電梯運(yùn)行過程中的智能調(diào)速環(huán)節(jié) PLC課程設(shè)計(jì)

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1、 摘要 本課程設(shè)計(jì)主要針對(duì)電梯運(yùn)行過程中的智能調(diào)速環(huán)節(jié)，結(jié)合PLC中的PID模塊，用PID算法在不同條件下對(duì)電梯進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，旨在提高電梯的舒適性與快速性。 關(guān)鍵詞：電梯；PLC；PID；快速；舒適 Abstract This 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

2、PID algorithm in different situations. In order to improve the comfortableness and swiftness. Key words: elevator; PLC; PID; comfortableness; swiftness 一、電梯的PLC控制 （一）PLC簡(jiǎn)述 PLC是可編程控制器的簡(jiǎn)稱，它是一種用于自動(dòng)控制的專用微機(jī)，實(shí)質(zhì)上屬于微機(jī)控制方式，但可編程控制器具有其自身的特點(diǎn)： 1） PLC在設(shè)計(jì)和制造上采取了許多抗干擾措施，輸入輸出均有光電隔離。能在較惡劣的各種環(huán)境中工作，可靠

3、性高，適合于安全性要求較高的電梯控制。 2） PLC將CPU、儲(chǔ)存器、I/O接口等做成一體，使用方便，擴(kuò)展容易。具有繼電器系統(tǒng)的直觀、易懂、易學(xué)，應(yīng)用操作可調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì)，因此，目前在國產(chǎn)電梯及中低檔的客梯廣泛采用了PLC控制系統(tǒng)，特別適合在用電梯的技術(shù)改造和控制器開發(fā)。 plc結(jié)構(gòu)框圖 （二） 基于PLC的電梯控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)框圖如圖： 本控制系統(tǒng)是一個(gè)全并口電梯控制系統(tǒng)，采用集中控制的方式，主要包括信號(hào)控制和拖動(dòng)調(diào)速控制兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的核心是PLC。呼梯信號(hào)、門機(jī)系統(tǒng)信號(hào)、位置、安全

4、保護(hù)及變頻器工作狀態(tài)等信號(hào)并行輸入PLC，經(jīng)PLC運(yùn)算處理后由輸出接口分別向顯示電路發(fā)出呼梯、定向等顯示信號(hào)，向門機(jī)系統(tǒng)和通過變頻器向拽引電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。 本課題主要針對(duì)PLC→變頻器→電機(jī)的過程，運(yùn)用PID算法加以控制，達(dá)到電梯的高效穩(wěn)定運(yùn)行態(tài)，并提高舒適度。 二、速度曲線的舒適感和快速性 （一）對(duì)電梯的快速性的要求 電梯作為一種交通工具，對(duì)于快速性的要求是必不可少的?？焖倏梢怨?jié)約時(shí)間，這對(duì)于在快節(jié)奏的現(xiàn)代社會(huì)中的乘客是很重要的?？焖傩灾饕ㄟ^如下方法得到： 1、提高電梯的額定速度VN，電梯的額定速度提高，運(yùn)行時(shí)間縮短，達(dá)到為乘客節(jié)省時(shí)間的目的?，F(xiàn)代

5、電梯梯速不斷提高，目前超高速電梯額定速度已達(dá)14m/s。通常我們稱額定速度低于1m/s的電梯為低速電梯，額定速度1~2m/s的電梯為中、快速電梯，額定速度在2~4m/s的電梯為高速電梯，額定速度在4m/s以上的電梯為超高速電梯。目前我國生產(chǎn)的電梯主要是中、快速電梯和低速電梯，高速電梯很少生產(chǎn)，超高速電梯尚無生產(chǎn)。 在提高電梯的額定速度的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)安全性、可靠性的措施，因此梯速高，造價(jià)也隨之提高。 2、集中布置多臺(tái)電梯，通過電梯臺(tái)數(shù)的增加來節(jié)省乘客候梯的時(shí)間，這種方法不是直接提高速度，但是為乘客節(jié)省時(shí)間的效果是同樣的。當(dāng)然電梯臺(tái)數(shù)的增加不是無限的，通常認(rèn)為，在乘客高峰期間，

6、使乘客的平均候梯時(shí)間少于30s即可。 3、盡可能減少電梯啟、停過程中的加、減速時(shí)間，電梯是一個(gè)頻繁制動(dòng)的設(shè)備，它的加、減速所用的時(shí)間往往占運(yùn)行時(shí)間的很大比重，電梯單層運(yùn)行時(shí)，幾乎全處于加、減速運(yùn)行中，如果加、減速階段所用的時(shí)間縮短，便可以為乘客節(jié)省時(shí)間，達(dá)到快速性要求。 因此電梯在啟、停制動(dòng)階段不能太慢，那樣將降低效率，浪費(fèi)乘客的寶貴時(shí)間。GB/T10058——1997《電梯技術(shù)條件》中就規(guī)定了電梯加、減速的最小值：“交、直流快速電梯平均加、減速度不小于0.5m/s2，直流高速電梯平均加、減速度不小于0.7m/s2”。這是對(duì)電梯快速性的要求。 上述三種方法中，前兩種需要增加設(shè)備投

7、資，第三種方法通常不需要增加設(shè)備投資，因此在電梯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少啟、制動(dòng)時(shí)間。但是啟、制動(dòng)時(shí)間縮短意味著加、減速度的增加，然而加、減速度的過分增大和不合理的變化將造成乘客的不適應(yīng)感。因此，對(duì)電梯又提出了舒適性的要求。 （二） 對(duì)電梯舒適性的要求 1、由于速度引起的不適，人在加速上升或減速下降時(shí)，加速度引起的慣性力疊加到重力之上，使人產(chǎn)生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或減速上升時(shí)，加速度產(chǎn)生的慣性力抵消了部分重力，使人產(chǎn)生上浮感，感到內(nèi)臟不適、頭暈?zāi)垦！? 2、由加速度變化率引起的不適，實(shí)驗(yàn)證明，人體不但對(duì)加速度敏感，對(duì)加加速度（加速度變化率）也很敏感。我們用α來表示加

8、速度，用ρ來表示加加速度，則當(dāng)ρ較大時(shí)，人的大腦感到眩暈、痛苦，其影響比加速度α的影響還嚴(yán)重。我們也稱加加速度為生理系數(shù)，在電梯行業(yè)一般限制生理系數(shù)ρ不超過1.3m/s。 （三）電梯的速度曲線 在轎廂靜止或勻速升降時(shí)，α、ρ都是0，乘客不會(huì)感到不適；而在轎廂又靜止起動(dòng)到以額定速度勻速運(yùn)動(dòng)的加速過程中，或由勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)到靜止?fàn)顟B(tài)的減速過程中，既要考慮快速性的要求，又要兼顧舒適感的要求。因此有必要設(shè)計(jì)電梯運(yùn)行的速度曲線，科學(xué)、合理地解決快速性與舒適感的矛盾。 電梯速度曲線 圖中ABCD就是這樣的速度曲線。其中AEFB段是由靜止起動(dòng)到勻速運(yùn)行的加速段速度曲線；BC

9、段是勻速運(yùn)行段，其梯速為額定梯速；CGHD段是由勻速運(yùn)行制動(dòng)到靜止的減速段速度曲線，通常是一條與起動(dòng)段對(duì)稱的曲線。 加速度段速度曲線AEFB段的AE段是一條拋物線，EF段是一條在E點(diǎn)與拋物線AE相切的直線，而FB段則是一條反拋物線，它與AE段拋物線以直線EF段的中心點(diǎn)相對(duì)稱。設(shè)計(jì)電梯的速度曲線，主要就是設(shè)計(jì)起動(dòng)加速度段AEFB段曲線，而CGHD段與AEFB段鏡像對(duì)稱，很容易由AEFB段的數(shù)據(jù)推出，BC段為恒速段，其速度為額定速度，無需計(jì)算。 速度 加速度 加加速度 AE段 v=kt2 α=dv/dt=2kt ρ=dα/dt=2k EF段

10、 v=vE+αE(t-tE) α=dv/dt=αE ρ=dα/dt=0 FB段 v=vN+K(tB-t)2 α=dv/dt=2k(tB-t) ρ=dα/dt=-2k 電梯在進(jìn)行單層運(yùn)行時(shí)，通常梯速還未加速到額定速度便要減速停車了，這是的速度曲線沒有恒定速度運(yùn)行段。因此這時(shí)的電梯速度曲線有單層運(yùn)行、多層運(yùn)行兩種速度曲線 如圖，其控制規(guī)律也就更為復(fù)雜些。 三、速度曲線的設(shè)計(jì) （一）速度曲線的要求 從前面的分析可以看出，設(shè)計(jì)電梯速度曲線的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)電梯起動(dòng)階段的速度曲線AEFB段，BC段是均勻運(yùn)行段，速度為常值，無須設(shè)計(jì)；減速階段的速度曲線CGHD段與BFEA段對(duì)稱，可

11、按對(duì)稱原則輕松得到。 將相關(guān)標(biāo)注對(duì)電梯的舒適性和快速性要求列寫如下： 舒適性要求： 加速度：a=dv/dts2=amb 加加速度：=da/dt=d2v/dt21.3m/s2=mb 快速性要求：起動(dòng)段的平均加速度 ap=vN/tQ0.5m/s2 (vN ap=vN/tQ m/s2 (vN 式中 amb標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許最大加速度（m/s2）； mb標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定打的允許最大加加速度（m/s3）； vN電梯的額定速度（m/s）； tQ起動(dòng)段所用時(shí)間（s）； （二）本電梯速度曲線設(shè)計(jì) 根

12、據(jù)本課題的技術(shù)指標(biāo)的指標(biāo)，本電梯的額定梯速： vN=1.5m/s 按舒適性要求選?。篴m=1.2m/s2<1.5 m/s2 m=1.0 m/s2<1.3m/s2 1、 AE段（拋物線段） v=kt2 a=dv/dt=2kt =da/dt=2k=m k=m/2=(1.0/2)m/s2=0.5 m/s2 對(duì)于E點(diǎn)：tE=aE/2k=am=1.2s ∴vE=ktE22=

13、0.72m/s 代入數(shù)據(jù)后的AE段方程 v=0.5t2 (0) 2、 EF段（直線段） v=vE+aE(t-tE) (tEtF) ∵FB段和AE段對(duì)稱，所以 EF=FB=vE EF段的速度變化為 EF=vN-2vE=(1.5-20.72)=0.06m/s EF段所需時(shí)間 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.

14、2 3、 FB段（反拋物線段） v=vN-k(tB-t)2 / (tFtB) tB=tF+tE=1.25+1.2=2.45s vB=vN=1.5m/s ∴FB段方程 v=1.5-0.5（2.45-t）2 /（1.25s） 計(jì)算結(jié)果歸納如下： 對(duì)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

15、.45-t）2 （1.25s） a=2.45-t=-1.0m/s3 起動(dòng)期間的平均價(jià)速度： ap= vN/tQ=vB/tB=1.5/2.45=0.61m/s3m/s2 滿足快速性要求。 據(jù)此可設(shè)計(jì)出整個(gè)速度曲線形狀如圖 多層速度曲線 起動(dòng)走過的距離 S==vBtB 本電梯適用建筑物層高Ht=3米，則2S=3.68米，故此曲線不適合進(jìn)行單層運(yùn)行，單層速度曲線需要另外設(shè)計(jì)，其形狀如圖所示： 單層速度曲線 其中AG段是以上設(shè)計(jì)的多層速度曲線AE的一部分。

16、 ∴其方程為v=kt2 （G） 由于k不變，故m=2k也不變，即k=0.5不變，m=1m/s3 起動(dòng)段AH走過的路程HQ=vHG= vHG 其中：v=G=2ktG2 tG=aG/m=aml/m (aml為最大加速度) ∴HQvHG=2(aml/m)2aml/m)= aml3/m3 層高Hl=2HQ=2 aml3/m2 ∴ aG= aml==2 ∴ tG=am/m=1.145/1=1.145s vH=2vG=2ktG2=1.31m/s 運(yùn)行一層所用時(shí)間 tl=4tG=41.145=4.58S 起動(dòng)平均加速度apl=vH/tH==0.57m/s20.

17、5m/s2 ∴ 起動(dòng)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、速度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一） 速度調(diào)節(jié)的算法分析 在進(jìn)行電梯速度控制時(shí)，系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)時(shí)速度對(duì)給定速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。電梯速度調(diào)節(jié)的方法主要有：PID控制；PDF控制；預(yù)測(cè)控制；多模式模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 本設(shè)計(jì)使用EC20-2012BRA型PLC本身帶有的PID控制算法模塊，采用PID算法調(diào)節(jié)速度。

18、 （二） 速度控制的程序?qū)崿F(xiàn) 由于電梯運(yùn)行一層和運(yùn)行多層采用不同的速度曲線進(jìn)行控制，所以本設(shè)計(jì)采用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)一層運(yùn)行和多層運(yùn)行的控制速度的模擬量輸出。在主程序中根據(jù)對(duì)需要運(yùn)行樓層的判斷，決定需要調(diào)用一層速度曲線輸出還是多層速度曲線輸出的子程序，在主程序中還要調(diào)用子程序PID_SET來設(shè)定PID運(yùn)算的相關(guān)參數(shù)。速度輸出子程序如圖： 速度輸出子程序圖 在定時(shí)器中斷程序中則實(shí)現(xiàn)編碼器反饋脈沖的采集、反饋速度計(jì)算、PID運(yùn)算、把PID運(yùn)算的結(jié)果以模擬量輸出從而達(dá)到速度控制的效果，程序流程圖如圖： 定時(shí)器中斷程序流程圖 五、控制策略的MATLAB仿真 （一） 建立SIMUL

19、INK仿真模型 1、交流電機(jī)仿真模型的建立 三向電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)構(gòu)圖 2、變頻器仿真模型的建立 在工程實(shí)踐中，可以針對(duì)具體情況，將變頻器的傳遞函數(shù)設(shè)定為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)或一個(gè)比例環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)將其處理為慣性環(huán)節(jié)，則控制電壓Uk和輸出電壓Ud之間的傳遞函數(shù)為： Ud(s)/Uk(s)=Kτ/(Tτs+1) 取Tτ=0.1s，Kτ=ΔUd/ΔUk=380/10=38 所以： Ud(s)/Uk(s)=Kτ/(Tτs+1)=38/0.1s+1 3、電梯控制系統(tǒng)模型的建立 根據(jù)前面對(duì)

20、電梯本體的數(shù)學(xué)模型的建立，可建立其速度響應(yīng)的仿真模型。減速器可簡(jiǎn)化為一個(gè)比例環(huán)節(jié)KC，當(dāng)電梯不采用減速機(jī)構(gòu)時(shí)，比例系數(shù)為１；編碼器反饋看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)Kf。將上述各環(huán)節(jié)模型與電機(jī)及變頻器仿真模型結(jié)合在一起，即可構(gòu)成電梯速度控制系統(tǒng)的仿真模型。 最終建立電梯速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型如圖： 控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型 （二） 仿真結(jié)果分析 1、取PLC控制器、變頻器、拽引電機(jī)、編碼器組成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行速度階躍響應(yīng)仿真，仿真框圖和曲線如圖： 階躍速度響應(yīng)仿真框圖 階躍速度響應(yīng)仿真曲線 由轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

21、可以看出，本設(shè)計(jì)所用的拽引電機(jī)、變頻器、的仿真模型在動(dòng)態(tài)性能上 很好地對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，可以滿足速度仿真中對(duì)控制環(huán)節(jié)的要求。 2、整個(gè)電梯系統(tǒng)的仿真模型如圖： 控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型 拋物線型速度曲線的響應(yīng)仿真如圖： 拋物線型速度曲線的響應(yīng)仿真 從上面的仿真曲線可以看出，系統(tǒng)對(duì)拋物線型的速度曲線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性還是比較好的，只有小時(shí)間的延時(shí)，可以通過程序和優(yōu)化PID參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行修正。在仿真過程中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比例參數(shù)較小時(shí)，由于調(diào)節(jié)速度變慢，電梯的速度曲線會(huì)滯后設(shè)計(jì)的理想毒素曲線過大，使得在運(yùn)動(dòng)過程中的速度曲線發(fā)生較大變形，故在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)因適當(dāng)增大比例

22、參數(shù)的值。從仿真結(jié)果也可以看出，本文設(shè)計(jì)的控制器用大閉環(huán)實(shí)現(xiàn)速度控制時(shí)可行的。 六、總結(jié) 本文簡(jiǎn)述了PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制理論以及基于PLC控制系統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)。兼顧人體對(duì)電梯速度的生理曲線，設(shè)計(jì)了一種拋物線式的速度曲線?？紤]到PLC本身自帶的PID算法模塊等因素，本文采用了較易實(shí)現(xiàn)的PID算法對(duì)電梯速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，旨在提高電梯的運(yùn)行效率與乘客的舒適感。 七、 參考文獻(xiàn) [1]李惠昇，電梯控制技術(shù)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [2]李秧耕，何喬治，何峰峰。電梯基本原理及安裝維修全書。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [3]陳偉國，VVVF電梯的SDCS速度控制研究：碩士學(xué)

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