曳引式电梯模糊PID控制系统调速特性仿真

蒋　杉，吴剑威，申　远

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)



曳引式电梯模糊PID控制系统调速特性仿真

蒋杉，吴剑威，申远

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)

[摘要]电梯的速度控制具有非线性和大滞后等特点，很难建立精确的数学模型。本文为此设计了一种模糊PID控制算法，并利用MATLAB软件进行仿真分析。结果表明，模糊PID控制器和传统PID控制器相比，动态响应快，无超调现象，具有较好的鲁棒性，可以使曳引式电梯实现调速过程的平稳控制。

[关键词]模糊控制;电梯;调速系统;计算机仿真

电梯系统是复杂的机电设备，其控制系统可分为选层控制系统与调速控制系统两大方面[1]。其中调速控制是指对电梯从启动到平层停车整个过程中速度的变化规律进行控制，从而减轻人在乘坐电梯时由于启动、制动过程中加、减速度产生的上浮、下沉等不舒适感。电梯运行的平稳性、舒适性在很大程度上取决于电梯的速度控制方式的选择[2]。据相关研究结果显示，经典PID速度控制方式下，电梯在启动和制动阶段速度很难符合理想运行曲线要求，均有明显的速度剧变现象[3]。目前我国安装使用的电梯中，大部分为曳引电梯，其轿厢由钢丝绳通过滑轮连接进行牵引，剧变的速度会造成钢丝绳打滑，轿厢停靠不到位的现象，将严重影响电梯的安全性。为此，本文将模糊控制策略应用于曳引式电梯的速度控制之中，并对其调速系统的特性进行仿真分析。结果表明，基于模糊PID控制的电梯调速系统在电梯轿厢“启动-运行-制动”过程中速度调节稳定，动态性能良好，相对于PID控制的电梯调速系统具有明显优势。

1曳引式电梯调速控制原理

1.1电梯理想运行曲线

电梯理想运行曲线有梯形速度曲线、S形速度曲线、正弦速度曲线等[4]。其中S形速度曲线和正弦速度曲线对控制器数据处理能力要求较高，且本身波形难以实现。因此，在电梯调速控制中较多的使用了梯形速度曲线。本文所设计的模糊控制器即是采用梯形速度曲线作为理想运行曲线的。图1所示的梯形速度曲线可分为“启动-运行-制动”三段，其中AB段为电梯启动阶段，BC段为电梯运行阶段，CD段为电梯制动阶段。由于加速度的改变会让乘坐人员感受到失重和超重等不适感，所以在实际运行过程中，电梯速度的调节既要考虑电梯的运行效率，又要兼顾乘坐的舒适度。理想运行曲线正是研究人员根据电梯运行效率要求和人体生理特点所设计出的能保证加速度和加速度变化率最佳取值的运行曲线。实际调速过程中，电梯运行往往在“启动-运行-制动”三阶段的连接时刻难以控制在理想速度上，而传统的PID控制方法由于超调量较大，也难以取得较好效果[5]。模糊控制算法不依赖精确的数学模型，对大惯性、大滞后系统具有较强的适应能力和良好的鲁棒性[6]。因此，将模糊控制策略应用在电梯调速控制系统中较为合适。

图1　梯形理想速度曲线

1.2曳引式电梯调速控制系统

本文所针对的电梯调速系统由控制器、变频器、曳引机和光电编码器组成。该系统中控制器输出信号被传送至变频器，并由变频器输出信号调节曳引机转速，进而控制电梯轿厢的上下运行速度。光电编码器负责实时检测曳引机实际转速，并将数值传回控制器，与设定转速相比较，形成闭环控制。将模糊控制策略应用与曳引电梯调速控制系统中，其原理如图2所示。本系统以曳引机转速为研究对象，以设定转速和实际转速的误差e作为输入量，偏差ec作为输入量，输出变量为Δkp、Δki、Δkd，其实质是通过模糊推理实现PID参数的在线调整。

图2　模糊PID控制原理图

2模糊控制器的设计

本文中所有输入量和输出量的语言描述为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。定义各输入输出量的模糊子集为：

{e}={ec}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

{Δkp}={Δki}={Δkd}

={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

输入变量和输出变量的模糊论域区间均为[-6,6]，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}，且所有变量均采用三角形隶属函数，隶属函数如图3所示。

图3　模糊控制器隶属函数

根据PID控制器参数整定原理和专家经验，得出Δkp、Δki、Δkd模糊控制规则表，如表1、表2、表3所示。解模糊化规则采用重心法。

表1　Δkp模糊规则调整表

表2　Δki模糊规则调整表

表3　Δkd模糊规则调整表

3建模与仿真

经过实验确定曳引式电梯可用一阶滞后环节描述。用MATLAB中的simulink工具箱建模，并对PID控制算法和模糊PID控制算法进行仿真对比。阶跃信号设定值为1m/s，仿真模型如图2所示，仿真结果如图3所示。

由仿真结果可知，传统PID控制算法超调量达到了18%，模糊PID控制器能使调速控制系统平滑、快速的达到速度设定值，无超调现象，并且速度到达稳定的时间与传统PID控制器几乎一致。

4结论

本文将模糊PID控制算法应用于曳引式电梯的调速控制系统。应用MATLAB软件对调速控制系统进行了PID控制算法和模糊PID控制算法的仿真比较。通过仿真分析可知，模糊PID控制器可以使曳引式电梯实现调速过程的平稳控制，对参数变化具有很好的适应性能，有助于提高系统鲁棒性。

图4　仿真模型

[参考文献]

[1]缪学进,李永东,肖曦,等.永磁同步电机控制系统及其在电梯中的应用[J].电力电子技术, 2006, 40(6)：19-21.

[2]龚世缨,易敏军,葛少成,等.电梯理想速度曲线的理论分析及实现方法[J].电力电子技术, 1996, (1)：18-21.

[3]高国贤,马福军.电梯正弦运行速度曲线的分析与设计[J].自动化技术与应用, 2007, 26(11)：19-21.

[4]吴淑娟.PLC与模糊控制在电梯调速系统设计中的应用[J].兰州工业学院学报,2014,21(2):14-16.

[5]余琳,李晟.基于速度控制方式的电梯变频控制策略研究[J].机电工程, 2012, 29(8)：949-953.

[6]李士勇.模糊控制神经网络控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996.

[7]应乐安,王成焘.电梯加速度舒适性评价的生理心理学研究[J].机械设计与研究, 2008, 24(1)：106-111.

[8]张志涌,杨祖樱.Matlab教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

Simulation of Fuzzy PID Control Characteristic for Haulage Type Elevator Speed Regulation System

JIANG Shan, WU Jianwei, SHEN Yuan

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：With nonlinear and large delay characteristics, it is difficult to establish a precise mathematical model for elevator speed regulation. In view of the characteristics, a fuzzy PID control algorithm was designed. The model was created in matlab software for simulation. The results showed that, compared with PID controller, fuzzy PID controller made the speed regulation system of elevator respond quickly, no overshoot but strong robustness which enabled haulage type elevator to realize stable control of speed process.

Key words：fuzzy control; elevator; speed regulation system; computer simulation

[中图分类号]TP391.9

[文献标识码]A

[文章编号]1674-2273(2015)06-0024-03

作者简介][第一 蒋杉(1985-)，男,硕士，合肥师范学院电子信息工程学院教师，研究方向为自动控制技术。

[基金项目]合肥师范学院产学研基金项目(2014CXY31)资助

[收稿日期]2015-05-12