基于FSM的电梯控制算法设计与仿真

2020-03-08范有机

武夷学院学报 2020年12期

范有机

（武夷学院机电工程学院，福建武夷山 354300）

随着电梯数量增多，面向电子信息专业招聘电梯技术员的岗位增加，教学内容未涉及电梯控制方面的知识，实验室也没有教学电梯模型，观察实体电梯运行过程不便且可能影响其正常运行带来危险，学生自学电梯控制算法难度大，需电梯控制算法的引导，以锻炼学生的逻辑思维和扩大就业渠道。电梯控制系统是典型的复杂信息控制系统，电梯在呼叫信息的驱动下动作，类似游戏机按键控制人物等对象进程，适合用有限状态机（FSM）思想建模。有限状态机(Finite-state machine,FSM),又称有限状态自动机,简称状态机[1]，在确定事件或指令触发下,从一个状态转移至另一状态，并执行相应状态下的动作[2-3]，本文基于FSM思想进行电梯控制算法建模，并利用力控组态软件设计仿真模型进行了验证。

1 基于FSM的电梯控制算法设计

电梯控制算法有先来先服务算法、扫描算法、最短寻找楼层时间优先算法、LOOK算法、SATF算法等算法[4]，其中扫描算法（SCAN）为方向优先控制方式[5-6]，在运行过程中优先响应与电梯运行方向相同的呼叫，与电梯运行方向相同的呼叫在一次上行或下行的过程中完成，较好的解决了电梯频繁移动问题，效率较高，适合楼层不高单个电梯的控制方式[7]。本文以4层电梯为例，采用FSM为方向优先控制方式的扫描算法建模。

根据电梯工作情况，把电梯状态分为待机状态、运行状态、开门状态和关门状态4个状态，运行状态指向上或向下的运行状态，其状态转换过程如图1所示；图中最远端呼叫层，是指运行方向上最远的呼叫层，例如图2，时间秩序为t1～t13，图中[t4,t10]表示第2层在t4时刻和t10时刻开门，i5-Δt表i5时刻前，设电梯在1层待机，t1时刻2层按下向上呼叫，电梯i1时刻向上运行至i4时刻到达2层，期间t2时刻，2层按下向下的呼叫，t2时刻最远端呼叫层为第2层，t3时刻，4层按下向下呼叫，t3时刻第4层就为向上最远端的呼叫层，到达2层后开门并清除本层向上呼叫标志，用户入梯按下至3层按钮，t5时刻关门向上运行，至第3层开门清除3层呼叫标志，关门后至4层，第4层进来的人呼叫到第1层，清除向下的呼叫信号电梯反向向下运行，3层无呼叫，3层不停站，t10至2层，开门后清除t2第2层向下的呼叫标志，电梯关门至1层，开关门并清除呼叫标志，运行过程中只为同向呼叫层或最远端呼叫层停站并开门和关门。

图1 电梯工作状态图Fig.1 Elevator working state diagram

图2 电梯工作过程示例图Fig.2 Example diagram of elevator working process

状态触发条件（Trigger condition，Tr）及执行动作（Perform actions，Pe）如表1所示。其中“—”表无条件或无动作，不符合停站条件指：未平层，或不是内呼叫层，或该层无呼叫，或非同向外呼，或非最远端呼叫层；停站条件指：平层，该层有同向外部呼叫，或该层为内呼叫层，或为最远端呼叫层。

表1 状态触发条件及执行动作表Tab.1 State trigger condition and execution action table

2 基于力控组态软件的仿真模型设计

力控组态软件提供了大量的图形对象、控件及位图，以及易于上手的控制脚本[8]，其最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”进行系统集成，并提供良好的用户开发界面和简洁的工程实践方法[9-10]。为验证并形象展示算法，利用力控组态软件设计仿真模型进行验证。

2.1 界面设计

利用力控组态软件中的各种图像和动画逼真展现电梯工作过程，选择图形模拟内外呼叫按钮、电梯厢门、各层层门，定义数据变量模拟电梯各种参数的变化，并将这些变量与对应图形连接，当控制程序运行时就可以形象展示和验证算法，4层电梯仿真界面如图3所示。

图3 电梯仿真界面Fig.3 Elevator simulation interface

2.2 电梯控制程序流程图

2.2.1 数组保存、处理呼叫信息

用数组保存、处理呼叫信息，数组有序与楼层有序对应，用4个数组保存外呼上、外呼下、楼层内呼、综合（内外）呼叫，层号对应数组下标号的个位，按下呼叫，对应数组位为1，否则为0，其中1层没有外呼下，为了统一处理，其对应元素置常数0，4层外呼上置0，综合呼叫为外呼上、外呼下、楼层内呼三者进行逻辑“或运算”，详见表2；其他参数用变量模拟。

表2 呼叫与对应数组元素映射表Tab.2 Call and corresponding array element mapping table

设所在楼层整形变量为flr，取值范围1～4，综合呼叫数组4个元素为zh[41]～zh[44]，求两个方向上最远端呼叫层，向下为minf，向上为maxf的函数如下：

利用数组可以方便提取呼叫信息，进而方便控制电梯运行。

2.2.2 主流程图、待机状态及运行状态流程图

FSM算法采用switch语句现实，switch开关语句专门处理多路分支（对应多个状态）的情形，能使使程序变得简洁，主流程图如图4所示，Pe表执行动作（Perform actions）；待机状态流程图如图5所示，主要等待呼叫信息及确定运行方向；运行状态流程图如图6所示，主要执行上升与下降操作，并在平层时判断是否满足停站条件，满足转开门状态，停站条件：该层有同向外部呼叫或该层为内呼叫层或为最远端呼叫层。

图4 四层电梯控制主流程Fig.4 Four floor elevator control main flow

图5 待机状态流程图Fig.5 Flow chart of standby state

图6 运行状态流程图Fig.6 Flow chart of running state

2.2.3 开门状态及关门状态流程图

开门状态流程图如图7所示，主要重先定向及打开厢门和对应层门，开门前重先定向，为了提示乘客登梯，比如内呼有人请求到3层，电梯从2层到3层运行途中，3层有人按外呼向下请求，其它层没有呼叫，电梯到3层时停站，开门前重先定向，原来上升就改为向下，以提示乘客登梯；关门状态流程图如图8所示，主要响应开门和关门请求，若没有开门和关门请求电梯延时一段时间自动关门，关门后若有同向它层呼叫，直接转运行状态，关门后若没有同向它层呼叫，延时一段时间，等待用户按下内呼请求，把用户送至欲往楼层，若延时时间到，没有同向它层呼叫，转待机状态。开门和关门为互斥关系，不能同时有效。