CN114057048A - 决定电梯速度控制系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种决定电梯速度控制系数的方法，可根据电梯系统的闭回路控制模型的频率响应增益与相位震荡情况以及工程人员所设定的边界条件，反推求解得出PI控制器中控制系数的较佳值。
Description
技术领域
本发明涉及一种决定或调整电梯速度控制系数的方法。特别是涉及一种决定或调整电梯速度控制系数的方法。
背景技术
在电梯控制的技术领域中，一般可借助于比例积分(PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器对马达进行控制，借此控制电梯车厢运行的速度。相关技术文件可参考例如US4684856、US5880416、CN109477479A、CN103079978A等。
典型的PI或PID控制器的运作原理在于借助于一闭回路控制系统将系统输出信号进行回授，借此与控制命令信号进行比较，产生误差信号以修正系统输入信号，而达到控制命令目标需求。此方法可有效提高系统准确度并降低外部噪声干扰，具有误差自动修补效果。
需说明的是，如果PI或PID控制器中的控制系数设定不当，会影响控制系统的稳定度。当应用在电梯控制的领域时，更直接影响乘客搭乘的舒适度与安全性。
一般来说，PI或PID控制器中的控制系数的决定方式有例如「猜测与检查」(guessand check)方法与Ziegler Nichols方法。前者需要工程人员长时间的摸索，而后者与前者类似，虽可根据通用的经验法则有限地缩短摸索的时间，但由于Ziegler Nichols方法所使用的通用经验法则并非基于电梯控制的环境与目的而来，因此其应用的结果并非必然可以符合上述电梯乘客搭乘的舒适度与安全性的需求。
发明内容
承前所述，由于Ziegler Nichols方法并不适合用于电梯控制，因此传统上决定或调整电梯速度控制系数的作法大多必须在电梯研究塔进行测试，仿真不同负载下运行的情况，工程测试人员必须搬运各种配重块于车厢内，准备各式各样仪器侦测电梯运行的回馈信号，然后测试人员根据经验与回馈信号利用「猜测与检查」(guess and check)(或称试误法(TRIAL AND ERROR))来调整或决定速度控制系数，这种方式所耗费的人力与时间非常的多，更何况只要电梯系统有任何的改动(例如电机系统与负载重量有所改变)，即需重新在电梯研究塔进行测试。
鉴于此，本案提出一种决定或调整电梯速度控制系数的方法。简要来说，首先根据电梯装置所要使用于速度控制的比例积分(PI)控制器来建立一闭回路控制模型，并带入该电梯装置的机械系统与电器驱动系统的相关物理量，例如电梯不平衡量、转向轮(Pully)重、钢索重、电机重、吊挂比与电机控制器电流与转矩比例等。最后即可根据闭回路控制模型的频率响应增益与相位震荡情况以及工程人员所设定的边界条件，即可反推求解得出PI控制器中控制系数的较佳值或最佳值。
根据本发明的一实施例，一种决定电梯速度控制系数的方法，其中一电梯装置具有用于电梯速度控制的一比例积分(PI)控制器，该方法包含：
·建立一闭回路控制模型，该闭回路控制模型包含该PI控制器与一受控体，该PI控制器串联该受控体，其中该PI控制器输出一马达转矩量至该受控体，而该受控体输出一马达转速量，该马达转速量与一初始转速量的差值则回馈作为该PI控制器的输入；
·获得该PI控制器的转移函数，其中，该PI控制器的转移函数具有一比例增益系数(Kp)与一积分增益系数(Ki)；
·根据该电梯装置中的一机械系统的转移函数与一电气驱动系统的转移函数，获得该受控体的转移函数；
·获得由该PI控制器的转移函数与该受控体的转移函数所构成的该闭回路控制模型的转移函数；
·产生该闭回路控制模型的转移函数的一频率响应波德图，该频率响应波德图包含一增益波德图与一相位波德图；
·根据该增益波德图，设定一频率区间的上下边限，其中，该增益波德图中的0分贝所对应的频率值位于该频率区间之中；
·根据该相位波德图，设定一相位区间的上下边限，其中，该增益波德图中的0分贝所对应的频率值在该相位波德图中所对应的相位值位于该相位区间之中；以及
·根据该频率区间的上下边限与该相位区间的上下边限，决定该比例增益系数与该积分增益系数的值。
在一实施例中，上述方法可借助于计算机软件进行，例如
或是
根据工程人员的输入操作，而进行建模与数值运算。
本发明的其他实施例，部分将在后续说明中陈述，而部分可由说明中轻易得知，或可由本发明的实施而得知。本发明的各方面将可利用后附之申请专利范围中所特别指出的组件及组合而理解并达成。需了解，前述的一般说明及下列详细说明均仅作举例之用，并非用以限制本发明。
附图说明
从本发明各实施例的详细描述，且结合所附的附图，将能更完全地理解及体会本发明，在附图中：
图1示出了现有技术中的电梯控制所用的电流回路与速度回路；
图2示出了根据本发明实施例的方法流程图；
图3示出了根据本发明实施例的闭回路控制模型；
图4示出了根据本发明实施例的全系统的转移函数的频率响应波德图。
具体实施方式
<电梯控制基本介绍>：电梯装置通常具有控制模块来控制电梯装置的运转，特别是电梯厢的上升、下降或静止，借此将乘客运送到目的楼层。
控制模块主要含有电梯过程控制器与致动器(一般称变频器)。变频器具有电源转换器、微处理器、马达驱动电路及马达电流取样电路，编码器速度侦测电路等。电源转换器用于转换外部交流电源为直流电源。变频器微处理器主要利用编码器速度侦测模块、马达电流取样电路计算取得电梯转速及电流与电梯过程控制器所产生S曲线速度指令(S-Curvevelocity profile)，计算并输出马达驱动所需电压命令，驱动电梯上下运行。
一般来说，变频器在电梯运行控制策略上分为电流回路与速度回路，如图1所示。电流回路中电流控制器C1根据马达电流取样对受控体G1进行控制。速度回路中速度控制器C2则根据编码器速度侦测对受控体G2进行控制。
以上关于电梯控制的基本介绍，应为本领域技术人员所公知，在此不予赘述，或可参考上述相关技术可参考例如US4684856、US5880416、CN109477479A、CN103079978A的说明。
图2示出了依照本公开的实施例的电梯速度控制的频率响应系数的调整方法的流程图。
在步骤200，建立一闭回路控制模型，该闭回路控制模型包含PI控制器C与一受控体G，如图3所示。PI控制器C串联受控体G，其中PI控制器C输出一马达转矩量至受控体G，而受控体G输出一马达转速量，该马达转速量与一初始转速量的差值则回馈作为PI控制器C的输入。在另外的实施例中，控制器C也可以实施为一PID控制器。
在步骤202，获得PI控制器C的转移函数Kp+Ki/s，其中Kp为比例增益系数，而Ki为积分增益系数，如图3所示。此部分为控制领域的公知，在此不予赘述。而如前所述，在无其他数据可参考的情况下，比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki的设定或调整还需要借助于后续步骤求得其最佳值或较佳值，以确保控制系统的稳定。
在步骤204，获得受控体G的转移函数。在一实施例中，受控体G的转移函数是根据电梯装置中一机械系统的转移函数J与一电气驱动系统的转移函数Kv所结合而成。举例来说，受控体G的转移函数可被设定为Kv/J，但本发明并不旨在局限于此特定实施例。
机械系统的转移函数J可以根据电梯装置中机械系统惯量的相关物理量来设计。举例来说，转移函数J可以是根据电梯装置的人乘基载重、车厢重、平衡配重、钢缆重、平衡链条重、转向轮重、主机重以及吊挂比等机械系数中的任意组合而加以设定，但本发明并不旨在局限于任何特定组合。
在一实施例中，转移函数J可以设定为一常数，即上述机械系数中任意组合相加的总和。举例来说，转移函数J可以设定为人乘基载重(例如1150公斤)、车厢重(例如1400公斤)、平衡配重(例如2000公斤)、钢缆重(例如300公斤)、平衡链条重(例如250公斤)、转向轮重(例如30公斤)、主机重(例如100公斤)共七项系数相加的总和。但应知本发明并不旨在局限转移函数J为任何机械系数彼此间的数学运算。
电气驱动系统的转移函数Kv可以根据电梯装置中电气驱动系统的相关物理量来设计。举例来说，转移函数Kv可以是根据变频器功率板额定电流、主机转矩电流比、主机转速系数、速度取样时间的任意组合而加以设定，但本发明并不欲局限于任何特定组合。
在一实施例中，转移函数Kv可以设定为上述电气驱动系数中任意组合相乘的乘积。举例来说，转移函数Kv可以设定为变频器功率板额定电流(例如100安培)、主机转矩电流比(例如25牛顿/安培)、主机转速系数(例如30000Hz或是300Hz)、速度取样时间(例如1毫秒)共四项系数相乘的乘积。应知但本发明并不旨在局限转移函数Kv为任何电气驱动系数彼此间的数学运算。
接着，在步骤206，则获得由该PI控制器C的转移函数Kp+Ki/s与受控体G的转移函数Kv/J所组合而成的该闭回路控制模型(又称全系统)的转移函数，并产生全系统的转移函数的一频率响应波德图。该频率响应波德图包含一增益波德图与一相位波德图，如图4所示。增益波德图的纵轴为分贝(db)，横轴为频率，单位为径(rad)/秒(sec)。相位波德图的纵轴为角度(degree)，横轴为同样为频率，单位为径(rad)/秒(sec)。此步骤若是以计算机软件进行例如
或是
进行，可采用
或是
内建绘制波德图的指令。
以下为以
为例，说明与上述步骤有关的指令范例，其中转移函数Kv与J为常数，其数值在此仅作为示例使用。
随后，在步骤208，根据图4中的增益波德图，设定一频率区间的下边限A与上边限B，其中该增益波德图中的0分贝所对应的频率值位于该频率区间之中，也就是增益曲线与0分贝的交越点在频率A与频率B之间。频率A与B值的选择与设计电梯走行动态响应快慢有关，可由工程人员根据经验或是预定规则加以设定。在一实施例中，下边限A设定为50rad/秒，上边限B则设定为100rad/秒，即定义出间隔为50rad/秒的频率区间。在另一实施例中，下边限A设定为45rad/秒，上边限B则设定为105rad/秒，即定义出间隔为60rad/秒的频率区间。在又一实施例中，下边限A设定为55rad/秒，上边限B则设定为95rad/秒，即定义出间隔为40rad/秒的频率区间。
在步骤210，根据图4中的相位波德图，设定一相位区间之下边限C与上边限D，其中该增益波德图中的0分贝所对应的频率值在该相位波德图中所对应的相位值位于该相位区间之中。相位边限C与D值的选择与设计电梯速度回路稳定度有关，可由工程人员根据经验或是预定规则加以设定。在一实施例中，下边限C设定为-135度，上边限D则设定为-115度，即定义出间隔为20度的相位区间。在另一实施例中，下边限C设定为-135度，上边限D则设定为-90度，即定义出间隔为45度的相位区间。在又一实施例中，下边限C设定为-135度，上边限D则设定为-100度，即定义出间隔为35度的相位区间。
最后在步骤212，进一步从增益波德图中频率区间的下边限A与上边限B之间挑选出一频率值F。频率值F的挑选可由工程人员根据经验或是根据预定规则。在一实施例中，频率值F可以下边限A与上边限B的中间值，即(A+B)/2。在另一实施例中，频率值F可以是(2A+B)/3。在一实施例中，频率值F可以是(A+3B)/4。
同样在步骤212，另外也从相位波德图相位区间的下边限C与上边限D之间挑选出一相位值P。相位值P的挑选可由工程人员根据经验或是根据预定规则。在一实施例中，相位值P可以下边限A与上边限B的中间值，即(C+D)/2。在另一实施例中，相位值P可以是(C+2D)/3。在一实施例中，相位值P可以是(3C+D)/4。
频率值F与相位值P一旦选定，即可作为相关的边界二个条件，而进一步从全系统的转移函数反推求得比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki。具体来说，也就是将挑选出的频率值F与相位值P作为已知数，并将系统增益也作为已知数并设定为0，带入方程式20log|全系统的转移函数|＝0(也就是系统增益以0dB带入)，即可反推求得比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki。
而随着所挑选的频率值F与相位值P的不同，所求得比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki也会有所差异，工程人员可进一步根据其他因素或简单的模拟实验来对比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki做最后的选定或些微调整。随后即可将选定的值传输到电梯装置中变频器速度回路中的速度控制器(即例如图1所示的速度控制器C2)，以进行比例增益系数Kp为与积分增益系数Ki的设定或调整。
相较于传统大幅依赖电梯研究塔进行实际测试的做法，本案提出的做法可节省相当多的人力与时间。纵使可能无法完全免除测试人员最后仍须利用试误法(TRIAL ANDERROR)来细部地调整速度控制系数到最佳值，本案的作法仍然有效率的多，而节省工程人员从头摸索的时间。
此外，本案做法乃将电梯装置中机械系统的转移函数与电气驱动系统的转移函数加入至控制模型之中，因此相较于并非用于电梯控制的环境与目的的Ziegler Nichols方法，本案作法所得出的控制系数可较符合电梯控制的需求。
本发明虽以各种实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可做些许的改动与修改。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
【符号说明】
C PI控制器
C1 电流控制器
C2 速度控制器
G 受控体
G1 受控体
G2 受控体
200 步骤
202 步骤
204 步骤
206 步骤
208 步骤
210 步骤
212 步骤
Claims (9)
1.一种决定电梯速度控制系数的方法，其中，一电梯装置具有用于电梯速度控制的一比例积分控制器，所述方法包含：
步骤a：建立一闭回路控制模型，所述闭回路控制模型包含所述比例积分控制器与一受控体，所述比例积分控制器串联所述受控体，其中，所述比例积分控制器输出一马达转矩量至所述受控体，而所述受控体输出一马达转速量，所述马达转速量与一初始转速量的差值则回馈作为所述比例积分控制器的输入；
步骤b：获得所述比例积分控制器的转移函数，其中，所述比例积分控制器的转移函数具有一比例增益系数(Kp)与一积分增益系数(Ki)；
步骤c：根据所述电梯装置中的一机械系统的转移函数与一电气驱动系统的转移函数，获得所述受控体的转移函数；
步骤d：获得由所述比例积分控制器的转移函数与所述受控体的转移函数所组合而成的所述闭回路控制模型的转移函数，并产生所述闭回路控制模型的转移函数的一频率响应波德图，所述频率响应波德图包含一增益波德图与一相位波德图；
步骤e：根据所述增益波德图，设定一频率区间的上下边限，其中，所述增益波德图中的0分贝所对应的频率值位于所述频率区间之中；
步骤f：根据所述相位波德图，设定一相位区间的上下边限，其中，所述增益波德图中的0分贝所对应的频率值在所述相位波德图中所对应的相位值位于所述相位区间之中；以及
步骤g：根据所述频率区间的上下边限与所述相位区间的上下边限，决定所述比例增益系数与所述积分增益系数的值。
2.根据权利要求1所述的方法，还包含以所决定的所述比例增益系数与所述积分增益系数的值来设定所述比例积分控制器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述受控体的转移函数包含所述电梯装置的一机械系统的转移函数与一电气驱动系统的转移函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述机械系统的转移函数根据所述电梯装置的人乘基载重、车厢重、平衡配重、钢缆重、平衡链条重、转向轮重、主机重和吊挂比的机械系数中的任意组合而加以设定。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电气驱动系统的转移函数根据所述电梯装置的变频器功率板额定电流、主机转矩电流比、主机转速系数、速度取样时间的任意组合而加以设定。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤g还包含：从所述频率区间的上下边限之间选择一频率值，并从所述相位区间的上下边限之间选择一相位值，以根据所述频率值与所述相位值决定所述比例增益系数与所述积分增益系数的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述频率值为所述频率区间的上下边限的中间值，所述相位值为所述相位区间的上下边限的中间值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率区间的上下边限定义出间隔为50rad/秒的频率区间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相位区间的上下边限定义出间隔为45度的相位区间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: TaiWan, China Applicant after: Hitachi Yongda Elevator Co.,Ltd. Address before: TaiWan, China Applicant before: YUNG TAY ENGINEERING CO.,LTD. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |