的原则折算 到电动机轴上的飞轮矩。 由力学知识可知，旋转体的动能为 ! m 2 = 一1 壁( 翌) 2 g 7 d 1 5 2 n _ _ 丝0 2 ，( 2 - 1 22 4 9 6 0 3 ) 、 7 1 5 0 叫 设蜗轮同一轴上的飞轮矩为( 2 ) 。，转速为n 。，折算到电动机轴上飞 轮矩为( g d 2 ) 。，电动机转速为n ，则按照能量守恒原则得出 c g d 2 ) r - 墨：竿 p 设轿厢和对重总熏量为g 。= m 。g ) ，运动速度为v 。( m s ) ，则按照能量守恒 原则得出电梯垂直平移运动部分分别按储存动能相同的原则折算到电动机轴上的 飞轮矩 ( g d 2 ) l = 3 6 5 譬 ( 2 1 5 ) 根据式2 - 1 1 、2 - 1 3 、2 - 1 4 可得电动机上总飞轮矩 g d 2 ：( g d 2 ) m + 丁( g d 2 ) g + 3 6 5 譬 ( 2 _ 1 6 ) ln ( 4 ) 电梯的速度与加速度控制 令曳引轮直径为| p ，转速为，l 。，电动机转速为n ，则轿厢运行速度v 可表示 为 。：竺：坐 可得 6 0 i v ：r d 。 浙江工业大学硕士学位论文 塑：盟立：旦d d t r e d gd t 哦 代人式2 - 3 可得 ， g d 2d ng d 6 0 i o r t 一。丽面2 丽百 因此 a = 器瓯= 篆( t 删 ( 2 _ 1 7 ) 由式2 一1 7 可知，对一定载重量运行中的电梯，除了电动机的电磁转矩外， 其他各量均为常量，因此控制电动机的电磁转矩t 就可控制电梯的运行加速度和 速度。 2 2 2 电梯轿厢运动模型 轿厢运动速度v 和曳引轮转动速度1 1 2 之间始终保持着线性关系： p ，：翌：婴 ( 2 1 8 ) 6 0 式中f t 一曳引轮的半径 钢丝绳拉力r 与曳引轮扭矩己的关系为： f ：墨( 2 1 9 ) 。 在构造机械动力学模型的过程中，我们需要进行一些简化：由于钢丝绳的弹 性要比轿厢、对重、曳引轮和导向轮大得多，我们把轿厢、对重和曳引轮和导向 轮视为刚体：钢丝绳的质量与轿厢、对重相比要小得多，可以忽略不计。相比之 下，连接曳引轮、导向轮的钢丝绳很短，我们认为是刚性的。我们将电梯简化为 图2 7 所示的力学模型。 浙江工业大学硕士学位论文 i f g 厂 、 f ff f 1 f j ，r 图2 7 轿厢受力计算图 此模型具有四个自由度，其位移矢量为 x 三fx l ，x 2 ，庐j ，西o )( 2 - 2 0 ) 系统总动能： y = l m l x ? + i 1m ：j ；+ i 1 ，贫+ 丢，。戎( 2 - 2 1 ) 系统总势能： u = m l g x l 十去k ，b 妒。+ ) z + 2 6 ，g 屯+ _ ) 】一m ：g x ：+ i 1k ：k 。一：y + 2 疋g ：一r 2 口：) ( 2 2 2 ) 式中嘏。电梯轿厢、轿厢架及其附件质量： “2 平衡重质量； mx 2 电梯轿厢，平衡重的位移； mj 。，曲，曳引轮的绳槽半径，转动惯量，角位移； r 2 ，j 2 ，驴：导向轮的绳槽半径，转动惯量，角位移； 浙江工业大学硕士学位论文 k i ，占l 牵引轿厢一侧曳引钢丝绳的等效刚度，静变形； 赶，6 2 牵引平衡重一侧曳引钢丝绳的等效剐度，静变形； 由拉格朗日( l a g r a n g e ) 方程，得到系统的运动微分方程组如下 加t 葛一岛( 鹏一五，) = 乃一 m 2 i z k 2 ( j 2 一r 2 争2 ) = 兄一f r ，l 戎+ 毛( 晚一 ) ：疋+ 。( 2 - 2 3 ) ，2 妒2 一女2 ( 彳2 一，2 晚) r 2 = 一t r 2 式中，f作用在轿厢上的力分别有轿厢自重与负载之和； 一空气和磨擦阻力； r 连接曳引轮、导向轮的钢丝绳拉力。 其矩阵形式为： 嵯 o k。0一t ，吒0 工， o 七2 o 七2 一l 0k t r l 2 0 0 ，1 o 一2 r 2 o 2 l ，： 记为： m i 2 ) + 【朋 z 】： q ) m i 为质量矩阵： 明= 咖1 ，m 2 ，j l ，j 2 】 圈为刚度矩阵：【k i = 【q 】为外力列阵： q i = 七】 0 一k j o 0 一k 2 0 一豇2 r 2 f i f j f d ff 疋+ i f x 气 一k 1 1 0 k 2 2 o 0 七2r 2 0 女：疗 f i f j f d f j 疋+ t 一c 屹 ( 2 - 2 4 ) r 2 2 5 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 3v v v f 电梯速度控制研究内容及分析 2 3 1 电梯速度闭环和位置闭环控制实现 一般速度闭环控制都是通过套在电动机上的旋转编码器的反馈实现的，变频 器通过计算单位时间内旋转编码器发送过来的脉冲数就可获得电梯的实时速度 值。 由于电梯速度控制系统是根据运行中的电梯轿厢位嚣值给变频器发出相应的 速度控制指令的，因此位置反馈直接影响到了速度控制的精确性。图2 - 8 和图2 - 9 是目前普遍采用的两种速度控制方式。图2 8 由于采用井道磁开关获得轿厢位置 信号，故它只能获得电梯减速点、门区等几个点的位置信号反馈给变频器，因此 这种方式的速度控制精度不高，只能对电梯进行多段速控制。 图2 - 9 用旋转编码器获得电梯速度信号的同时计算电梯运行总时间内旋转编 码器发出的脉冲数，并将此信号经过整型、分频发给电梯主控制器，从而实现了 电梯的位置反馈。这种方式获得的位置反馈信号是连续的实时轿厢位置值，可以 据此位置值进行按距离原则的速度控制，因此速度控制精度较高。其主要缺点是 轿厢位置值是通过计算旋转编码器的脉冲数间接获得的( 因此本文将基于此种方 式进行按距离原则的速度控制方式称为相对位置的距离速度控制方式) ，不能解决 旋转编码器存在着的丢失脉冲及钢丝绳打滑引起的轿厢位置失真的问题。 罔2 - 8 用磁开关获得轿厢位置信号的速度控制原理图 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 9 用分频信号获得轿厢位置信号的速度控制原理图 图2 1 0 基于绝对值编码器速度控制原理图 针对目前各种速度闭环控制方式的不足之处，本文提出了电梯速度双闭环控 制结构，其原理图如图2 一l o 所示，它采用绝对值编码器直接获得轿厢的实时位置 并计算出时速度传递给变频器，同时通过旋转编码器获得电梯的实时的实际运行 速度来调节变频器的输出频率与电压，形成了速度的双闭环控制，提高了速度控 制的实时性与精确性。 2 3 3 电梯的速度控制方式 ( 1 ) 基于时间为原则的绘出运行曲线吲 以时间为原则的运行方式依据理想给定曲线按时闻值给变频器发送速度控制 指令，给定速度曲线足由存贮在e 2 p r o m 中的速度控制点和存贮在变频器中 浙江工业大学硕士学位论文 1 一单层运行曲线2 一其它楼层运行曲线( 未进入额定速度) 3 一额定速度运行曲线 图2 - 1l 有爬行段的速度运行曲线 速度频率值及加减速时间和s 字特性时间构成。 如图2 1 1 所示是以时间为原则的运行方式的速度运行曲线，它根据电梯的各 个位置检测点的输入来确定电梯的运行阶段，并在确定运行阶段之后对照存储在 e 2 p r o m 中的速度曲线以一种开环的方式运行。电梯运行至高速段和爬行段时， 通过延时的方式来控制电梯的运行，这种延时方式是开环控制，延时时间是一个 估计值，使得在电梯制停阶段存在着一个速度的爬行段。因此该运行方式的运行 效率低下，平层精度不高，舒适性也不好；而且，为了找到适当的控制点位置， 电梯调试人员要做大量的工作。 ( 2 ) 基于旋转编码器的轿厢榻对位置按距离方式给出运行曲线【5 】 图2 - 9 所示是此种方式速度控制原理图。此控制方式的电梯理想曲线是按照 时间原则设计的，由于电梯运行的速度曲线与位移曲线是一一对应的，我们已经 知道了电梯需要停靠的位置，并且可以通过增量编码器很精通地测量出轿厢的位 置，所以我们可以按照距离为原则对电梯进行精确地控制。 理论上这种电梯速度控制方式能做到无爬行的制停停靠。但是，这种方式是 通过安装在电动机上的旋转编码器间接获得轿厢位嚣，由于曳引轮槽与钢丝绳之 间必然存在的打滑现象，控制器极易失去轿厢当前准确位置，当进入减速段运行 时它不得不通过井道磁开关不断校正电梯轿厢的位置，故它在实际停靠时也存在 着爬行停靠，其速度运行曲线与图2 一l1 差不多：如果打滑严重的话，还会形成电 浙江工业大学硕士学位论文 梯事故。另外，由于干扰的存在，增量编码器的丢失脉冲也可使电梯失去自身正 确的位置。如安川6 7 6 g l 5 电梯变频器，它也是根据相对距离给出电梯运行速度的， 但由于它是靠计脉冲数的方式获得电梯位置的，很容易受到干扰而丢失脉冲。 国内的西子奥的斯和天津奥的斯的电梯就是采用上述方式进行速度控制的。 为了解决钢丝绳打滑引起的失去轿厢位置的问题，也有不用旋转编码器的以距离 为原则的运行方式。如法国欧的诺电梯采取了从井道顶部引一个打孔的刚带到井 道底部，利用装在轿厢上的磁开关获得轿厢位置。但是一旦电网断相、错相、欠 压或停电时，控制系统就会失去当前轿厢位置，使运行中的轿厢锁死，把乘客困 在轿厢中。 ( 3 ) 时间与距离相混台方式给出运行曲线f 4 1 该运行方式有机地结合了上面所提到的两种运行方式，运行过程基本上沿用 两者的特点：采用了起动段受时间控制、减速段受距离控制的方式，使电梯能够更 好地运行，减小了起动段的速度计算的复杂性，同时致力于解决减速段的爬行停 靠问题。 由于在现阶段此种方式仍是通过旋转编码间接获得轿厢的实时位置的，故它 的不足之处和前面提到按相对距离给出速度运行曲线是一样的，仍旧未解决现有 的问题。 ( 4 ) 绝对剩余距离方式给出运行曲线 绝对距离是通过绝对值编码器连续地实时测得的轿厢实际位置，绝对剩余距 离是实时的电梯轿厢至欲平层位置的距离。系统根据澳9 得的绝对剩余距离实时计 算电梯运行速度，给变频器发出速度控制指令，控制电梯的运行。 如前图2 1 0 所示，这种方式由于采用了绝对值编码器直接获得轿厢位置信 号，它不受钢丝绳打滑的影响；同时，绝对值编码器给出的是二进制编码，故它 不存在丢失脉冲现象。系统根据测得的绝对剩余距离实时计算电梯运行速度，给 变频器发出速度控制指令，控制电梯的运行。在电梯平层时，系统根据电梯的实 时位置值计算出剩余距离，在足够短的距离内给出减速信号，并给出相应的速度， 达到减速点到平层位置速度的平滑过度，做到图2 1 2 所示的无爬行停靠。与此同 时，旋转编码器又把电梯速度反馈给变频器，以便系统根据电梯的 浙江工业大学硕士学位论文 l 。最短总距离运行曲线2 一非最短总距离运行曲线( 未进入额定速度) 3 一额定速度运行曲线 图2 1 2 本系统速度运行曲线图 实时速度来调节系统的给出速度，提高电梯速度控制的实时性，同时提高了电梯 的运行效率和舒适感。 2 3 4 电梯速度运行曲线分析 1 ) 常用电梯速度曲线 电梯速度控制系统的速度给定曲线，直接影响了人们乘坐电梯的舒适性及运 行效率，选择合适的理想运行曲线是保证系统性能的基础。曲线设计主要考虑的 是电梯起动阶段的速度益线的设计，减速阶段的速度曲线可以按对称原则得到。 常用电梯曲线主要有2 种，抛物线曲线( 图2 - 13 ) 和正弦曲线( 图2 1 4 ) 。图2 1 3 和图2 1 4 从一e 至下分别为依次为整个运行过程的速度一时间关系图、加速 度一时间关系图以及加速度变化率一时间关系图。 进一步对梯形速度曲线和正弦速度曲线的分析中可以看到，抛物线速度曲线 在由二次曲线( 抛物线) 向比例曲线和比例曲线向二次曲线( 抛物线) 过渡以及电 梯启动和制停时，虽然加速度是连续的，但是其加速度变化率却产生了跳变， 浙t r _ t _ l t 大学硕士学位论文 r 卜 e b i i 。j 一 ii iii i li a 1l ；： f a j o f k 图2 1 3 抛物线曲线图2 一1 4 正弦曲线 影响了电梯运行的舒适性。而正弦速度曲线由于它函数本身的特性，在正弦曲线 与比例曲线过渡时，不但加速度曲线是连续的，其加速度变化率曲线也是连续的 仅在电梯启动和制停时加速度变化率有一次跳变。 提高电梯乘坐的舒适性是本课题主要的任务之一，考虑到正弦曲线的速度、 加速度和加速度变化率( 加加速度) 均为连续变化，丽且在电梯启动时和电梯停 靠时速度的变化是很缓慢的，能有效的防止产生乘坐的上浮感和下沉感，故本文 采用正弦曲线作为速度控制的运行曲线。 2 ) 电梯速度运行曲线的比较 由前面的分析可知，由于存在着不可克服的缺陷，目前国内流行的按时间原 则和基于旋转编码器的按距离原则的电梯只能运行图2 - 1 1 所示的速度运行曲线。 由图2 一1 1 可以发现此曲线在电梯制停时存在着爬行停靠问题，即电梯在较长 时间内( 图中c d 段曲线) 运行一个极低的速度( 爬行速度) 才能实现电梯平层 的目的，爬行速度的存在是造成电梯运行效率低下的一个极大的原因；另方面 川芥 浙江工业大学硕士学位论文 当电梯按非额定速度曲线( 图中曲线i 和2 ) 运行至高速段时( 图中a b 曲线) ， 系统也要通过延时的方式才能进入减速运行阶段，这也增加了电梯总的运行对阕， 降低了电梯的运行效率。 而本文在采取一系列措施的基础上运用剩余距离控制电梯的运行速度，使之 自e 按图2 - 1 2 所示的醢线运行。首先此运行盥线消除了电梯运行中的爬行段，电梯 进入减速段时能按照正弦曲线实现从高速到制停停靠的光滑过渡，同时正弦曲线 的特性保证了电梯乘坐的舒适性。其次，本系统运行非额定速度曲线时始终走的 是一条速度、加速度连续变化的正弦趣线( 有直线段的正弦曲线，具体实现见第 3 章内容) ，进入高速后并不进行时间上的延迟，而是马上进入减速阶段运行，减 少了电梯总运行时间。 2 4 2 电梯实时速度调节 在进行电梯速度控制时，系统需根据实时速度对给定速度进行调节。电梯速 度调节的方法主要有l ： ( 1 ) p i d 控制。p i d 控制是目前控制领域应用最广泛的一种控制方法。它控制 方法简单，通过调整三个参数，即比例常数、积分常数和微分常数控制被控对象 的快速性和稳定性。但是p i d 控制的三个参数需要在实际应用中调整，而电梯曳 引系统并非一成不变，因此，p i d 参数在具体对象的应用中调整有一定困难【1 1 1 【1 2 】 1 3 1 ，需要在实际应用当中不断调试以找出p i d 值。 ( 2 ) 智能p i d 控制。主要是模糊控制理论和p i d 的结合，在p i d 的三个参数、 控制系统、反馈误差之间建立一种模糊关系规则。当系统的参数变化时，p i d 的 三个参数可以在线调整，大大加强了p i d 控制算法的鲁棒性1 1 1 4 】。 i3 ) 电梯运行速度的p d f 控制文献【1 2 1 。美国康奈尔大学的p h a l e n 教授最早 提出伪微分反馈( p s e u d o d e r i v a t i v ef e e d b a c k ) 控制，简称p d f 控制。这种控制 方法要求在闭环系统的前向通道中只用积分运算，而在反馈通道中引入被控量的 各阶微分，以保持系统的稳定性和最佳响应。该控制方法具有抗干扰能力强、负 载能力大、对被控对象的参数变化不敏感以及算法结构简单等优点。对于伪微分 反馈，工程上所要求的微分阶次要比它在反馈网络中所超的微分效果阶次低一次。 若被控系统是二阶，则一般的微分反馈要求获得被控变量的二阶微分，而伪微分 浙江工业大学硕士学位论文 反馈只要求获得被控变量的一阶微分，这在工程上具有非常重要的意义。 ( 4 ) 电梯运行速度的预测控制啪【1 5 】。在电梯启动加速度和减速制动段，速度 曲线是变化的，常规的p i d 控制不能很好地按给定速度曲线运行。通过预测控制， 将此两段速度的变化率以一定的方式前馈到控制器中，必将减小电梯的启动死区， 进而提高超高速电梯的运行品质。 ( 5 ) 多模式模糊控制【16 1 。普通模糊控制的跟踪性能和定位精度不高的原因在 于偏差e 的档次分得太粗。这种模糊控制算法，对偏差e 的基本论域为某一确定 的范圉，具有较好的控制效果。但如果偏差e 的基本论域与系统的设定参数有关， 或者说，偏差e 的基本论域是一个变量，那么用普通模糊控制器就很难得到理想 的控制效果。克服这个缺点的方法是使普通模糊控制和其它控制方式相结合，相 互取长补短。 ( 6 ) 神经网络控制7 】。电梯在实际运行的过程中，存在着超调、振荡和死区， 特别是在电梯运行的起动和平层段，严重影响液压电梯乘坐的舒适感。神经网络 以其高度的非线性逼近映射、特有的联想记忆、在线学习和优化等功能，使其在 控制领域得到了广泛的应用。文献p 1 1 中提出了基于c m a c 的新型控制结构，首次 将c m a c 算法应用于电梯的速度控制，取得了满意的控制效果。文献1 7 1 中提出了 神经元非模型控制方法，仿真实验证明，该方法具有很强的适应性和鲁棒性。 比较以上各种速度调节的控制方法，考虑到p i d 控制方式较简单，易于用编 程实现数字的p i d 控制，因此本文在速度控制模块内编写了数字p i 速度调节程序 对电梯的给定速度进行实时调节。 2 5 本章小结 电梯速度控制系统主要由电梯主控制器、位置检测装置、速度运算单元、变 频器和电动机等组成。本章简要介绍了速度控制系统组成部分的现有常用的设备 及种类，进而介绍了s c d s 速度控制系统各组成部分的选择。 建立了电梯的拖动数学模型和轿厢运动模型。 分析了现有的速度控制系统的各项内容，在比较现有各种速度控制方式的特 点尤其是速度运行曲线的特点的基础上，阐明了本文的基于剩余距离速度控制的 优点。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章s d c s 速度控制算法设计 【摘要】简要介绍了本文研究的s d c s 速度控制系统组成方案，详细阐述 了速度运行曲线的设计、实时速度计算和速度调节的算法。 3 1s d c s 速度控制系统方案 变频器 电机 图3 - 1s d c s 速度控制系统框图 由前面的分析可确定s d c s 速度控制系统的组成方案，图3 - 1 所示是其组成 示意框图。它主要由b p 3 0 2 主控制器、k e b - f 4 变频器、绝对值编码器a w g 一0 5 、 旋转编码器、速度控制模块等组成。 对 重 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 2s d c s 速度控制原理图 第二章的图2 一1 0 给出了系统原理图，s d c s 系统可进一步表示为图3 2 。相 应的控制方案如下： 1 ) 采用绝对值编码器直接将轿厢位置信号反馈给主控制器，使系统能够得到 高精度的电梯运行中轿厢的位置值： 2 ) 采用旋转编码器反馈电梯的实际运行速度给变频器，由变频器对实时速度 进行p i d 调节，形成双闭环的速度控制； 3 ) 采用正弦曲线作为电梯运行的速度控制曲线，提高电梯运行舒适性； 4 ) 设计速度算法，实现由剩余距离值对电梯运行速度的实时控制。 3 2s d c s 速度控制算法 3 2 1 速度运行曲线的设计 本文前面提出了s d c s 速度控制系统是采用正弦曲线作为电梯速度控制的运 行曲线。设正弦曲线的幅值为a ，考虑到电梯速度控制的特点，我们要求在起动 阶段速度的斜率要和水平轴相切( 保证加速度曲线和加速度变化率曲线的光滑性， 提高舒适感) 。正弦曲线和余弦啦线在本质上是一致的，为此本文先将ac o s ( n ) t ) 曲 线向下平移a ，然后将其翻转得到本文设计速度理想曲线的最初模型( 图3 - 3 所 浙江工业大学硕士学位论文 图3 3 a ( 1 一c o s ( f - 0t ) ) 的曲线 示的曲线图) ，其速度计算公式为： v = a ( 1 _ c o s ( t ) )( 3 - 1 ) 设l 是电梯运行一个完整的速度运行曲线走过的总距离，“是走完额定速 度运行曲线的总距离，厶是l 中的最小值。在按距离原则控制电梯运行速度时， 一般是当要走的总距离为厶时电梯运行标准的正弦曲线，而当要走其他的l 值时 运行的是非标准的正弦线速度运行曲线。 如图3 - 4 所示是本文设计的电梯运行曲线图，设v 。是走k 时曲线所能达到最 高速度，v 。是额定速度，u 是其他运行总距离时所能达到的最高运行速度。 在起动阶段： 1 ) l = k ：此时电梯走一个标准的正弦速度曲线( 图3 4 中曲线1 的o a c 段) ，其幅值a = 孚； 2 ) k l l n ：此时 v l v 。，电梯运行的是图3 4 的曲线2 。电梯先运 行曲线2 的o a 段( 此段曲线形状与曲线1 的o a 段是完全一样的，是标准正弦 曲线的前半段) ；运行到t = 兰的a 点时，电梯开始运行斜率为a = a c o ( ，n 1 浙江工业大学硕士学位论文 丌 2 t o 1 一最短总距离运行曲线2 未进入额定速度的运行曲线 3 一额定速度的运行曲线 图3 _ 4 电梯速度运行正弦曲线图 加速度为固定值a o ) ) 的直线段a b 7 ，之所以选择加速度廿= a m 的直线，是为了 保证与前一段曲线光滑相切；当运行到速度为v ，一a 时，电梯开始运行曲线b 7 c ( b c 7 与曲线1 的a c 段是完全一样的，是标准正弦曲线的后半段) ，直至运行 到总距离的二分之一处( 速度为v ，) ，电梯沿着与上升段对称的曲线进人减速段。 3 ) l l n ：其过程基本上与曲线2 的运行过程一样，只不过电梯运行加速 度口= a a ) 的直线的时间要长一些，同时进入额定速度后，电梯将进入匀速运动阶 段直至电梯进入减速段。 运行标准正弦速度蓝线时： 速度v = a ( 1 一c o s ( f ) ) 走过的距离s ：a ( f s i n ( c o t ) ) 加速度“= a ( os i n ( c o t ) 加速度变化率( 加加速度) ：p = a 2c o s ( o ) t ) 浙江工业大学硕士学位论文 上升段c 或下降段) 运行总时间t = 丌， 运行非标准正弦速度曲线，可以将电梯的运行曲线分为三个阶段，为了便于 叙述，现统一用o a 表示电梯运行的正弦线前半段曲线，a b 表示电梯运行的直 线段曲线，b c 表示正弦线后半段曲线，t 。、f 。、屯、s 。、s 。、s 。等是对应点的 时间值与运行的距离值，r 。是直线段运行总时间，v ；是c 点的速度值，也是速 度运行曲线能达到的最大速度值，则： o a 段( 正弦线前半段) ： v = a ( 1 一c o s ( f ) )( 3 - 2 ) s ：a f f s i n ( w t ) ) ( 3 - 3 ) 铲三，( 3 - 4 ) a = a = a ( 3 5 ) a b 段( 直线) ： 圹加。一等乎) 叫寺( 3 _ 6 ) v = v + a ( t t ) = a + a m ( t t ) ( 3 - 7 ) s = v 。( t - t a ) 十丢“1 ) 2 + s 。 = a ( t - t a ) + i 1 a ( t - t a ) 2 + s 一v f y 一v f 一2 a 一百一f t 日2 t + t 8 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) v 自= v ，a ( 3 一1 1 ) s 口= a f 日c + l a w ( f 口) 2 + s ( 3 - 1 2 ) b c 段是标准正弦曲线的后半段，只需加j 二直线段所走过的速度值，便可得 浙扛工业大学硕士学位论文 到此段速度公式，依次可得到其他公式： b c 段( 正弦线后半段) ： v = ( v ，一2 a ) + a ( 1 一c o s ( c o ( t t f ) ) = v f a a c o s ( c o ( t 一，”( 3 - 1 3 ) j = j v d t+j 8 - - - ( ( v ，a ) - 景s i n ( 0 9 0 - t a n ) ) ) i ；。坞 国 ” ” = ( v i - a ) ( 卜f b ) 一i as i n ( ( t - t a b ) ) + + 石a ( 3 - 1 4 ) 铲如+ 乏脏三+ i v i - 2 a ( 3 - 1 5 ) v c = v i( 3 - 1 6 ) 由于o a 与b c 是反对称的，从图3 - 4 可以看出电梯运行上升段( 或减速段) 的总的运行距离可以表示为 ：1 ( 3 - 1 7 ) i v l t c 3 - 1 7 5 以上各式可知，只要确定标准运行曲线的幅值a ，c o 及速度v ；就可以确定曲 线的各阶段的特征点的参数值f 。、t 口、t c 、t 。、s 。、s 口、s c 。 在实际应用中，一般在变频器中要设定电梯运行的最大加速度( 即多端速的 加速斜率) 、最小运行速度( ) 、额定速度( 也可设定额定速度、最大加速度与 最大加速度变化率) ，本文将这些变频器参数读入到程序中，就可确定标准运行曲 线的幅度值( 最小运行速度的一半) ，同时将给定的最大加速度值作为运行的直线 段的斜率，于是得到= 望塞堕量盔a 垫巡。确定了、a 和后就可以求出 电梯最短运行总距离和额定速度的运行曲线各阶段的参数。 当电梯所要运行的总距离为k l l | 一l r 口铽 。= k + k 。 0 38 浙江工业大学硕士学位论文 l z o = k 。一s i 为l 。变化次数，有呼梯信号时就将l f 。加上l 。，值，无呼梯信号则 不变化，电梯进入减速运行。 系统这样给出剩余距离的好处在于：一是便于确定速度运行曲线，易于电 梯运行减速段的速度控制实现。二是实现了“截梯”功能。所谓截梯就是电梯响 应了某楼层的召唤起动后，在刚开始运行的一段距离内( 在进入剩余距离变化 参考距离之前) ，如果有人在起始楼层和目标楼层之间呼梯( 同一运行方向) ，系 统仍会响应此呼梯号。现在绝大部分电梯是没有截梯这项功能的，本文截梯功能 的实现极大提高了电梯运行效率。 v ( m s ) 2 5 0 24 1 3 1 9 2 4 1 单层速度运行曲线2 一双层速度运行曲线3 三层速度运行曲线 4 一四层速度运行曲线5 其他层高运行曲线 图3 - 6 既定剩余距离给出方式下的速度运行曲线图 以本文实验为例，假定层高为3 m ，图3 5 是对应于实验相关设置的剩余距离 的变化示意图，图3 - 6 是据此剩余距离给出方式得出的相应楼高运行的理论速度。 现实中由于要求和没计的不同，每幢大楼的层高不一定相同；即使设计的层 浙江工业大学硕士学位论文 高是一样的，建造误差等原因也会使得各层高之间存在差异。因此本文在确定了 最短运行总距离和额定速度运行总距离的基础上，通过前面所述的在既定标准： 弦曲线增加运行加速度恒定的直线得到其他各运行总距离的速度，具体的实现方 法在下面介绍。 3 2 4 速度算法与实现 本文的速度控制是基于绝对剩余距离的速度控制，而前面给出的公式( 3 2 ) ( 3 1 0 ) 都是时问的幂函数，由这些公式找出直接的距离一速度关系公式是极其困难 的。因此本文采用了间接的算法来控制速度。具体来说，在电梯运行过程中系统 能实时得到电梯的剩余距离，由此可根据时闻距离的关系利用代法反求出对应 于此剩余距离值的时间值，再根据算得的时间值由时间一速度公式求出实时的速 度。 设l 。是系统给出的初始剩余距离值。设k 是用来计算实时速度的变量， 在e 升段它表示电梯走过的距离值，大小是初始给出的剩余距离值减去实时传递 过来的剩余距离值，即l n 。= 上。一l j 。；而在减速段l 其值就是剩余距离，即 l 。= k 。 如图3 7 和图3 8 所示是根据系统剩余距离值计算速度的流程图。由前面的 分析可知，根据系统给定的初始剩余距离工。能容易的求出对应于给定运行总距 离的v 值，于是可根据公式( 3 2 ) ( 3 1 8 ) 先计算出电梯运行各阶段( 3 个阶段) 的 特征值t 。、b 、f c 、t 。、s 。、s 。、s c 等参数，在此基础上可由实时的剩余距离 值经迭代计算反求出相对应的时间值( 设此时间值为l 。) ，进而计算出实时速度。 一般的迭代法有二分法和牛顿迭代法，本文采用二分法求出对应于实时距离 的时间值。图3 - 9 所示的是解距离求时间值7 0 的算法流程图。 当电梯运行时，速度控制模块要不断根据剩余距离值进行速度汁算。而本文 的程序是在a v r 单片机上运行的，用迭代法反求时间值的算法在程序语言 ：是通 过不断循环求解实现的，如果这个循环时间过长的话会严重影响程序的可执行性， 甚至会导致速度控制模块与电梯主控制器及变频器的通讯出错，因此有必要采取 浙江工业大学硕士学位论文 图3 7 速度讨算流程图1 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 8 速度算法流程图2 42 浙江工业大学硕士学位论文 图3 9 解距离方程反求瓦。算法流程图 浙江工业大学硕士学位论文 一系列措施提高迭代运算和速度运算的程序执行速度。 采用二分法迭代运算时，确定合适的迭代的时间值初始区间( 王，e ) 极其重 要。本文构思了2 种区间给定的方法进行了速度控制。一种是在原