VVVF电梯的SDCS速度控制研究(可编辑)

VVVF电梯的SDCS速度控制研究(可编辑) VVVF电梯的SDCS速度控制研究 浙江工业大学硕士学位沦文电梯的 速度控制研究 摘 要 本文对 电梯的速度 控制进行了研究,设计开发了相应的嵌人式速度控制模块,实现了基 于剩余距离的电梯速度控制。本文具体内容包括 、在对现有的 电梯速度控制系统及速度控制方式研究分 析的基础上,提出了的电梯运行速度控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,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。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。 、设计了嵌人式速度控制模块,用汇编和 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 电梯、 速度控制、剩余距离、速度算法浙江工业大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 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。 储签名 移 日期崛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 容编人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。 本学位论文属于 、保密口 ,在一 年解密后适用本授权书。 、不保密 请在以上相应方框内打“ , 作者签名 作 日期月沁日 导师签名 朋板年了月书日 期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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 和研究动态,最后阐明本课题 选题的任务和意义。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。 目前我国己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。 ,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 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。 舒适度高。要求电梯在整个运行过程中运行平稳。 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。 对电梯的快速性要求通过如下 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 得到 提高电梯的额定速度。集中布置多台电梯。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大学硕士学位论文速度引起的不适 第 条及 第 条规定“乘客电梯启动加速度和制动减速度不应大一 耐,”,第 条规定 “甩梯额定速度小于 时,其平均加速度不应小于。当电梯额定速 度为时,其平均加、减速度不应小于”。 由加速度变化率引起的不适 加速度变化率较大时,人的人脑感到显眩、 痛苦,其影响比加速度还大,在电梯行业一般限制加速度变化率系数不超过 电梯的舒适性和快速性要求我们在选择电梯运行速度及其变化率时,既要适 当地选定加速度及其变化率,又要使电梯运行时间尽可能的短,以提高运行效率 所以说电梯的速度控制是舒适性和快速性的矛盾统一 电梯速度控制系统综述 曳引式电梯的给构 如图 所示是曳引式电梯的结构示意图,从功能上分析,曳引式 电梯具有八 大部分 功曳引系统 主要有曳引机、曳引钢丝绳、导向轮等 导向系统 主要有轿厢导轨、对重导轨、导轨架等 轿厢 主要有轿厢架和轿厢体 门系统 包括轿厢门、层站门,门机,门锁等 重量平衡系统 包括对重和重量补偿装置等 电力拖动系统 是电梯的动力源,实现速度控制 电气控制系统 对电梯实现操纵和控制 安全保护系统 包括限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等。 现代曳引式电梯主要是交流调速电梯,交流调速电梯包括异步电机交流调压调速电梯、异步电机交流变频变压调速 电梯和同步电机变 调速 电梯三种。目前异步电机交流调压调速电梯已经逐渐淡出市场,异步电机交流变 频变压调速 已经成为市场的土流,而同步电机变频调速电梯是未来的 个重要发展方向 浙江 业大学硕士学位论交蜗轮蜗杆减速箱 一曳引轮 一机器底盘 吸一导向轮一限速器 一承重梁导轨支架 一曳引钢丝绳 一限位开关终端挡板 一轿厢导靴 限位开关轿厢框架轿厢门 一对重导靴 一导轨 一对重导靴 一对重 一补差链条 链条导向轮 一限速器张紧装置液压缓冲器层站地板一厅门 一呼梯按钮 一楼层显示器悬挂电缆轿厢门 一轿内操作钮 一开门机井道传感器 一电源开关 一控制柜 图一 曳引式申梯示意图浙江工业大学硕士学位论文电梯速度控制系统概述 交流变频调速是通过调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率来调速 的。它通过电压、电流和速度的信号反馈,由计算机对交流电动机进行精确调节 控制,使电梯运行效率大大提高,运行性能更加完善。 电梯以其独特的先进 技术和性能,实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。由于 其具有优越的调速性能、显著的节能效果,己取代交流调压调速电梯成为电梯控 制方式的主流。它的特点有 能源消耗低。在启动期间,电动机电流随频率和速度的增加而增加,并 以最小转差运行,对每种速度都可以获得最佳效率,能够节约能量达,因电 动机产生的热量相当小,故在机房内不需要专用的通风降温系统,没有额外的能 量损耗。 电路负载低,所需紧急供电装置小。在加速阶段,所需启动电流小于 倍的额定电流,且启动电流峰值时间短。由于启动电流大幅度减小,故功耗小, 供电电缆线径可减小很多,所需的紧急供电装置的尺寸也比较小。 可靠性高,使用寿命长。由于元器件性能可靠、工艺先进、经久耐用,在 系统中电动机转速的调节不会增加电机的发热,而且还能减少电机的应力,使电 梯运行性能非常可靠,使用寿命延长。 舒适感好。在整个运行过程中,其驱动系统具有良好的调节性能,故乘客 乘坐电梯时舒适感好。电梯运行是跟随最佳给定速度曲线运行的,其特性可适应 人体感受,并保证运行噪声小,制动平稳。 平层精度高。采用现代传感技术和数字控制系统,在整个运行期间准确地 给出位置信号,实现精确的按楼层距离直接停靠。 运行平稳无噪声。在其系统中采用了高时钟频率,始终产生一个不失真的 正弦波供电电流,电动机不会出现转矩脉动,因此消除了噪声和振动,确保了轿 厢、机房及邻近区域内噪声较小。浙江 业大学硕士学位论文 电梯速度控制技术现状 国内外现状概述 国外现状 在电梯控制系统方面,目前国外发达国家的电梯正在推广 位微机控制系 统。他们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。在电 梯传动系统方面,采用交流变压变频 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、乘坐舒适感佳等优点 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。 在电梯反馈系统方面,除了采用旋转编码器获得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。 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 公 司和 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。 国内现状 目前,我国国内的电梯产品,在数量和质量都有了显著的提高。但国内的一 些大型电梯厂家都是中外合资企业,为数不多的民营和国有的著名的电梯厂家, 他们所使用的电梯控制系统基本上也是国外著名电梯厂家的产品,技术核心还掌 握在国外大型电梯企业手中。国内的速度控制的运行方式和理想运行曲线基本上 和国外的差不多。像西子奥的斯和天津奥的斯,上海三菱和广州日立是用相对位 置原则进行速度控制的 浙江巨人、北京京城中奥和上海新时达则是按时间原则 进行速度控制的 考虑到经济性,现有国内的电梯控制系统,通常采用微机或 可编程逻辑控制器 对变频器进行多段速控制。在电梯传动系统方面,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。在电浙江工业大学硕士学位论文 梯反馈系统方面,采用闭环速度反馈,利用套在电机轴上的增量编码器产生脉冲 信号反馈给控制系统。在井道信号采集方面,目前国内电梯一般都采用增量编码 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。 目前,国内还没有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 速度控制系统,也没有在这方面进行深入的研究。 现有国内 「电梯主要速度控制方式缺陷 就速度控制而言,现今国内大多数电梯厂家采用的是基于井道磁开关的按时 间原则给定运行速度和基于旋转编码器的相对位置的距离原则给定运行速度。前 者的速度控制时间是估计值,造成了系统的实时速度控制精度低, 在电梯平层时 存在着较长距离的爬行段,严重影响了电梯的运行效率与舒适感。后者速度控制 精度较高,但由于拖动轿厢的钢丝绳与曳引机之间必然存在的打滑现象,使得系 统得到的轿厢位置信号并不是轿厢实际位置,造成了速度控制精度下降,并且在 平层时不得不依靠井道磁开关获得减速、平层信号,从而产生了爬行停靠 如果 打滑严重的话,还会造成电梯冲顶与冲底的电梯事故。另一方面,旋转编码器还 存在着丢失脉冲的现象,这也造成了系统不能得到准确的轿厢位置值。本课题的意义 电梯速度控制技术直接关系到电梯运行过程的快速性和舒适性,而目前国内 大多数电梯厂家采用的基于井道磁开关的按时间原则给定运行速度方式和基于旋 转编码器的按距离原则给定运行速度的方式仍未较好的解决电梯速度控制的现存 问题,不能满足电梯运行时较高的快速性和舒适性要求。 本课题目标旨在研究 速度控制技术,即采用绝对位置的剩余距离控制 电梯运行速度,力求在现有条件的基础上找出速度控制的最佳方案,解决目前国 内电梯速度控制中存在着的问题,实现快速、高效及舒适感较佳的电梯速度控制。 本课题的任务及特点 通过对国内外现有的 电梯运行的方式和给定的理想运行曲线的深入了 解研究,同时很多电梯厂家向我们提出了用剩余距离和正弦曲线进行电梯速度控浙江 业大学硕士学位论文 制研发的要求,本课题就是在这种环境下逐步形成的。 本课题的任务有以下几点 研究现有的 的速度控制系统及速度控制方式,了解 电梯的结 构和控制方法及控制原理,并建立相应的电梯数学模型。 确定 速度控制系统方案。采用绝对值编码器反馈轿厢的绝对位置, 采用正弦曲线作为电梯的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 速度运行曲线,根据电梯剩余距离实时控制电梯运 行速度。 设计适应于本系统速度控制的 速度 控制模块,用 汇编语言和 语言棍合编程进行软件设计,编制出控制软件以 及相应的调试软件。 搭建本速度控制系统的实验台,进行速度控制的实验。根据实验数据不断 修改速度控制模块的软硬件,最终实现 速度控制。 本课题特点 提出了速度控制系统,采用绝对值编码器直接将电梯运行时轿厢位 置给反馈给主控器, 由此位置值进行按距离原则的速度控制 同时采用旋转编码 器将电机转速反馈给变频器,使之进行实时速度调节,形成了速度的双闭环控制 结构,实现了速度控制的高精确性和实时性。 设计出嵌入式 速度控制模块,根据既定的速度运行理论曲线的时间 一距离关系运用二分迭代法反求出对应于实时剩余距离的时间值,再由时 一速 度关系最终求出实时的速度值,从而实现按剩余距离原则控制电梯运行速度的目 的。达到了精度在 左右的直接平层与电梯截梯的目的,同时消除了电梯 制停时的爬行停靠,提高了乘坐电梯的舒适性与运行效率。浙江工业大学硕士学位论文 第二章 电梯速度控制系统分析 【摘要】 简述了电梯速度控制系统的组成、 速度控制的相关内容以 及现有几种速度拉制方式及其优缺点,并建立了电梯速度控制的数学模型,同时 阐明了速度控制系统的特点。「电梯速度控制系统组成及分析 电梯主控制番 电梯主控制器是电梯电气控制系统的核心部分,它负责收集电梯各方面的信 号和信息,并对这些信息进行逻辑分析,确定电梯的运行状态和安全性,发出指 令指挥变频器的动作,从而使电梯上行或下行运送乘客,同时也发出信号到显示 系统包括厅外显示系统和轿厢显示系统,显示电梯所处的当前楼层位置和一些 必要的信息,方便乘客使用电梯。 本系统采用的电梯主控制器是德国的 控制器。除了行使一般电梯主控 制器的功能,在本系统中它还要通过绝对值编码器获得电梯轿厢的绝对位置,井 将此位置值传递给速度控制模块。 位 检测装 电梯的位置检测装置是用来采样轿厢的运动位置并将它反馈给电梯主控制器 的。现今,位置检测装置主要有井道磁开关、旋转编码器和绝对值编码器等。在 某种程度上来说,位置检测装置决定了电梯速度运行的高低、速度控制的精度和 电梯乘坐的舒适感。 双稳态磁开关。磁开关元件主要部分是干簧管开关和维持状态磁体。在受 到外界磁场的作用时,干簧管触点会改变其机械化方向,触点视极性的不同打开 或闭合。由于扫描是无接触的,所以磨损很小,而且没有任何开关噪声。采用磁 开关作为信号装置,需在轿厢上安装三个双稳态开关,分别扫描上换速,下换速 和门区信 。当轿厢运动时,磁开关与磁体的相对运动产生反映轿厢位置的信号浙江工业大学硕士学位论文 变频器 变频器主要根据速度指令改变电动机供电频率与电压以控制电动机的旋转速 度,从而达到变频变压调速的功能。 从电机学中知道,三相交流异步电动机的转谏为 一 式中 一 电机定子供电频率 ? 电动机转差率,, 竺工止乙生 几 二 交流电机转子的转速 ? 交流电机的同步转速电动机极对数。 因此均匀且连续地改变定子绕组的供电频率,可平滑地改变电动机的同步 转速。但是依据电梯为恒转矩负载的要求,在变频调速时需保持电动机的最大转 矩不变,维持磁通恒定,因而,对电动机供电的变频器要有调压和调频两种功能, 使用这种变频器的电梯即为电梯 变频器主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路、制动电路和控制电路五 部分组成,可分为交一交变频器和交一直一交变频器。前者的频率只能在电网频 率以下的范围内进行变化,而后者的频率是由逆变器的开关元件的切换频率所决 定,即变频器的输出频率不受电网频率的限制。由于交一交变频器的输出频率只 能在比输入频率低得多的范围内改变,所以在电梯中己基本不用这一变频方式。 对于交一直一交变频器,可以按直流环节电压、电流的特点由滤波的电容量和 电感量决定划分为电压型和电流型变频器,电梯传动系统中广泛采用的是交一一直 一交电压源型变频器。 电梯专用的变频器很多,如安川、 西微等等,它们有各自的优缺点 本系统采用 变频器。电动机与减速器 电动机是速度控制系统中的执行单元,它根据变频器供电电压与频率的变化浙江工业大学硕士学位论文 输出不同的转矩,通过减速器带动轿厢运行。目前,应用于 电梯速度控制的 电机有异步电动机和同步电动机,同步电动机各方面的性能要优于异步电动机,但 由于现阶段的价格较高,目前普遍使用的还是异步电动机。 电梯减速器通常采用蜗轮蜗杆达到减速目的,减速器的输入量是电磁转矩和 转子转速二,输出量是曳引轮的转矩和转速。 电梯速度控制系统建模分析 本文在参考 等文献基础上,对目前常用的 电梯速度控制系统做了初步的研究,建立了 电梯的拖动系统模型和变频器 对电机的变频变压控制模型,图 所示是电梯的拖动系统示意框图。 曳引轮 连轴器与 电机 制动轮 对重 一 补偿链 图 电梯的拖动系统示意框图 电梯拖动系统棋型 电梯拖动公式浙江工业大学硕士学位论文 设电动机带动负载的单轴拖动系统如图 所示。图中电动机的电 磁转矩 是驱动转矩,其正方向与转速 正方向相同,负载转矩 是阻转矩, 其正方向与 正方向相反。 根据旋转定律可写出该系统的运动方程式如下、 一 一, 式中 是驱动转矩 是系统的总静阻转矩 是转动惯量, 是电动机轴旋转角速度,丝是电动轴角加速度, 一电动机 一负载图 一 单轴拖动系统 使运动做 当 时,必然产生动态“矩 加速或减速运行。 在电力拖动工程中,习惯采用飞轮惯量也称为飞轮矩 来分析和 进 行计算,飞轮矩与转动惯量 有如下关系 二 式中 是重力加速度,取是旋转体重量,是旋转体的直径, 式 可改写为一一式中是系统的总飞轮矩 是转速。 血 一 系统处于加速运动状态。 时, 当 一 系统处于减速运动状态。 当 时, 】浙江工业大学硕士学位论文 、,, 、 ‘、二 , 、、 当 二时,一。,”转速不变化,系统或以匀速运行,或处于静止状 态, 称为稳态。 由图可见,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。 电梯的静阻力矩 电梯的轿厢和对重构成垂直运动的位能性负载, 其合力 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 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 静阻力为 凡一一几 因此 当轿厢下降时,负载静阻力为凡 一一关一曳引轮轿厢一对重 式中 ,是轿厢自重, 图 阻力计算示意图 是轿厢载重, 是对重重量, ,是轿厢导靴与导轨得摩擦得阻力系数 几是对重导靴与导轨得摩擦得阻力系数 。是轿厢额定载重量,是电梯平衡系数,一般为若曳引轮的半径为 ,轿厢上升时,则曳引轮上的静阻力矩为 不乙 轿厢下降时,则曳引轮上的静阻力矩为浙 江业大学硕士学位论文 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二。’ 刀 。‘ 石 则 乙。刀 叮 同理,轿厢空载下降时,电动机输出功率为 写’二 抓月 式中是折算到电动机轴上的负载转矩 是电动机的角速度 是曳引轮的角速度 是传动比 刀,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 “一二立 二 式中,刀是蜗轮为主动旋转而蜗杆为从动旋转时的总传动效率。 电梯的动态力矩 由公式 可知电梯的动态力矩与电动机轴上的总的飞轮矩有关,飞轮 矩 可以表示为浙江工业大学硕士学位论文 式中, 、是电动机同一铀上的飞轮矩是蜗轮同一轴上的折算到电动机轴上的飞轮矩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 生 二工 二 设蜗轮同一轴上的飞轮矩为 ,转速为,折算到电动机轴上飞 轮矩为,电动机转速为,则按照能量守恒原则得出 委 , 一 , 设轿厢和对重总重量为,运动速度为 ,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 飞轮矩一争 根据式 可得电动机上总飞轮矩争 电梯的速度与加速度控制 令曳引轮直径为 ,转速为 ,电动机转速为,则轿厢运行速度,可表示 、 望可得 二 ? 动浙江工业大学硕士学位论文? ? 叽 代人式 可得 一二 “ 劝。 因此 。 一 一 一“ 一 刀 由式 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 就可控制电梯的运行加速度和 速度。电梯轿厢运动模型 轿厢运动速度,和曳引轮转动速度之间始终保持着线性关系,黔 式中 ,一曳引轮的半径 钢丝绳拉力一与曳引轮扭矩的关系为 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 所示的力学模型。浙江工业大学硕士学位论文 轿厢 止 可 图 轿厢受力计算图 此模型具有四个自由度,其位移矢量为叻,,系统总动能 ?合?告 一告省 系统总势能 。一粤,十二 十十二粤一。一。 乙 式中。,电梯轿厢、轿厢架及其附件质量平衡重质量电梯轿厢,平衡重的位移 曳引轮的绳槽半径,转动惯量 角位移 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,牵引轿厢一侧曳引钢丝绳的等效刚度,静变形 牵引平衡重一侧曳引钢丝绳的等效刚度,静变形 由拉格朗日 方程,得到系统的运动微分方程组如下 一一 ,一凡 一,一 一乓 ,一 几 凡 叻 一 一 一凡 ? 作用在轿厢上的力分别有轿厢自重与负载之和 式中, 乓 空气和磨擦阻力 连接曳引轮、导向轮的钢丝绳拉力。 其矩阵形式为 「 「 厂 门 防一一 胜 电 二 月 八 凡任 , 田 ,一一 劝趁 泣 ‘‘ , 几 ,‘ 一 , 气 月 人川 ‘ 一一 记为 二为质量矩阵, 一 八一 为刚度矩阵 一对一 二一 刁 厂 十 一一一 一 为外力列阵一 浙江工业大学硕士学位论文电梯速度控制研究内容及分析 电梯 速度闭环和位里闭环控制实现 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置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 和图 是目前普遍采用的两种速度控制方式。图 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 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 轿湘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。 图 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 硕士学文 轿 厢 图 用分频信号获得轿厢位置信号的速度控制原理图 变 日 曳 粤 轿 频 引 厢 主控匕 器 机 制器 转 速 绷 速度 鳖 姐 反馈 嫩 份 绝对值编码 器 图 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 所示,它采用绝对值编码器直接获得轿厢的实时位置 井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。电梯的速度控制方式 基于时间为原则的给出运行曲线 以时间为原则的运行方式依据理想给定曲线按时间值给变频器发送速度控制 指令,给定速度曲线是由存贮在 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 万才 卜一, 一单层运行曲线 一其它楼层运行曲线未进入额定速度 一额定速度运行曲线 图 有爬行段的速度运行曲线 速度频率值及加减速时间和 字特性时间构成。 如图 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 个位置检测点的输人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 护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。 基于旋转编码器的轿厢相对位里按距离方式给出运行曲线【 图 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 的旋转编码器间接获得轿厢位置,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,当进人减速段运行 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 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间题,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并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。 时间与距离相混合方式给出运行曲线 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力式,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 靠问题口 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。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。 如前图 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 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 广 一最短总距离运行曲线 一非最短总距离运行曲线未进入额定速度额定速度运行曲线 图 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。 电梯速度运行曲线分析常用电梯速度曲 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曲线的设计,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 种,抛物线曲线图 和正弦曲线图 图 一 和图一 从 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江工业大学硕士学位论文 仕 、 日 一一 一 , 图 抛物线曲线 图 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,而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。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 所示的速度运行曲线。 由图 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 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 另一方面浙江〔业大学硕士学位论文 当电梯按非额定速度曲线图中曲线 和 运行至高速段时图中 曲线, 系统也要通过延时的方式才能进人减速运行阶段,这也增加了电梯总的运行时间, 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 能按图 所示的曲线运行。首先此运行曲线消除了电梯运行中的爬行段,电梯 进人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曲线有直线段的正弦曲线,具体实现见第 章内容,进人高速后并不进行时间上的延迟,而是马上进人减速阶段运行,减 少了电梯总运行时间。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控制。 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 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, 参数在具体对象的应用中调整有一定困难 需要在实际应用当中不断调试以找出 值。 智能 控制。主要是模糊控制理论和 的结合,在 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, 的 三个参数可以在线调整,大大加强了 控制算法的鲁棒性 电梯运行速度的 控制文献 。美国康奈尔大学的 教授最早 提出伪微分反馈 控制,简称 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,而在反馈通道中引人被控量的 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起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 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。 电梯运行速度的预测控制。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 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。 多模式模糊控制〔。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 的档次分得太粗。这种模糊控制算法,对偏差。的基本论域为某一确定 的范围,具有较好的控制效果。但如果偏差。的基本论域与系统的设定参数有关, 或者说,偏差 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。 神经网络控制。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〕中提出了基于 的新型控制结构,首次 将 算法应用于电梯的速度控制,取得了满意的控制效果。文献中提出了 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 控制方式较简单,易于用编 程实现数字的 控制,因此本文在速度控制模块内编写了数字 速度调节程序 对电梯的给定速度进行实时调节。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 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 速度控制算法设计 摘要】 简要介绍了本文研究的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。 速度控制系统方案 对 重 图 速度控制系统框图 由前面的分析可确定速度控制系统的组成方案,图 所示是其组成 示意框图。它主要由主控制器、 变频器、绝对值编码器 旋转编码器、速度控制模块等组成。浙江工业大学硕士学位论文 图 速度控制原理图 第二章的图 给出了系统原理图,系统可进一步表示为图 。相 应的控制方案如下 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 调节,形成双闭环的速度控制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。速度控制算法 速度运行曲线的设计 本文前面提出了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 ,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。正弦曲线和余弦曲线在本质上是一致的,为此本文先将曲 线向下平移 ,然后将其翻转得到本文设计速度理想曲线的最初模型图 所浙江工业大学硕士学位论文 图 的曲线 示的曲线图,其速度计算公式为 设 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,乌是 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 时电梯运行标准的正弦曲线,而当要走其他的 值时 运行的是非标准的正弦线速度运行曲线。 如图 所示是本文设计的电梯运行曲线图,设。是走时曲线所能达到最 高速度,,是额定速度,,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 乌 此时电梯走一个标准的正弦速度曲线图 中曲线 的段,其幅值 一 乙乌 此时 ,电梯运行的是图 的曲线 电梯先运 行曲线 的 段此段曲线形状与曲线 的 段是完全一样的,是标准正弦 曲线的前半段 运行到 一 的 点时,电梯开始运行斜率为 一 浙江工业大学硕士学位论文 一 一 分‘一 扭一 一 一 八 二一最短总距离运行曲线 一未进人额定速度的运行曲线 额定速度的运行曲线 图 电梯速度运行正弦曲线图 加速度为固定值的直线段 ,之所以选择加速度。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‘一 时,电梯开始运行曲线 与曲线 的 段是完全一样的,是标准正弦曲线的后半段,直至运行 到总 离的二分之一处速度为,,电梯沿着与上升段对称的曲线进人减速段。 与 其过程基本上与曲线 的运行过程一样,只不过电梯运行加速 度 的直线的时间要长一些,同时进人额定速度后,电梯将进人匀速运动阶 段直至电梯进人减速段。 运行标准正弦速度曲线时 速度一 走过的距离一,一旦 加速度加速度变化率加加速度 二浙江工业大学硕士学位论文 上升段或下降段 运行总时间 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 表示电梯运行的正弦线前半段曲线, 表示电梯运行的直 线段曲线, 表示正弦线后半段曲线, 。等是对应点的 时间值与运行的距离值,场是直线段运行总时间,,是 点的速度值,也是速 度运行曲线能达到的最大速度值,则段正弦线前半段 一,一乌 二二』? 丝 ,一奋 段直线 一 一,,一,,,一,’?, 一一‘,告 ,一,二一一 几 一‘一‘二含?,段是标准正弦曲线的后半段,只需加二直线段 所走过的速度值,便可得浙江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段 正弦线后半段一一一 “,一 一 伽一 一 一一一‘ 二,一 ,‘一,。一圣,一,十,十兰 一十一 一十?刀 沪、 山 乙 山 自 由于 与 是反对称的,从图一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 “百 以上各式可知,只要确定标准运行曲线的幅值 。 及速度、,就可以确定曲 线的各阶段的特征点的参数值在实际应用中,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、 最大加速度一与 最大加速度变化率,本文将这些变频器参数读人到程序中,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 二二、。、, 丫曰、。。。 设定的最大加速度值 、 、 ,二,、二, 段的斜率,于是得到仍。确定了 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几,时,由于,是不确定的,必须首先得 到 才能确定其他值。浙江工业大学硕士学位论文 由公式卿可知 二 二 毋 式中,是对应于此时系统给定的电梯运行总距离能达到的最高速 度 是相应曲线的运行总时间。 因此可得出 二由于已从变频器的相关设置得到 和 ,因此这是关于,,的一元二次方程 其各项系数都已知,而且必定存在唯一解,故可以由其求根公式得到 ‘值 竺二在选择,、 和。必须考虑到舒适性和快速性的要求 舒适性要求 加速度加速度变化率 快速性要求 生‘ 势‘,式中 、为电梯运行的最大加速度 。为电梯运行的最大加速度变化率浙江工业大学硕士学位论文 ,为起动段的平均加速度 ,为电梯运行的额定速度 起动段或减速段 所用时间。 现结合本文实验具体说明相关设计步骤,设定额定速度,为 ,最 短运 行距离速度为 为 。一般情况下,建筑层高为 左右 楼一般要高 一些,为 左右,因此运行标准的正弦曲线总的距离要在 左右通 常要小 于由公式 与可知 二二二 ‘ 走标准正弦曲线时 二二 起动段或减速段 总距离 二 一 即最短运行距离为 走额定速度最高速度寸 二 ? 十一 鱼上一 。二 二 臼 口三互二 。 总距离 起动段或减速段 以平均每层 考虑,要达到 的速度的总楼层高度必须大于 等于 ,即电梯要走 层楼高才一能达到此运行速度,而最短运行 距离为因此电梯运行 层楼高层楼高和 层楼高