（检测技术与自动化装置专业论文）电梯智能控制系统研究.pdf

摘要 本文首先对电梯系统的现状进行了分析，指出了现在的电梯控制系统的一些 不足和需要改进的地方，并就单部电梯( 以下简称单梯) 运行时的速度控制和多 部电梯( 以下简称多梯) 运行时电梯群控进行了提高性能方面的论证、设计和仿 真验证。 论文的第二、三章是对单梯速度控制系统方面的改进。通过对现今电梯速度 控制进行的研究，设计了一个速度控制模块实现基于剩余距离的电梯速度控制。 具体原理是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，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，并运用p i d 算法进行速度控制调节。基于此 原理设计了相应的速度控制模块，并对其进行了模拟仿真和性能测试，证明了该 模块能够提高单梯运行的性能。 论文的第四、五章进行的工作是对电梯群控系统的改进。本文将模糊控制应 用于电梯群控中：首先将大楼客流量的交通构成和客流强度作为交通模式的输入 量，通过模糊推理将交通模式扩展至1 2 种；其次将平均候梯时间( a 、t ) 、平 均乘梯时间( a i 盯) 、长时间候梯率( u 开) 、能耗( r p c ) 四个重要目标的加权 平均值作为评价函数，并根据不同的交通模式调整加权系数，实现不同交通模式 下电梯群的优化控制；最后本文构建了基于泊松分布大楼客流交通模型，并采用 电梯群控系统的调度算法进行了仿真。仿真结果证明，同传统的集选控制系统相 比，基于模糊控制技术的电梯群控系统的平均乘梯时间、平均候梯时间、长时间 候梯率以及电梯能耗都有了明显的降低，充分证明了基于模糊控制技术的群控算 法的有效性和可行性。 关键词：速度控制模块剩余距离双闭环控制模糊控制综合评价函数 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s th a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe l e v a t o r s y s t e m ，p o i n t e do u tt h ei n s u f f i c i e n to ft h ep r e s e n te l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hn e e d s 协i m p r o v e 。a n dt h ep a p e rm a d e 魏s i g n sa n ds i m u l a t i o nc o n f u m a t i o n st oe n h a n c e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i n g l ee l e v a t o rs p e e dc o n t r o la n dm u l t i e l e v a t o rr u n n i n g e f f i c i e n c y t h es e c o n da n dt h r e ec h a p t e r so ft h ep a p e ra r et oi m p r o v et h es i n g l ee l e v a t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e m t h r o u g hc a r r i e dr e s e a r c ho n t ot h en o w a d a y se l e v a t o rs p e e d c o n t r o ls y s t e m , t h ep a p e rd e s i g n e das p e e dc o n t r o lm o d u l et oc o n t r o lt h es y s t e m w h i c hb a s e do nt h ee l e v a t o rs u r p l u sd i s t a n c es p e e dc o n t r 0 1 t h es p e e dc o n t r o l s t r a t e g yi st h a tt h es y s t e mc o n t r o l st h es p e e do fe l e v a t o ra c c o r d i n gt os u r p l u sd i s t a n c e f 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 eu 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 o t h er e a l t i m es p e e df e e d b a c kf r o mr o t a r ye n c o d e r , w h i c hm a k e st w o c l o s e dl o o pc o m et r u e t h e nt h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gs p e e dc o n t r o l m o d u l e , c a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt op r o v et h a t t h i sm o d u l e 髓丑e n h a n c es m # e e l e v a t o r m o v e m e n tp e r f o r m a n c e t h ef o u r t ha n df i f t hc h a p t e r so ft h ep a p e ra l et oi m p r o v et h ee t e v a t o rg r o u pc o n t r o l s y s t e m t h i sp a p e ru s e df u z z yc o n t r o lt e c h n i q u ei nt h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rm a k et h et r a f f i cc o m p o n e n t sa n dt h e 删ci n t e n s i t ya st h ei n p u t v a r i a b l e n e s st oa c q u i r et w e l v et r a f f i cp a t t e r n st h r o u g hf u z z yr e a s o n i n g t h e n , t h ep a p e r a n a l y z e sd e t a i l e dt r a d i t i o n a ld i s p a t c h i n ga l g o r i t h mt h a ti ss h o r to ft h ev e r a c i t ya n dt h e m a t u r i t ye r e , am o r er e a s o n a b l en e we v a l u a t i o nf u n c t i o ni sb u i l tu p t h ew e i g h t a v e r a g eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o u re v a l u a t i o nt a r g e t s ，i n c l u d i n gl o wa v e r a g ew a i t i n g t i m e ( a w t ) ，l o wa v e r a g er i d i n gt i m e ( a r t ) ，1 0 wl o n g - t i m ew a i t i n gp e r c e n t ( l w e ) ， l o wt i d i n g - p o w e rc o n s u m e ( r p c 、a c ta st h ee v a l u a t i o nh n e t i o n f i n a l l y , t h ep a p e r e s t a b l i s h e das i m u l a t o rm o d e lo ft r a n s p o r t a t i o nb a s e do l lp o i s s o n d i s t r i b u t i n g 。 m a d eas i m u l a t i o nw i t hd i s p a t c h i n g a l g o r i t h mo ft h ef u z z ye l e v a t o rg r o u pc o n t r o l 。t h e s i m u l a t i o nr e s u l to ft h ef u z z ye l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e ms h o w se v i d e n td e c r e a s e o na v e r a g ew a i t i n gt i m e ，l o n g - t i m ew a i t i n gp e r c e n t , r i d i n g - p o w e rc o n s u m ea n d a v e r a g er i d i n gt i m ec o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lc e n t r a l i z i n g - s e l e c tc o n t r o ls y s t e m 。i t s h o w sg r e a ts u p e r i o ra n df e a s i b i l i t yf o rf u z z ye l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：s p e e dc o n t r o lm o d u l es u r p l u sd i s t a n c e t w oc l o s e dl o o pc o n t r o l f u z z yc o n t r o ls y n t h e s i z i n ge v a l u a t i o nf u n c t i o n h 长春理工大攀硕士学位论文原割l 生声瞬 本人郑重声明；所呈交的硬士学位论文，电梯智能掇制系统研究是本人 奁攒学教师的措零下，独立进行研究工作所敬得的成果。除文中已经注骥弓l 用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体融经发表或撰筠过的作品成果。对本 文豹磺究做出重要黉献的个人_ 秘集体，均己谯文中以骧确方式标明。本人完全意 识飘本声绣的法律结果由本人承撞。 作者繇蜘年爿日 长春理工大学学位论文黢投使用授投书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长眷理工大学硕士、博士学彼论文版 权使用规定”，同惫长春理工大学保留并向国家有关部门戏机构送交学位论文的 复印传彝邀子叛，灸诲论文被豢阙帮氆阕。零入授毅长春骥王大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行捻索，也可采阳影印、缩印躐扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师繁 月一同 胃舀 1 1 引言 第一章绪论 恕耩终秀一穆篷力攘凌夔特臻秀簿设蘩，跫凌筏生活蘸不霹姣少懿，氇是应 翔躐为广泛的垂直交邋遨输工具。早在1 8 8 9 年，美雷的奥的新公司制造的有直 流甑动机通过蜗杆涡轮减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机， 成为现代电梯的鼻祖【l i 。 踟于电梯拖动技术从赢流电动机驱动，到交流单速、交流双逮电动机驱动， 蘩交浚调基谲速( a o f v ) 羧裂，交凌调压谪鬏 鹫速姆v 嘴鼷，嫒愆奄梯控铡技 零举断成熬，热上电予技零、电子计算祝技术、自动控制技术巍魄撵中豹广泛应 用，使电梯运行的可靠憔、安全性、舒适感，平层精度、运行遗鹰、节能降耗、 减少噪声等方面都有了极大改善【2 】。 在电梯拖动技术发臌的同时，由于现代建筑高度的不断增加，电梯的速度也 在不薮鲍握舞。电樗遴菠淹舞鲍目时，其乎稳健秘安全性能也嚣簧褥戮提毫，爨 螽 簿惫撵瞧链懿平餐。逐年来，这一壹莛淹梯研究懿一个燕煮麓戆。 然而随着当前高楼大厦涌现，虽然单纯依靠提高电梯速度、增加电梯数量， 可以寂一定程度上提高电梯的运送能力和服务质量，但提高电梯燃遴能力和服务 质爨的关键在于电梯群的调度，即根据轿箱内的人数、上下方向的停靠次数、层 站稿姨以及电梯轿籍所她的位置等情况，会壤她遘择电梯的最优调度方案来运送 客滤，因魏龟翳群控疲逡嚣生。 电梯群控系统( e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t c m ，筒称e g c s l l 烧在建筑物内同 时控制三部或三部以上电梯，实现电梯群的优化调度，有效运送乘客，改善服务 质爨的系统【3 l 。1 9 4 9 年豳继电器逻辑控制为擞组成的电梯群控系统首次安装在联 合隧大厦，大大提高了魄梯的运行效率和服务质量。到现在，彀梯嚣控系统已经 大爨爨瑗在建筑戆毫梯撩澍系绞孛，莠显凝援寒迄不叛 ! 霉至l 裁毅秘痤弱。 1 2 电梯系统的发展概况 1 2 1 国外概况 在单梯控制系统方鼷，曩前国外发达嚣家的毫梯正在推广3 2 位微机控制系 统。 彀翻罄采趸翔棼爱馈擎强建理瓿控裁蓉凌或多徽筵理较耱溺撩裁系统。在毫 梯传动系统方面，采愆交流变压变频( ￥t v f ) 调速技术，实现电梯从超低速到高速 无级调速的高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感饿等优点。在交 流电机变频调速控制系统中通常采用矢量控制技术，低速控制性能尤为突出。在 电梯反馈系统方唾，除了采用旋转编码器获褥电梯轿厢位置信号外，还有一些厂 家采用绝对值编码器从电梯轿厢上反馈位置信号给系统，对曳引电机进行以距离 为原则的控制，以实现直接平层技术，达到优越的电梯运行效果 4 - 5 1 。 具体到各个电梯厂家的速度控制，其方式又不尽相同。瑞士讯达、美国奥的 斯以及日本三菱、日立和富士均在采用旋转编码器获得轿厢相对位置( 其轿厢位 置值是通过计算旋转编码器的脉冲数间接得到的) 基础上以距离原则给定速度曲 线；德国劳尔和阿贝克基本都是采用按时间原则给定速度曲线的。而德国b p 公 司和l o n e r 公司对以绝对位置为原则的平层控制技术，即用剩余距离控制电梯速 度的技术进行了深入研究，并取得了成功【4 “。 电梯群控系统从二十世纪四十年代至今已经发展了几代。最初时使用继电 器，接着使用集成电路使系统更完善，直到今日发展成为应用计算机的现代化电 梯群控阶段【6 】。 1 9 7 1 年前，电梯群控系统的最初使用的是继电器顺序控制，也称自动模式 选择系统，这是电梯群控的第一个阶段。 电梯群控系统的第二个阶段是1 9 7 1 年至1 9 7 5 年，在硬件上采用了集成电路， 使系统结构简化，大大提高了系统的可靠性并能进行必须的、较为复杂的逻辑运 算。前两个阶段，主要应用数理统计的方法来研究电梯群控特性，这称之为统计 特性。 1 9 7 5 年至今，电梯的现代群控阶段，其标志是1 9 7 5 年计算机开始应用于电 梯群控系统。自从计算机应用于群控系统中后，开始用模糊逻辑、专家系统和人 工神经网络等人工智能技术来描述电梯群控的特性，从而提高电梯群控系统的整 体服务性能，完成电梯交通整体配置1 7 - 8 1 。 1 9 7 5 年至1 9 8 2 年为现代电梯群控系统的最初一代。这一代电梯群控系统， 电梯到达楼层的预报准确度有了提高，但长候梯时间的发生率很高；控制方式是 候梯时间预测控制。 现代电梯群控系统的第二代是1 9 8 2 年至1 9 8 8 年。此时系统中加入了对交通 需求的学习功能和在派梯中使用了综合评价系统。前一改进提高了对电梯群运行 状态预报的准确率，减小了长候梯发生率。综合评价系统极大减少了乘客平均候 梯时间、长候梯时间发生率等【9 l 。 第三代是1 9 8 8 年至今，人工智能在群控系统中得到了深层的研究和应用。 如1 9 8 8 年，富士通公司推出带有模糊控制技术的人工智能电梯群控系统 f l e x 一8 8 0 0 系列【”j ；1 9 9 3 年遗传算法应用于电梯系统并于同年推出新产品f i - 2 3 4 0 g l l l j ；从1 9 9 8 年起，神经网络技术被引入电梯群控系统，用于描述电梯群 控系统的动态特性等 1 2 - 1 3 1 。2 0 0 0 年以后，对各种智能控制系统进行改进完善及 智能方法的有效技术融合成为研究热点和应用趋势。 1 2 2 阑内概况 j i 重嚷攥系统方嚣貔研究，国内豹亳撵企业起步较堍，相对戆投入也较少，大 多数宣羧弓l 进的国外静成型技术。如速度控制的运行方式和避想运行曲线蒸本上 和国外的差不多。像谰予奥的斯和天津奥的斯，上海三菱和广州日立是用相对位 置原则进荦亍速度控制的；浙江巨人、北京京城中嶷和上海新时达则是按时闻原则 逶霉逮寝控裁熬。考纛裂经谤毪，现有国内静懿睇控嗣系统，遥棠采蠲徽祝或 p l c ( 可编程逻辑控制器) 对变频器进行多段速控制。在电梯倦动系统方面，对于 新装客梯及旧梯改造项目，大多数采用了交流变压变频调速电梯。在电梯威馈统 方覆，采用翅巧速度及馕，利用套农宅极轴上黪壤量编码器产生辣 孛信号爱馕绘 控制系统。在并道信号采集方面，秘前国内电梯般都采用增蚤编码器记数方式 配合双稳态磁开关或光电开关来识别轿厢位置【1 4 j ； 耳前，国内还没裔电梯厂家以绝对位置的剩余距离原则进行速度控制的电梯 速疫羧籁系统，在这方瑟戆骚究凌翊剐舞始起步。 电梯群控在国内的研究也相对较晚，但发展却十分迅速。尤其2 0 0 0 颦以后， 国内的很多高校和研究单位对电梯的群控进行了大量的研究和试验应用，并且针 对应用麟懿阚题进霉了大量的反馈效果论证和投术改进。麴2 0 0 1 年，天潺大学 自动化实验室将基予神经网络的时闻序列预测溅论用于电梯的交通流预测巾，通 过准确的预测交通流来提高电梯避行的效率f 1 5 l 。2 0 0 3 年，该寅验室又尝试着将 遗传算法、模糊控制、神经网络有效结合，用乎电梯群的控制1 1 6 l 。在2 0 0 4 年， 李孛牮等菇蠛是乘客心理窥生理方嚣嚣求为菠潮嚣标，将摸獭控涮应矮子瓷梯群 控以减小乘客的最大冲击次数和最长侯梯时间【l ；同年，上海交通大学将遗传 算法用于电梯群控，建立了多目标优化模型【l 引。2 0 0 5 年，鬓庆大学机械传动国 家重点实验室的杨麓簿将基于专家系统魏原理躲识应用到电搽嚣控孛，并羹取褥 了一定的成采l 埘。2 0 0 6 年，华南疆工大学开发出给予目的艨预约的电梯群控系 统，通过统一收集呼梯信号，统一分配，然后通过显示板告知乘梯者乘坐哪部电 梯来撼黼电梯总的运行效率脚l 。2 0 0 7 年5 月，藻于多传感器的电梯智能群控系 统垂鬣，该系统逶：l 窭袭每一层丈黟审安装一个图像传感器来耩麓戆嚣霎等镞窀裙 的人数，在轿箱下安装称重传感嚣来测算轿箱堂的人数来合理分配电梯，进而提 高电梯的运行效掣2 1 j 。但是，各种人工智能控制方法都有备自的缺点和不足， 如何克服这些缺点遴一步提毫电梯群嚣运行效枣成为主要酶磅宠方自。 1 3 本课题的圈的与意义 调服调频( 、 ，、，f ，v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 筚梯控制系统晟然 已经茨蕊疆多年，毅零遣已经趋予裁熬，毽是葵速凄控裁一粪不裁达到 受令入满 意。而滤度控制性能的优劣直接影响到电梯的效率，人们乘坐电梯的舒适性和安 3 全性，因此本文通过加入旋转编码器和绝对值编码器与电梯现有的控制系统构造 了两个反馈系统，目的在于提高电梯运行的精度和速度，同时提高电梯的平稳性 能。 另外，高层建筑的电梯群控也是当今研究的热点，本文在总结前人的基础上 提出了模糊控制算法，通过对一些具体量的设定实现控制功能，并将此算法进行 四台电梯的模拟仿真运行，通过实验效果来验证算法的正确性和进一步的研究。 自上世纪9 0 年代以来，随着我国经济突飞猛进的发展，我国的电梯生产量 和安装量都居于世界首位。目前，我国己有不少电梯公司，研制出多种型号的电 梯系统，电梯的性能也得到很大的改善，我国电梯行业己初步形成规模。然而， 我国生产的高性能电梯，大都集中在合资企业手中，特别是电梯控制系统，大多 以进口国外为主。因而尽快开发我们自己的高性能电梯控制系统，掌握电梯控制 的核心技术显得尤为重要；另外，本文设计的电梯速度控制系统对旧楼电梯系统 的改造也有一定的应用价值。 1 4 本课题的主要任务与工作 本文主要以电梯速度控制和多部电梯的群控为主要研究对象。通过在电梯曳 引机和轿厢上安装旋转编码器和绝对值编码器实现速度和电梯位置的反馈。在单 梯控制系统的电梯主控制器和电梯专用变频器之间加入速度控制模块，实时地调 节和跟踪电梯轿厢的运行轨迹和速度，进而实现电梯的高效、平稳、安全快速的 运行。 将大楼客流量的交通构成和客流强度作为交通模式的输入量，通过模糊推理 将交通模式增至1 2 种：将平均候梯时间、，平均乘梯时间、长时间候梯率、能耗 四个重要目标的加权平均值作为评价函数，并根据不同的交通模式调整加权系 数，实现不同交通模式下电梯群的优化控制；最后本文构建了基于泊松分布大楼 客流交通模型，并采用电梯群控系统的调度算法进行了仿真。 1 5 本章小结 本章主要介绍了电梯系统的国内外发展现状，本论文的研究目的和意义，以 及本论文要完成的主要任务和工作。 4 第二章电梯的单梯控制系统的分卡斥 2 1 单梯控制系统的组成原理 电梯系统是一个庞大的系统，俸为机电一体化程度较高的交通工具，其涉及 夔其髂蓉绕缓多，褒魏本文主要淤魄攥戆速度按期系绞尧圭癸磅究对象。 电梯控制系统从结构上可以分为三个部分，一是电梯逻辑控制系统，二是电 梯的拖幼系统，三是电梯附属装置控制系统。 电檬的逻辑控制系统主要完成的是采集来鑫厅层、轿鼹、箨遂、瓿房镣不犀 位置、举同往质的鳋郝信号，将它们按一定的遴辑关系迸 亍综含处理，得翔茗重应 得处理结果，进而输出给各控制器件实现控制具体的操作。其具体的系统包括轿 厢内指令系统、厅外呼梯系统、选层定向系统、照示系统、安会保护系统、检修 系统等l 箍l 。 拖幼系统分为接收来自逻辑控制系统的信号，在没有发现故障的情况下，控 制电梯拖动系统以速魔给定曲线为依据，利用横拟或数字控制装置，针对曳引电 机的誉阉调速方式构成豹闭环速度控制系统，灾瑷电梯运动状态的控制l 磷明。 电撵豹辫属装鼗系统主要莞魄梯门系统帮缴急装置系统i 勰。毫梯豹弱系统 要求能够具备运行快捷高效、低噪膏、安全等特点，以保证猩保障乘梯者安全的 前提下自够高效的运作。应急装置系统是当电梯运行中发生故障时，侵电梯能够 按殒惫墩定髭够豹救援程痔运行，程最短熬露溺凑薅葵蠹黍雾效鑫，保藩袋客熬 入身安龛。 2 。2 单梯速度擦制系统的分析 遮发控制控翻系统主要包括寇电群逻辑控铡系统和交额糯动系统嚣部分中。 电梯逻辑控制系统发出相应的运行指令，变频调速系统得到指令后选择相成的控 制方式米控制电动机进行控制，从而实现电梯的正常运行。 惫撵系统是一秘逮褒控割要求壤严穆熬系统，缓长跨阉绫来人爨一壹凌骚究 既高效叉舒适的运行方式。为了减小电梯起停时对人体的冲衙，传统的速度控制 方法将近停车时一般采用基地速膨( 爬行速度) 运行的过程，最然能保证舒适性 秘准确平层，却极大驰影响了电梯运行斡快速瞧。两当设计畿挺蔫电梯的运行速 度对，缀然能够快这运行，遁不麓够及时耩确静停车平层，乘梯者的舒适髋和安 全性也得不到保障。为了解决这个问题，现在的电梯速度控制系统主要有以下3 种方式f 2 6 驯： ， l 、遥遥著遂磁嚣荚泉获霉赣鼷经霆逶焉癸凝速度控割 谯这种控制系统中，主要靠井道磁开关通过探测电梯的加减速点，电梯门区 5 及停止点锌几个有限点来给出位置倍号，进而反馈给变频器实现速度控制，因此 这种控制系统糖度较低，只能对电梯进行多段逮接制。 2 、逶遥旋转编磷嚣实瑗速瘦羧潮 旋转编码器在速度控制中可以获得电梯的速度信号，同时也可以通过计算在 运行总时间内发出的脉冲数来实现电梯的位置反馈。这种方式虢得的位置信号是 精凄较糍酶实辩轿联织霍，在速发黢潮方嚣较懿纛毒了较大貔_ l 莛步。毽圭予旋转 编码器本身并不带育计数装置，龟梯的轿厢位置怒通过可编稷控制器等器件计数 脉冲而间接得到的，阂此会产生脉冲丢失等原因引起的轿厢位置失真的问题。 3 、逐过绝对值编码器来获得轿灏位置实现速度控制 绝瓣值编码器可j 强准确鲍溺籁逛梯轿霭嚣礁确位置，撮据毫梯轿嚣静簸鼹继 而可以获得电梯的实时速度值。同时配合旋转编粥器的速度反馈和软件的速度调 节，可以实现较好的速度控制。本论文的设计礁是基于这种方法而设计完成的。 2 3 本文电梯遴瘦控制系缝的器件选墅 在本文设计的电梯速度控制系统中，主要由旋转编码器、绝对值编码器、速 度控毒l 模块、交频器及电撵主控铡撩组残。其梭成框图如蚕2 1 熙示： 图2 1 电梯速度控制系统原理图 下面就框图中各部分进行说明： l 、邀禚主控毒嚣：在藏我髓逑弱懿是b p 3 敝整主控裁嚣。其主要强务饔鞋 下凡点： ( 1 ) 察时采集轿厢的内选信号和厅层的召唤信号： ( 2 ) 根据采集蛉位置、呼叫僖母犟e 上位机的按制指令， 截车、簸远程反囱截车等揉终； ( 3 ) 向下面的变频器，门控装辫和显示装置发出信号， 关门及鼹示电梯当前所在的楼层； 实现自动定向、顺惫 控制电梯上下行、开 ( | ) 姆采集到茨程嫒等售患睡上应瓿黉递，势接受、技谨主篷凝发亲懿按裁 指令，同时开辟运彳子状态数据缓冲区，并实时存储电梯运彳亍状态供上位机焘询； 6 ( 5 ) 接受绝对值编码器采集的轿厢的绝对位谶，通过计算得到电梯停止前的 剩余距离，共将其传递给速度控制模块，实现逮度控制。 2 、速度控寿l 模涣：其圭要任务是逶遂对毫梯主控翻器馁递过来静裁余鞭离 量进行逡算，将距离墩转化成速度擞从而实现电梯速度的实时控制。详细内容见 第三章。 3 、交频器：速震运霉戆技霉嚣终，透过设定馒电动援按照 燹定豹遽发一露 间曲线逡行，实现电梯的平稳运行。在本文中，选用爱获生e v 3 1 0 0 系列的电梯 专用变频器。 4 、曳引电动搬：电梯的执行器件，接受燮频器传递来的速度信号，按照预 定速度麴线运行，软褥带动轿嚣上下运动。鬏撵轿疆兹载重鬣稻电猱控翻系统速 度方面的要求，本文选用三相异步电动机作为曳引电动机。 5 、旋转编码器：旋转编码嚣又叫增量式编码器，它安装在曳引电动机的旋 转辘上，不仅霹| | 蔓测鬃瞧撵款速发秘距离，还霹以溺密电梯运牙麴方自窝笺孳l 褪 的转速。在本文中_ 生要用来测量电梯曳引机的转速从而获得电稀轿厢的位鬻和电 梯的实际运行速度，岛电梯主控制器、变频器构成反馈。本文选择德国施奈德公 司生产躲x c c1 4 0 6 p 型增量型编码器。 6 、绝对蓬编码瓣：缝霹编羁糕是由码盘鹃辍镀位置决定豹，它不受黪电、 干扰的影响。由机械位置决定的每个位置的唯一性，故它无需记忆，无需找参考 点，而风不用一直计数，什么时候需要知道位簧，什么时候就去读取它的使置。 这样，编码嚣鲍抗予拨特毪、数据戆可靠性大犬挺褰了。 毯本设计中，选阕g a m 6 0r 1 6 e 1 0 r4 a 型绝对值编码嚣。该编码器能畿接输 出速度、角度及长度假，同时提供绝对的连续做嚣r s 4 8 5 数字输出。将其发装 在轿脂顶部，通过随行电缆与控制器相连接这样溉能预先算出减速距离，也就能 预先冀懑减速速凄耱乎凄速度势熊准确撬霉，瓣辩配合变频嚣，霉瑷大大撬高电 梯运行的准确性和安企性。 2 4 本章小结 在本章，首先简鬻介绍了电梯控制系统的构成以及各部分的工作原理，其次 对电梯速度控制系统的三种运行方式进行了分析和对比，最后提出了本文的设计 思想和服型，并对冀中的各部分进行了功能分橱j 器件选型。 7 第三章单梯速度控制系统的设计与实现 由第二章图2 1 速度控制系统的原理图，经过细化可以进一步表示为图3 1 。 从图中可以看出，速度控制位于单梯控制( 主要是系统逻辑控制系统) 和 指令执行器件变频器的之间，有着承上启下的作用，是该控制系统的核心部分。 3 1 速度控制系统算法设计 3 1 1 速度运行曲线的设定 电梯运行曲线主要有两种：抛物线曲线和正弦线曲线1 2 7 2 s 1 。这两种曲线相对 来说都比较平滑，因此使得电梯的运行比较平稳。但抛物线速度曲线的加速度曲 线和加速度变化率曲线都是线性的，而正弦速度曲线的加速度曲线和加速度变化 率曲线都是非线性的( 如图3 2 ( b ) 、( c ) 所示) ，也是渐变的曲线段，故较前一种 速度曲线更加优良，启动和制动阶段电梯运行也更加平滑。现在的速度曲线大多 数采用的是正弦速度曲线，在本文中也将采用这种速度曲线1 4 3 1 。其图形如图3 2 所示。 c 。 。7 卜。“ “： t 2 厂l 、一 ln 7 m 图3 2 电梯的速度曲线 由图3 2 ( a ) 所示，电梯的加速阶段从零速开始，经过时间t 1 、t 2 、t 3 后达 到最大速度，t 1 c 2 时间段的加速为直线加速，这段加速时间的长短由电梯轿厢 的运行距离而定。 下面来详细叙述电梯的速度曲线，设电梯的速度曲线为： v a ( 1 - c o s a n ) ( 3 1 ) 这样，电梯的速度曲线为如图3 3 所示： 围3 3 速度曲线原型 显然，对速度曲线的积分就是电梯运行速度曲线时走的路程，设s 为电梯轿 厢运行一个完整的速度曲线所走的路程，s n 为运行达到额定速度的速度曲线所 走的路程，s o 为电梯运行一个完整的速度曲线所走的最短路程。设、，n 为电梯运 行时的额定速度，即电梯运行可以达到的最大速度；v 0 为电梯运行标准正弦曲 线时能达到的最大速度，故v o = 2 a ( a 为峰值) ：为速度公式的角频率。 一般而言，建筑的规模小，层数低时采用速度低、容量小的电梯，反之则采 用高速度、大容量电梯。以办公楼为例，一般6 至1 5 层梯速1 5 2 5 m s ，1 5 至2 5 层梯速为2 5 3 5 m s ，超高层建筑往往会采用5 1 0 m s 的高速电梯。 因此，本文选用的电梯是1 6 层的办公楼，同时考虑舒适性和高效性的要求本 文确定上述几个量的具体取值i ”爿l ： 电梯的舒适性要求：加速度a 一1 5 m s 2 加速度变化率p 。2 m s 3 电梯的高效性要求：2 5 m s v n 3 5 m s a 口= v n t s 0 6 5 m s 其中，a 。为最大加速度，p 。为最大加速度变化率， t 。为电梯达到额定速度时的时间。 由式( 3 1 ) 可得： 4 。d v 。a s i n 埘 d f 口。d a ：a 2 c o s 埘 d f 故 a p 为平均加速度 ( 3 2 ) ( 3 3 ) a = a c o 1 i5 m s 2 ( 3 4 ) p 。= a m 2 2 m s ( 3 5 ) 根据国家关于电梯的规范和相关文献提供的数据，设v n - _ 3 m s ，v 0 ：1 0m s ， 故a = 0 5 由式( 3 4 ) 得3 ；由式( 3 5 ) 得2 ，所以本文取酽2 。 根据以上参数，下面具体分析不同情况下的速度曲线如图3 4 所示。 1 v j a ( 1 一c o s c o t ) 曲线2 电梯未达到额定速度v n 的速度曲线 3 电梯额定速度的速度曲线 图3 4 电梯运行的三条速度曲线 曲线1 为电梯运行v - a 0 一c o s a ”) 的曲线，此时电梯运行的总时间为： 2 石( 1 = 3 1 4 s ，能达到的最大速度为v o = i m s ，运行的总路程为： 3 1 4 s f 0 5 ( 1 一c o s 2 t ) d t = 1 5 7 m 。而一般楼房的平均层高在3 m 左右，所以曲线1 只 奄 是一条理论曲线，在电梯的实际运行中不会被运行。 曲线2 和曲线3 与曲线1 的区别是在按正弦曲线运行a 2 时间后，需要有 一段直线的加速过程，其目的是使电梯的速度快速的提高。为使直线加速时速度 平稳过渡，本文选取值先加速段的加速度为：a = a m = l m s 2 。通过调节直线加速 时间的长短来获得不同的速度曲线，进而获得最终达到的最大速度。 为便于论述电梯运行的各个阶段，本文将上图简化为图3 5 。由图3 5 可知： o a 段： v a 4 0 - c o s 耐) ( 3 6 ) s ；f v d t ；a ( t s i nc o t ) ( 3 7 ) j n ， 当处于a 点时，t a = 石2 珊，v a = a ，s a = 丝! 生垄，4 a = a ( ) 。 a b 段： v 一匕+ a a o t a ) = a + a c o ( t 一)( 3 8 ) 1 0 b c 段 s e + v a ( t 一) + 弘1o t x ) 2 s a + a o 一) + j 1 4 ( f f ) 2 ( 3 9 ) v 一+ a 0 c o s ( f t a b ) ) s - ，协+ 品一( + 爿) o ，- ) 一鲁s i l i ( f 一) + 品 t c 。t + 一 r 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 如果电梯最终能够达到的最大速度能够知道，设为v s ，即v c = v s 则：当处 鲋：嵋咯“；一警一譬， s bt 只+ 爿+ 三4 2 ，进而b c 段及c 点的各个值也都能求出来。 图3 5 简化的电梯速度曲线 由上面的论述可知，当电梯最小运行速度v o ( v o = 2 a ) ，速度曲线角频率( i ) ， 能达到的最大速度值v s 这三个电梯参数能够知道，就可以得到任意时刻的电梯 相关参数。 显然，当电梯的运行距离较长时，电梯可以达到额定速度v n ，此时电梯的 最大运行速度v s = v n 。但是当电梯运行距离较短时，电梯轿厢能够达到的最大 速度v s 将小于v n ，此时需要计算得出v s 的值。 由图3 5 可知，o a 段和b c 段分别是电梯上升阶段的前半段和后半段，其 时间相等，故这两段是反对称的。所以，电梯速度增加段的总路程为： 1 s c 嵋屯( 3 1 2 ) 因为电梯最大速度达不到额定速度时，意味着电梯没有匀速运动只有加、减 速运动阶段，设电梯运行的总距离为s ，则：s = 2 s c = t ，。 而由上面论述得知： t c - k + 一 n ， ；v b - v 4 。v s - 2 a a a f l ( o 联立以上三式可以解得： k 丝丝坐掣车丝坐丝 ( 3 1 3 ) 在实际的电梯控制中，电梯运行的最小速度v 0 ，额定速度v n ，最大加速度 n 。等参数量都已知( 按设计要求来获得这些量，并且在变频器中设置) ，如果 可以得知电梯运行时的路程量，就可以获得合适的电梯运行速度曲线，求得各个 阶段的相关数据。在电梯的运行过程中，电梯主控制器将接收到的轿厢位置转化 成电梯运行的剩余距离值进而可以得到电梯实时的运行速度。 3 1 2 剩余距离量的计算 在电梯运行之前，系统通过绝对值编码器的自学习功能和相关的参数设定， 已经获得电梯每一楼层的高度。具体的剩余距离计算如下： 1 、电梯运行距离不能或刚好达到额定速度要求：此时系统初始给出的剩余 距离就是电梯要运行的楼层数乘以层高的距离，同时剩余距离随着电梯的运行逐 渐减小。电梯运行过程中出现l i 缶时呼梯信号时，则将剩余距离减去电梯呼梯层到 原目的层之间的距离，调整运行速度曲线后，新的剩余距离值又随着电梯的运行 而逐渐减少。 2 、电梯运行的距离高于运行额定速度的距离要求：系统给出的初始剩余距 离也是电梯要运行的楼层数乘以层高的距离，剩余距离随着电梯运行而减少。直 到当电梯运行到剩余距离变化点时，系统通过判断电梯的呼梯信号存在与否判断 电梯的运行状况，如果电梯的呼梯信号已消失，表明电梯可以进入减速阶段，剩 余距离不再变化，剩余距离随着电梯运行而逐渐减为零：如果l 临时出现新的电梯 呼梯信号，表明电梯l 临时出现需要停靠的楼层，则将电梯剩余距离减去电梯呼梯 层到原目的层之间的距离进而得到新的剩余距离，调整运行速度曲线后，新的剩 余距离值又随着电梯的运行而逐渐减少。 其中，剩余距离变化点在电梯控制系统的主控制器中设置。本文中速度运行 曲线的减速距离由速度控制模块计算得出，故本文设置剩余距离变化点。实际上， 设定的是剩余距离变化参考距离，指的是当剩余距离为多少时，系统检测呼梯信 号的存在与否并给出新剩余距离值。一般剩余距离变化参考距离要大于最高运行 速度的减速距离，这样系统才能正常控制速度运行。 设s 是电梯总剩余距离，s p d 为电梯已经走过的距离，s 是电梯运行中系 统给出的实时剩余跪离值，s r d 是电梯主控制器中设置的剩余躐离变化参考距离， s 。电梯魄平均层闻躐。 1 ) s s * 嚣：= s s ； 2 ) s s 。时： 当s s - s ”时：s l e es - s ； 当a s - 对：= s 孓是； 百 通过以上的距离求解，可以很好的得出剩余距离值，进而得出比较合理的实 时速度假。 3 。1 3 算法凌谤与实堍 本文的设计思想是通过在电梯运行过程中绝对值编码器测得的实时位置来 获得轿箱当前层与髓的层之间的躐离，进而获得电梯的实时速度值。在上小节 豹论述巾瑟有熬丞数郊是辩闯丞数，帮嚣闻终梵墨螽量，要戆求褥实霹熊瓣蠢篷 还需构造距离一时阆函数关系，即通过剩余距离德来求得对威于此剩余距离得时 间值，进而求出实时遵度值。 设s 髓- 是系绕戆抚始剩余速度蓬，s 一秀照来毒 算实黪逡麦的变量。茭孛， s 一京嘏梯豹加速投表示已经走j 童的距离值，太小是初始剩余距离值减去剩余距 离值，即s 。= s p s 蛐；而在减德段s 。就为剩余距离，即s 。= s 蛐。这样就 可以根据剩余距离求得实时速度假，具体如图3 6 、图3 7 孝豳3 。8 所示。 葵审，霾3 6 饕先稷据壹交缀撩设定参数撼镤戆a ，岱，爱短速麦戆线s 。， 额定遴度s n 等参数，根据系统最初采样获得的剩余距离值来判断按照哪一条速 度曲线进行运行和计算，进而求出对应于该速度曲线具体参数，如v s ，t a ，t b ， l c ，t a b ，s a ，s a ，s c 等。 强3 7 是根据电梯运行趋线及上一步求出翁参数，通过采集电梯豹剩余距离 s 蛐值来获得电梯的已经行驶的路程值s 。，通过s 。判断电梯运行在速胰曲线 的具体哪一段( o a 段、o b 段还慰0 c 段) ，并通过由图3 8 求出得时间值来获得 毫菇瓣实辩速度。 阁3 8 由实对的剩余距离来求得对应的时间，进而再由阁3 7 求出实时速度。 在框圈中使用二分遮代法通过不断的缩小时间范围来求取准确得对应时间的。该 迭代法是根据电梯逡度控制毂特性霹速度控露l 模块与电梯囊控制器及变频器懿 通讯辩阀特性预测绘出的。 通过以上的三个速度计算流程图可以比较清楚知道速度控制系统算法的工 作原理和流程，将实时的剩余距离量通过转化计算出对应的安时速度值，控制电 爨懿乎豫、安全懿遮行。 图3 6 速度计算流程图1 1 4 图3 7 速度算法流程图2 1 5 图3 8 速度算法流程图3 1 6 由图3 7 可知在求具体速度值时，需要首先判断电梯的位置是位于由电梯速 度曲线计算出来的各段距离的哪一部分，进而按照对应段先求出对应得时间值， 再求出对应的速度值，最终实现“剩余距离对应时间一实时速度”的转化，该 转化的示意图如图3 9 所示，并用对应的相关公式予以求解。 v 0 吣。t ! t q 。ct 图3 9 距离、时间、速度换算示意图 在前文中曾经介绍过，速度曲线中的幅值a ，频率，最大加速度a 。，电 梯的额定速度v n 等参数在变频器的参数设定中均已经设定。在电梯的实际运行 中，速度控制模块会通过与变频器的通讯获得这些参数，并进行实时的比较，随 时根据实际情况更改速度控制模块内部的参数以适应电梯控制的需求。根据这些 参数，控制模块可以获得各条速度曲线及各段的具体参数。如图3 9 所示，o a 段是每条速度曲线共有的部分，根据前面的式( 3 6 ) 、式( 3 7 ) 可以算得o a 上 各点的速度值和距离值。在选取适当的时间步长后，可将它们以数组方式预先存 人程序中去( 各数组元素也为短整型量) 。当电梯运行时，就可由时间值进行简单 处理后查表获得对应的速度值与距离值。本文根据程序r o m 的空间将曲线o a 【0 ，p 2 0 ) 等分为2 5 0 个点，分别计算其速度值数组v 【2 4 9 和距离值数组s 【2 4 9 】。 因此，可以通过查表的方式计算出对应于o a 段任意时刻的速度值。 因为a b 段是直线段，在根据距离一时间算法计算出时间后根据速度公式和 相关参数可以较容易的计算出对应的实时速度值。但是b c 段相对于o a 段和 a b 段相对要麻烦一些，需要通过转化来得到实时速度值。 如图3 9 所示，o a 段和b c 段是标准正弦曲线v 。a 0 c o s a g ) 上升段的前半 段和后半段，在图中关于a b 段中心反对称，因此b c 段上的各个点在o a 段上 都会找出对应点来。设q 为b c 段上任意一点，其在o a 段上的对应点是q 。 设