电梯运行过程中的智能调速环节 PLC课程设计.doc

摘要本课程设计主要针对电梯运行过程中的智能调速环节，结合PLC中的PID模块，用PID算法在不同条件下对电梯进行实时调速，旨在提高电梯的舒适性与快速性。关键词：电梯；PLC；PID；快速；舒适AbstractThis course design mainly aims to the intelligent speed adjustment of working elevator. It combines with the PID module in PLC, controls the elevator unintermittently with PID algorithm in different situations. In order to improve the comfortableness and swiftness.Key words: elevator; PLC; PID; comfortableness; swiftness一、电梯的PLC控制（一）PLC简述 PLC是可编程控制器的简称，它是一种用于自动控制的专用微机，实质上属于微机控制方式，但可编程控制器具有其自身的特点：1） PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，输入输出均有光电隔离。能在较恶劣的各种环境中工作，可靠性高，适合于安全性要求较高的电梯控制。2） PLC将CPU、储存器、I/O接口等做成一体，使用方便，扩展容易。具有继电器系统的直观、易懂、易学，应用操作可调试方便等优势，因此，目前在国产电梯及中低档的客梯广泛采用了PLC控制系统，特别适合在用电梯的技术改造和控制器开发。 plc结构框图 （2） 基于PLC的电梯控制系统： 系统框图如图：本控制系统是一个全并口电梯控制系统，采用集中控制的方式，主要包括信号控制和拖动调速控制两大部分。控制系统的核心是PLC。呼梯信号、门机系统信号、位置、安全保护及变频器工作状态等信号并行输入PLC，经PLC运算处理后由输出接口分别向显示电路发出呼梯、定向等显示信号，向门机系统和通过变频器向拽引电机发出相应的控制信号。本课题主要针对PLC变频器电机的过程，运用PID算法加以控制，达到电梯的高效稳定运行态，并提高舒适度。二、速度曲线的舒适感和快速性（一）对电梯的快速性的要求 电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的。快速可以节约时间，这对于在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。快速性主要通过如下方法得到： 1、提高电梯的额定速度VN，电梯的额定速度提高，运行时间缩短，达到为乘客节省时间的目的。现代电梯梯速不断提高，目前超高速电梯额定速度已达14m/s。通常我们称额定速度低于1m/s的电梯为低速电梯，额定速度12m/s的电梯为中、快速电梯，额定速度在24m/s的电梯为高速电梯，额定速度在4m/s以上的电梯为超高速电梯。目前我国生产的电梯主要是中、快速电梯和低速电梯，高速电梯很少生产，超高速电梯尚无生产。 在提高电梯的额定速度的同时，应加强安全性、可靠性的措施，因此梯速高，造价也随之提高。 2、集中布置多台电梯，通过电梯台数的增加来节省乘客候梯的时间，这种方法不是直接提高速度，但是为乘客节省时间的效果是同样的。当然电梯台数的增加不是无限的，通常认为，在乘客高峰期间，使乘客的平均候梯时间少于30s即可。 3、尽可能减少电梯启、停过程中的加、减速时间，电梯是一个频繁制动的设备，它的加、减速所用的时间往往占运行时间的很大比重，电梯单层运行时，几乎全处于加、减速运行中，如果加、减速阶段所用的时间缩短，便可以为乘客节省时间，达到快速性要求。因此电梯在启、停制动阶段不能太慢，那样将降低效率，浪费乘客的宝贵时间。GB/T100581997电梯技术条件中就规定了电梯加、减速的最小值：“交、直流快速电梯平均加、减速度不小于0.5m/s2，直流高速电梯平均加、减速度不小于0.7m/s2”。这是对电梯快速性的要求。上述三种方法中，前两种需要增加设备投资，第三种方法通常不需要增加设备投资，因此在电梯设计时，应尽量减少启、制动时间。但是启、制动时间缩短意味着加、减速度的增加，然而加、减速度的过分增大和不合理的变化将造成乘客的不适应感。因此，对电梯又提出了舒适性的要求。（2） 对电梯舒适性的要求 1、由于速度引起的不适，人在加速上升或减速下降时，加速度引起的惯性力叠加到重力之上，使人产生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或减速上升时，加速度产生的惯性力抵消了部分重力，使人产生上浮感，感到内脏不适、头晕目眩。2、由加速度变化率引起的不适，实验证明，人体不但对加速度敏感，对加加速度（加速度变化率）也很敏感。我们用来表示加速度，用来表示加加速度，则当较大时，人的大脑感到眩晕、痛苦，其影响比加速度的影响还严重。我们也称加加速度为生理系数，在电梯行业一般限制生理系数不超过1.3m/s。（三）电梯的速度曲线 在轿厢静止或匀速升降时，、都是0，乘客不会感到不适；而在轿厢又静止起动到以额定速度匀速运动的加速过程中，或由匀速运动状态制动到静止状态的减速过程中，既要考虑快速性的要求，又要兼顾舒适感的要求。因此有必要设计电梯运行的速度曲线，科学、合理地解决快速性与舒适感的矛盾。 电梯速度曲线图中ABCD就是这样的速度曲线。其中AEFB段是由静止起动到匀速运行的加速段速度曲线；BC段是匀速运行段，其梯速为额定梯速；CGHD段是由匀速运行制动到静止的减速段速度曲线，通常是一条与起动段对称的曲线。 加速度段速度曲线AEFB段的AE段是一条抛物线，EF段是一条在E点与抛物线AE相切的直线，而FB段则是一条反抛物线，它与AE段抛物线以直线EF段的中心点相对称。设计电梯的速度曲线，主要就是设计起动加速度段AEFB段曲线，而CGHD段与AEFB段镜像对称，很容易由AEFB段的数据推出，BC段为恒速段，其速度为额定速度，无需计算。速度加速度加加速度AE段v=kt2=dv/dt=2kt=d/dt=2kEF段v=vE+E(t-tE)=dv/dt=E=d/dt=0FB段v=vN+K(tB-t)2=dv/dt=2k(tB-t)=d/dt=-2k电梯在进行单层运行时，通常梯速还未加速到额定速度便要减速停车了，这是的速度曲线没有恒定速度运行段。因此这时的电梯速度曲线有单层运行、多层运行两种速度曲线如图，其控制规律也就更为复杂些。三、速度曲线的设计（一）速度曲线的要求从前面的分析可以看出，设计电梯速度曲线的重点是设计电梯起动阶段的速度曲线AEFB段，BC段是均匀运行段，速度为常值，无须设计；减速阶段的速度曲线CGHD段与BFEA段对称，可按对称原则轻松得到。将相关标注对电梯的舒适性和快速性要求列写如下：舒适性要求：加速度：a=dv/dts2=amb加加速度：=da/dt=d2v/dt21.3m/s2=mb快速性要求：起动段的平均加速度 ap=vN/tQ0.5m/s2 (vN ap=vN/tQ m/s2 (vN 式中 amb标准规定的允许最大加速度（m/s2）； mb标准规定打的允许最大加加速度（m/s3）； vN电梯的额定速度（m/s）； tQ起动段所用时间（s）；（二）本电梯速度曲线设计 根据本课题的技术指标的指标，本电梯的额定梯速： vN=1.5m/s 按舒适性要求选取：am=1.2m/s21.5 m/s2 m=1.0 m/s21.3m/s21、 AE段（抛物线段）v=kt2a=dv/dt=2kt =da/dt=2k=m k=m/2=(1.0/2)m/s2=0.5 m/s2 对于E点：tE=aE/2k=am=1.2s vE=ktE2=0.51.22=0.72m/s 代入数据后的AE段方程 v=0.5t2 (0)2、 EF段（直线段） v=vE+aE(t-tE) (tEtF)FB段和AE段对称，所以 EF=FB=vEEF段的速度变化为 EF=vN-2vE=(1.5-20.72)=0.06m/s EF段所需时间 tEF=EF/ aE=0.06/1.2=0.05s tF=tE+tEF=1.2s+0.05s=1.25s vF=vE+EF=0.72+0.06=0.78m/s EF段方程v=0.72+1.2（1.23、 FB段（反抛物线段） v=vN-k(tB-t)2 / (tFtB) tB=tF+tE=1.25+1.2=2.45svB=vN=1.5m/s FB段方程 v=1.5-0.5（2.45-t）2 /（1.25s） 计算结果归纳如下： 对AE段： v=0.5t2 (0) a=t=1.0m/s2 EF段：v=0.72+1.2（1.2 a=1.2 m/s2 FB段：v=1.5-0.5（2.45-t）2 （1.25s） a=2.45-t=-1.0m/s3 起动期间的平均价速度： ap= vN/tQ=vB/tB=1.5/2.45=0.61m/s3m/s2 满足快速性要求。 据此可设计出整个速度曲线形状如图多层速度曲线起动走过的距离S=vBtB=2.451.84m本电梯适用建筑物层高Ht=3米，则2S=3.68米，故此曲线不适合进行单层运行，单层速度曲线需要另外设计，其形状如图所示：单层速度曲线其中AG段是以上设计的多层速度曲线AE的一部分。 其方程为v=kt2 （G）由于k不变，故m=2k也不变，即k=0.5不变，m=1m/s3起动段AH走过的路程HQ=vHG= vHG 其中：v=G=2ktG2 tG=aG/m=aml/m (aml为最大加速度)HQvHG=2(aml/m)2aml/m)= aml3/m3 层高Hl=2HQ=2 aml3/m2 aG= aml=2 tG=am/m=1.145/1=1.145s vH=2vG=2ktG2=1.31m/s运行一层所用时间 tl=4tG=41.145=4.58S起动平均加速度apl=vH/tH=0.57m/s20.5m/s2 起动段方程：AG段 v=kt2=t2 (0 a=t=1.0m/s3 GH段v=vH-k(tH-t)2=1.31-0.5(2.29-t)2 a=2.29-t=-1.0m/s3四、速度闭环控制系统设计（1） 速度调节的算法分析在进行电梯速度控制时，系统需要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：PID控制；PDF控制；预测控制；多模式模糊控制；神经网络控制等。本设计使用EC20-2012BRA型PLC本身带有的PID控制算法模块，采用PID算法调节速度。（2） 速度控制的程序实现由于电梯运行一层和运行多层采用不同的速度曲线进行控制，所以本设计采用不同的子程序实现一层运行和多层运行的控制速度的模拟量输出。在主程序中根据对需要运行楼层的判断，决定需要调用一层速度曲线输出还是多层速度曲线输出的子程序，在主程序中还要调用子程序PID_SET来设定PID运算的相关参数。速度输出子程序如图：速度输出子程序图在定时器中断程序中则实现编码器反馈脉冲的采集、反馈速度计算、PID运算、把PID运算的结果以模拟量输出从而达到速度控制的效果，程序流程图如图：定时器中断程序流程图五、控制策略的MATLAB仿真（1） 建立SIMULINK仿真模型 1、交流电机仿真模型的建立三向电动机的动态仿真结构图 2、变频器仿真模型的建立 在工程实践中，可以针对具体情况，将变频器的传递函数设定为一个惯性环节或一个比例环节，本设计将其处理为惯性环节，则控制电压Uk和输出电压Ud之间的传递函数为：Ud(s)/Uk(s)=K/(Ts+1)取T=0.1s，K=Ud/Uk=380/10=38所以： Ud(s)/Uk(s)=K/(Ts+1)=38/0.1s+1 3、电梯控制系统模型的建立 根据前面对电梯本体的数学模型的建立，可建立其速度响应的仿真模型。减速器可简化为一个比例环节KC，当电梯不采用减速机构时，比例系数为；编码器反馈看成一个比例环节Kf。将上述各环节模型与电机及变频器仿真模型结合在一起，即可构成电梯速度控制系统的仿真模型。 最终建立电梯速度闭环控制系统的SIMULINK仿真模型如图：控制系统SIMULINK仿真模型（2） 仿真结果分析 1、取PLC控制器、变频器、拽引电机、编码器组成的速度闭环控制系统进行速度阶跃响应仿真，仿真框图和曲线如图：阶跃速度响应仿真框图 阶跃速度响应仿真曲线 由转速仿真结果可以看出，本设计所用的拽引电机、变频器、的仿真模型在动态性能上 很好地对实际系统进行了模拟，可以满足速度仿真中对控制环节的要求。 2、整个电梯系统的仿真模型如图：控制系统SIMULINK仿真模型抛物线型速度曲线的响应仿真如图：抛物线型速度曲线的响应仿真从上面的仿真曲线可以看出，系统对抛物线型的速度曲线的动态响应特性还是比较好的，只有小时间的延时，可以通过程序和优化PID参数进一步进行修正。在仿真过程中，我们发现，当比例参数较小时，由于调节速度变慢，电梯的速度曲线会滞后设计的理想毒素曲线过大，使得在运动过程中的速度曲线发生较大变形，故在稳定运行时因适当增大比例参数的值。从仿真结果也可以看出，本文设计的控制器用大闭环实现速度控制时可行的。六、总结本文简述了PLC控制系统的基本结构和控制理论以及基于PLC控制系统的电梯控制系统。兼顾人体对电梯速度的生理曲线，设计了一种抛物线式的速度曲线。考虑到PLC本身自带的PID算法模块等因素，本文采用了较易实现的PID算法对电梯速度进行调节，旨在提高电梯的运行效率与乘客的舒适感。7、 参考文献1李惠昇，电梯控制技术。北京：机械工业