蔣　杉，吳劍威，申　遠(yuǎn)

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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曳引式電梯模糊PID控制系統(tǒng)調(diào)速特性仿真

蔣杉，吳劍威，申遠(yuǎn)

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

[摘要]電梯的速度控制具有非線性和大滯后等特點(diǎn)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。本文為此設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制算法，并利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，模糊PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器相比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，無(wú)超調(diào)現(xiàn)象，具有較好的魯棒性，可以使曳引式電梯實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程的平穩(wěn)控制。

[關(guān)鍵詞]模糊控制;電梯;調(diào)速系統(tǒng);計(jì)算機(jī)仿真

電梯系統(tǒng)是復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，其控制系統(tǒng)可分為選層控制系統(tǒng)與調(diào)速控制系統(tǒng)兩大方面[1]。其中調(diào)速控制是指對(duì)電梯從啟動(dòng)到平層停車整個(gè)過(guò)程中速度的變化規(guī)律進(jìn)行控制，從而減輕人在乘坐電梯時(shí)由于啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中加、減速度產(chǎn)生的上浮、下沉等不舒適感。電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適性在很大程度上取決于電梯的速度控制方式的選擇[2]。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，經(jīng)典PID速度控制方式下，電梯在啟動(dòng)和制動(dòng)階段速度很難符合理想運(yùn)行曲線要求，均有明顯的速度劇變現(xiàn)象[3]。目前我國(guó)安裝使用的電梯中，大部分為曳引電梯，其轎廂由鋼絲繩通過(guò)滑輪連接進(jìn)行牽引，劇變的速度會(huì)造成鋼絲繩打滑，轎廂?？坎坏轿坏默F(xiàn)象，將嚴(yán)重影響電梯的安全性。為此，本文將模糊控制策略應(yīng)用于曳引式電梯的速度控制之中，并對(duì)其調(diào)速系統(tǒng)的特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，基于模糊PID控制的電梯調(diào)速系統(tǒng)在電梯轎廂“啟動(dòng)-運(yùn)行-制動(dòng)”過(guò)程中速度調(diào)節(jié)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能良好，相對(duì)于PID控制的電梯調(diào)速系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1曳引式電梯調(diào)速控制原理

1.1電梯理想運(yùn)行曲線

電梯理想運(yùn)行曲線有梯形速度曲線、S形速度曲線、正弦速度曲線等[4]。其中S形速度曲線和正弦速度曲線對(duì)控制器數(shù)據(jù)處理能力要求較高，且本身波形難以實(shí)現(xiàn)。因此，在電梯調(diào)速控制中較多的使用了梯形速度曲線。本文所設(shè)計(jì)的模糊控制器即是采用梯形速度曲線作為理想運(yùn)行曲線的。圖1所示的梯形速度曲線可分為“啟動(dòng)-運(yùn)行-制動(dòng)”三段，其中AB段為電梯啟動(dòng)階段，BC段為電梯運(yùn)行階段，CD段為電梯制動(dòng)階段。由于加速度的改變會(huì)讓乘坐人員感受到失重和超重等不適感，所以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電梯速度的調(diào)節(jié)既要考慮電梯的運(yùn)行效率，又要兼顧乘坐的舒適度。理想運(yùn)行曲線正是研究人員根據(jù)電梯運(yùn)行效率要求和人體生理特點(diǎn)所設(shè)計(jì)出的能保證加速度和加速度變化率最佳取值的運(yùn)行曲線。實(shí)際調(diào)速過(guò)程中，電梯運(yùn)行往往在“啟動(dòng)-運(yùn)行-制動(dòng)”三階段的連接時(shí)刻難以控制在理想速度上，而傳統(tǒng)的PID控制方法由于超調(diào)量較大，也難以取得較好效果[5]。模糊控制算法不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)大慣性、大滯后系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和良好的魯棒性[6]。因此，將模糊控制策略應(yīng)用在電梯調(diào)速控制系統(tǒng)中較為合適。

圖1　梯形理想速度曲線

1.2曳引式電梯調(diào)速控制系統(tǒng)

本文所針對(duì)的電梯調(diào)速系統(tǒng)由控制器、變頻器、曳引機(jī)和光電編碼器組成。該系統(tǒng)中控制器輸出信號(hào)被傳送至變頻器，并由變頻器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)曳引機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制電梯轎廂的上下運(yùn)行速度。光電編碼器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)曳引機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并將數(shù)值傳回控制器，與設(shè)定轉(zhuǎn)速相比較，形成閉環(huán)控制。將模糊控制策略應(yīng)用與曳引電梯調(diào)速控制系統(tǒng)中，其原理如圖2所示。本系統(tǒng)以曳引機(jī)轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象，以設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差e作為輸入量，偏差ec作為輸入量，輸出變量為Δkp、Δki、Δkd，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)模糊推理實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整。

圖2　模糊PID控制原理圖

2模糊控制器的設(shè)計(jì)

本文中所有輸入量和輸出量的語(yǔ)言描述為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。定義各輸入輸出量的模糊子集為：

{e}={ec}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

{Δkp}={Δki}={Δkd}

={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

輸入變量和輸出變量的模糊論域區(qū)間均為[-6,6]，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}，且所有變量均采用三角形隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3　模糊控制器隸屬函數(shù)

根據(jù)PID控制器參數(shù)整定原理和專家經(jīng)驗(yàn)，得出Δkp、Δki、Δkd模糊控制規(guī)則表，如表1、表2、表3所示。解模糊化規(guī)則采用重心法。

表1　Δkp模糊規(guī)則調(diào)整表

表2　Δki模糊規(guī)則調(diào)整表

表3　Δkd模糊規(guī)則調(diào)整表

3建模與仿真

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定曳引式電梯可用一階滯后環(huán)節(jié)描述。用MATLAB中的simulink工具箱建模，并對(duì)PID控制算法和模糊PID控制算法進(jìn)行仿真對(duì)比。階躍信號(hào)設(shè)定值為1m/s，仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

由仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)PID控制算法超調(diào)量達(dá)到了18%，模糊PID控制器能使調(diào)速控制系統(tǒng)平滑、快速的達(dá)到速度設(shè)定值，無(wú)超調(diào)現(xiàn)象，并且速度到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間與傳統(tǒng)PID控制器幾乎一致。

4結(jié)論

本文將模糊PID控制算法應(yīng)用于曳引式電梯的調(diào)速控制系統(tǒng)。應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了PID控制算法和模糊PID控制算法的仿真比較。通過(guò)仿真分析可知，模糊PID控制器可以使曳引式電梯實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程的平穩(wěn)控制，對(duì)參數(shù)變化具有很好的適應(yīng)性能，有助于提高系統(tǒng)魯棒性。

圖4　仿真模型

[參考文獻(xiàn)]

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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

[中圖分類號(hào)]TP391.9

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-2273(2015)06-0024-03

作者簡(jiǎn)介][第一 蔣杉(1985-)，男,碩士，合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院教師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。

[基金項(xiàng)目]合肥師范學(xué)院產(chǎn)學(xué)研基金項(xiàng)目(2014CXY31)資助

[收稿日期]2015-05-12