亢偉超

摘 要：對(duì)于電梯運(yùn)行的有效控制，不僅能夠確保電梯的安全運(yùn)行，而且也能夠提升電梯的使用效率。隨著信息化的不斷快速發(fā)展，信息技術(shù)也在電梯控制領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在這種背景下，文章首先探討了電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展與信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，進(jìn)而分析了模糊控制的理論應(yīng)用與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；電梯控制；應(yīng)用；模糊控制理論；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1 電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展與信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)

1.1 常規(guī)控制系統(tǒng)

由于科技的高度發(fā)展和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的起飛及人口向城市集中，因而使城市的建筑物普遍朝高樓大廈發(fā)展，電梯即是在這種情況下的時(shí)代產(chǎn)物，可以提供人們上下高樓的便利性。電梯的控制方式普遍采用下列三種控制方式：繼電器控制方式、可編程控制器（PLC）控制方式、微處理機(jī)的單晶片控制方式。上述三種控制方式中，繼電器控制系統(tǒng)具有發(fā)生故障率高、可靠性差、接線復(fù)雜、通用性差等缺點(diǎn)。1983 年微處理晶片數(shù)字式邏輯系統(tǒng)控制器導(dǎo)入電梯使用，此后正式成為電梯控制的主要發(fā)展方向，致使電梯的電氣控制方式進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期?？删幊炭刂破骺刂葡到y(tǒng)及微處理機(jī)的單晶片控制系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)體積減小、節(jié)能、可靠性提高，尤其是對(duì)群控、通訊等復(fù)雜電梯控制功能更具優(yōu)越性。可編程控制器（PLC）的程序編輯采用易學(xué)易懂的梯形圖語(yǔ)言，且具有控制靈活方便、可重復(fù)使用、程序記憶體與外部輸出容量可彈性擴(kuò)充、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、能與電腦連線操作等特點(diǎn)。

1.2 信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)

電梯控制系統(tǒng)大部分都是借助電腦的軟硬件結(jié)構(gòu)，并搭配各式各樣的感應(yīng)器及預(yù)先所規(guī)劃的復(fù)雜的各式操作程序，結(jié)合成所謂的人工智能。精準(zhǔn)的監(jiān)控及引導(dǎo)各部電梯的動(dòng)作，是以模糊邏輯方法為基礎(chǔ)。模糊理論是根據(jù)不明確的信號(hào)，通過(guò)近似推理的過(guò)程，且經(jīng)過(guò)運(yùn)算而得到明確的結(jié)論，類似人頭腦中“過(guò)程模糊，結(jié)果明確”的思維特征。使用模糊邏輯數(shù)學(xué)分析統(tǒng)計(jì)法，能快速的找出任何時(shí)刻最適合的運(yùn)行模式。

文章主要以小型電梯控制系統(tǒng)為例，結(jié)合PLC控制技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一套結(jié)合模糊邏輯理論，將推理、判斷、決策、控制等的知識(shí)思考行為，轉(zhuǎn)化成為知識(shí)庫(kù)及規(guī)則庫(kù)儲(chǔ)存于電腦中，再經(jīng)由模糊理論法（fuzzy theory）以數(shù)值計(jì)算方法完成推論，實(shí)現(xiàn)于此電梯控制系統(tǒng)的視窗化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。文章主要是針對(duì)電梯等待時(shí)間及搭乘時(shí)間做一完整分析，并利用可編程控制器（PLC）為控制核心，視窗化圖控采用Delta 圖控軟件Delta Screen Editor，在電腦上直接對(duì)電梯做監(jiān)控引導(dǎo)，再經(jīng)由電腦與可編程控制器的通訊連線實(shí)現(xiàn)完成。本系統(tǒng)是一種機(jī)電整合的教材，是電機(jī)、電腦與控制工程的融合，所得成果可在機(jī)電整合或科學(xué)教育中使用。

2 模糊控制的理論應(yīng)用與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 模糊控制的理論應(yīng)用

模糊控制主要是在直覺(jué)和人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立所需的知識(shí)庫(kù)，并可看成一組決策法則，根據(jù)輸入值滿足系統(tǒng)條件（歸屬函數(shù)）的程度，給予一個(gè)特定值，稱作grade（歸屬度），其范圍為0～1。若完全屬于系統(tǒng)條件時(shí)，其值為1；完全不屬于系統(tǒng)條件時(shí)，其值為0，是傳統(tǒng)的集合；其他屬于系統(tǒng)條件中間的，依其所屬程度給予0 和1 之間的任意值，這是屬于模糊集合。模糊邏輯（fuzzy logic）設(shè)計(jì)方法主要可以分為四個(gè)部分：即模糊化界面（Fuzzification Interface）、知識(shí)庫(kù)（Knowledge）、模糊推論機(jī)構(gòu)（Fuzzy Inference）與解模糊化界面（Defuzzification Interface）。其中，知識(shí)庫(kù)又可分為資料庫(kù)（Data Base）及規(guī)則庫(kù)（Rule Base）。模糊控制是以語(yǔ)言化控制規(guī)則為主體，為了將輸入的明確值與語(yǔ)言化的控制規(guī)則結(jié)合，必須將輸入值做模糊化處理以便對(duì)應(yīng)到資料庫(kù)里語(yǔ)言變量的論域中，再配合規(guī)則庫(kù)及推論機(jī)構(gòu)推導(dǎo)出結(jié)果。因結(jié)果仍然是模糊值，所以必須再做解模糊化工作，其輸出才是明確值。文章中借助每個(gè)樓層的傳感器作為取樣輸入，再通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模組作為輸出控制。該電梯控制系統(tǒng)的每個(gè)模糊集合均有語(yǔ)性值代表其模糊含意。利用編輯軟件Delta WPLSot程序化于可編程控制器系統(tǒng)的內(nèi)部，以達(dá)成系統(tǒng)的閉回路控制。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)是由可編程控制器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、傳感器等所組成。系統(tǒng)在可編程控制器內(nèi)部所完成實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，可先定義誤差量（E）與誤差偏差量（ΔE）兩軸，誤差量是由軟件設(shè)定的參考距離與回授距離的差值。誤差偏差量的計(jì)算是目前誤差En減去前一次的誤差量En-1，當(dāng)程序連續(xù)執(zhí)行下，循環(huán)一次的時(shí)間步距Δt很短時(shí)，可視為一個(gè)誤差偏差量ΔE，或稱之為誤差微分量ΔE/Δt。

（1）可編程控制器。系統(tǒng)所使用的控制器是利用三菱公司的產(chǎn)品。該系列PLC在電腦通訊的模式中，其交信資料的類型分別為讀取PLC元件及交信資料的交信型式和寫入PLC元件及交信資料的交信型式。（1）步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)所使用的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器可完成實(shí)現(xiàn)輸出距離，提供搭乘者更短的搭乘時(shí)間及更精準(zhǔn)的樓層距離定位。步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不論是PM式、VR式或復(fù)合式步進(jìn)電機(jī)，其定子均設(shè)計(jì)為齒輪狀，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是以脈波信號(hào)依照順序使定子激磁，以數(shù)字電壓輸入來(lái)控制其轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。就電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理而言，將其脈波激磁信號(hào)依序傳送至A相、A+相、B相、B+相則轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)（正轉(zhuǎn)），相反的若將順序顛倒則轉(zhuǎn)子向左移動(dòng)（反轉(zhuǎn)）。（1）傳感器。系統(tǒng)所使用的傳感器可完成實(shí)現(xiàn)取樣輸入信號(hào)，提供給可編程控制器的輸入端，進(jìn)入控制器內(nèi)部做運(yùn)算處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)研究中，各個(gè)實(shí)際樓層相互距離各為14.4cm，加入Fuzzy 控制時(shí)，可測(cè)得的距離分別為14.3cm、14.2cm、14.3cm，未加入Fuzzy 控制時(shí)，可測(cè)得的距離分別為13.8cm、14.0cm、13.9cm，可知經(jīng)由模糊理論控制可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的樓層距離定位。就樓層搭乘時(shí)間而言，加入Fuzzy控制時(shí)，可測(cè)得的搭乘時(shí)間分別為18.6sec、18.7sec、18.6sec，未加入Fuzzy控制時(shí)，可測(cè)得的搭乘時(shí)間分別為19.1sec、19.2sec、19.1sec，可知經(jīng)由模糊理論控制可實(shí)現(xiàn)縮短的搭乘時(shí)間。進(jìn)而，操作者可通過(guò)Delta圖控軟件進(jìn)行視窗化控制。視窗中的按鍵，可對(duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊邏輯控制設(shè)定、樓層控制、樓層距離顯示、搭乘時(shí)間顯示等進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)模糊理論（Fuzzy Logic），提供搭乘者更短的搭乘時(shí)間及樓層距離定位更精準(zhǔn)。系統(tǒng)在硬件部分，自行設(shè)計(jì)及組裝小型電梯的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，軟件部分則通過(guò)圖控方式制作人機(jī)界面應(yīng)用程序建構(gòu)出視窗化電梯控制系統(tǒng)，最后由實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所發(fā)展的軟硬件的可行性。并且比較了有模糊理論及無(wú)模糊理論的應(yīng)用，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，得知前者展現(xiàn)了較好的效能。所研制的經(jīng)驗(yàn)可作為機(jī)電整合的教學(xué)教材，達(dá)成理論與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

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