CN1142084C - 计算流量反馈控制的电梯液压系统 - Google Patents

Abstract

一种计算流量反馈控制的电梯液压系统，它包括主压力油路，上行的控制油路，下行的控制油路，电气控制等系统。是在普通阀控电梯控制阀的基础上，采用压力补偿的数字流量测量方法，在液压泵的出口和液压缸的入口处即负载端安装压力传感器，在上行回路中测量液压泵出口压力，而在下行回路中测量液压缸的入口处即负载端的压力，反馈回控制系统后，通过计算分别获得上/下行回路的计算流量，与设定的理想流量比较后，再换算出控制阀口的开度大小，最后由控制系统根据此开度大小输出先导阀电磁铁的控制电流，实现液压系统的流量检测反馈控制。与传统的安装流量计的系统相比，它简化了机械结构，可以节能10%左右；流量的稳态控制精度较高，动态控制特性也好。

Description

计算流量反馈控制的电梯液压系统

                          技术领域

本发明涉及一般升降机的控制系统，尤其涉及计算流量反馈控制的电梯液压系统。

                          背景技术

阀控液压电梯是现今应用比较广泛的液压电梯形式，它主要是应用液压技术中的节流调速技术来控制液压电梯的运行速度。从目前液压电梯液压控制系统发展的情况来看，一种采用流量-位移-电反馈形式的电液比例控制系统是当前速度控制特性较好的阀控应用系统。流量-位移-电反馈系统属于流量反馈的小闭环控制，一般在管路中安装流量计来检测流量进行反馈控制，上、下行流量分别由两个比例节流阀进行控制。

在美国专利US5115684中公开了一种管路流量计技术。这项技术被运用于电梯控制中，提高了流量反馈的准确度，从而提高了阀控系统的控制性能。将这种流量计与控制阀集成在一起构成的液压电梯流量电反馈控制系统，优点主要有：流量控制性能好，能实现流量对理想流量曲线的较好跟踪，因而其速度控制性能较机械开关阀控制系统有较大的提高。但其缺点也很明显：流量传感器的工作原理是根据流体流过节流口时的压差及节流口的面积来测定流量的，因此在油温变化时，传感器的节流口的流量特性亦会受到粘度变化的影响，特别是在流量较小时，流量系统受雷诺数的影响特别大，从而造成流量测量不准，同时，节流式流量计本身也会带来系统的温升和能耗；这一系统的流量反馈是通过霍尔元件来实现机-电转换的，因此流量反馈元件的温飘也影响了电梯运行时的控制精度，特别是电梯低速度运行时的性能；这样造成的结果很明显就是流量控制性能的下降。且控制器的控制性能有限，对电梯运行过程中工况变化的适应性，也即系统鲁棒性比较差，不能实现优化控制。

针对阀控液压电梯的这种缺点，液压电梯的控制技术又有了发展。比较普遍的是采用变频器来控制电梯，这样的系统可以在开环的情况下获得较好的控制性能，从而避开了流量反馈环节。由美国专利US4593792公开了变频调速液压电梯的整体结构设想开始，众多的厂家和研究结构在这方面做了大量的工作。另外，上面提到的流量计技术专利的拥有者在1998年申报的美国专利US6142259中，公开了一种半阀控，半变频形式的液压电梯。这些液压电梯在节能方面都较传统的流量-位移-电反馈的阀控系统有了很大进步，但是变频器的加入使得系统的成本也大幅度的升高了。

                          发明内容

本发明的目的是研制一种计算流量反馈控制的电梯液压系统，去掉普通的流量-位移-电反馈的阀控液压电梯采用的植入液压管路内部的节流式流量计，采用压力测量技术，按照系统比例阀中特定的压力一流量换算关系计算得到管路中的液压油流量并进行反馈控制，完成对电梯速度的调节控制。

本发明的技术方案如下：

1)主压力油路系统：

三相异步电机驱动液压螺杆泵，液压螺杆泵的一端经过滤油器接油箱，另一端接常开的上升节流主阀的环形容腔，上升节流主阀的环形容腔其一路经过阀口接油箱，另一路分别通过单向阀接常闭的下降节流主阀的环形容腔，和通过第一精细滤油器接控制油路；常闭的下降节流主阀的环形容腔的一路通过限速切断阀的一端与柱塞油缸相连，进而通过滑轮组机构驱动电梯轿厢的运动；常闭的下降节流主阀的环形容腔的另一路通过手动下降阀接入油箱；

2)上行的控制油路系统：

由上升节流主阀的环形容腔出口端引出，经过第一精细滤油器后，一路接安全阀的背腔，另一路接第一固定液阻，第一固定液阻的另一端与第二固定液阻、安全阀的环形油腔以及上升先导阀的控制油腔相连，第二固定液阻的另一端接上升节流主阀的背腔，上升先导阀的回油腔经安全阀的回油腔接入油箱，第一压力表和第一压力传感器接在上升节流主阀的环形容腔；

3)下行的控制油路系统：

由下降节流主阀的环形容腔接出，经第一精细滤油器，与第三固定液阻相连，第三固定液阻的另一端则与第四固定液阻以及下降先导阀的控制油腔相连，第四固定液阻另一端接入下降节流主阀的背腔，下降先导阀的回油腔直接接油箱，第二压力表和第二压力传感器接在下降节流主阀的环形容腔；

4)电气控制系统：

PLC电气控制柜中的指令信号、第一压力传感器检测的液压泵出口压力信号、第二压力传感器检测的负载压力信号，以及液压油温度信号同时接入微机控制器，微机控制器输出控制上升比例电磁铁和下降比例电磁铁的信号。

计算流量反馈控制的液压电梯是在使用普通阀控电梯控制阀的基础上，采用压力补偿方法的数字流量测量方法在液压电梯中的应用原理，就是在液压泵的出口和液压缸的入口处即负载端安装压力传感器，在上行回路中测量液压泵出口压力，而在下行回路中测量液压缸的入口处即负载端的压力，反馈回控制系统后，通过一定的算法分别获得上/下行回路的计算流量，与设定的理想流量比较后，再换算出控制阀口的开度大小，最后由控制系统根据此开度大小输出先导阀电磁铁的控制电流，从而实现液压系统的流量检测反馈控制。

本发明的优点是：1)在结构上，由于控制对象(液压电梯系统)本身的特点，本发明无需检测阀芯位移，仅仅通过间接测量压力参数就可获得计算流量参数所需的全部信息，使得机械结构大大简化，从而降低了成本；2)在能耗方面，可比传统方法节能5～10％：假设节流式传感器压差为2～3bar，则占电梯最大压力范围20～60Bar的5～10％，而这部分损耗在计算流量反馈控制中并不存在；3)在系统温升方面，因为没有了节流型流量检测元件在阀口处的节流发热，故而油液温升比传统方法要低，有利于改善系统的控制性能；4)在控制精度上也超出传统的使用流量计反馈流量的控制系统。另外，本系统的鲁棒性强，闭环调节响应速度快；无需采用压力范围受限制，成本高的压差传感器，只需普通压力传感器即可；也无需在井道内安装任何辅助装置。

                          附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的微机控制器控制过程示意图。

                         具体实施方式

如图1所示，计算流量反馈控制的电梯液压系统包括：

1)主压力油路系统：

三相异步电机19驱动液压螺杆泵20，液压螺杆泵20一路经过滤油器21接入油箱，另一路常开的上升节流主阀5，上升节流主阀5一路经过阀口接油箱29，另一路分别通过单向阀22接常闭的下降节流主阀6的环形容腔，和接第一精细滤油器17；常闭的下降节流主阀6的环形容腔的一路通过限速切断阀9的一端与柱塞油缸7相连，进而通过滑轮组机构驱动电梯轿厢10的运动；常闭的下降节流主阀6的环形容腔的另一路通过手动下降阀8接入油箱29；

2)上行的控制油路系统：

由上升节流主阀5的环形容腔出口端引出，经过第一精细滤油器17后，一路接安全阀11的背腔，另一路接第一固定液阻13，第一固定液阻13的另一端与第二固定液阻14、安全阀11的环形油腔以及上升先导阀1的控制油腔相连，第二固定液阻14的另一端接上升节流主阀5的背腔，上升先导阀1的回油腔经安全阀11的回油腔接入油箱29，第一压力表27和第二压力传感器25接在上升节流主阀5的环形容腔；

3)下行的控制油路系统：

由下降节流主阀6的环形容腔接出，经第二精细滤油器18，与第三固定液阻15相连，第三固定液阻15的另一端则与第四固定液阻16以及下降先导阀2的控制油腔相连，第四固定液阻16的另一端接入下降节流主阀6的背腔，下降先导阀2的回油腔直接接油箱29，第二压力表28和第二压力传感器26接在下降节流主阀6的环形容腔；

4)电气控制系统：

PLC电气控制柜24中的指令信号、第一压力传感器25检测的液压泵出口压力信号、第二压力传感器26检测的负载压力信号，以及液压油温度信号同时接入微机控制器12，微机控制器12输出控制上升比例电磁铁3和下降比例电磁铁4的信号。

电梯上行的运行过程如下：

启动：电梯控制柜中的PLC可编程逻辑控制器24接到层站或轿内的上升召唤信号后，给出电动机接触器动作控制信号，于是电动机19启动，带动液压螺杆泵20运转，向管道内输出液压油，此时液压油全部通过常开的上升节流主阀5流回油箱。与此同时第一、第二压力传感器25、26不断检测压力信号反馈给微机控制器12。此时单向阀22尚未打开，第二压力传感器26检测到的负载端压力Pd不参与控制。微机控制器12根据第一压力传感器25检测得到的泵出口压力Pu，再结合PLC可编程逻辑控制器24传来的五路PLC控制信号，通过微机控制器得到此时的控制信号，经功放输出，就是相应的上升比例电磁铁3的控制信号。上升先导阀1在此信号控制下动作，进而控制上升节流主阀5，使其阀口开度逐渐缩小。此时第一压力传感器25检测到的泵出口压力Pu开始迅速增高，而由于单向阀22仍未打开，第二压力传感器26检测到的负载端的压力Pd并无太大变化。当管道内的油压也即泵出口压力Pu达到与负载端压力Pd相等时，就顶开单向阀22，使油液进入油缸，推动柱塞，带动轿厢10以相应的速度向上运动，启动过程结束。

运行：运行过程中，第一、二压力传感器25、26分别检测泵出口压力Pu与负载端压力Pd，其中泵出口压力Pu参与上行控制，负载端压力Pd只做参考值。控制系统根据一定的算法由压力计算出对应的阀口流量，一旦流量超过程序中设定的比较值，就开始加载理想曲线。之后，不断地将当时的计算流量与理想流量进行比较，根据二者的差值由微机控制器12调整输出的控制信号，最终控制上升节流主阀阀口的开度，使电梯的实际运行曲线能及时跟踪理想曲线，也即电梯按照设定的理想曲线运行。

停止：当电梯即将到站时，电梯控制柜里的PLC可编程逻辑控制器24检测到从电梯井道传过来的停靠信号，并将相应的五路PLC信号传给微机控制器12，再由微机控制器12发出对应的上升比例电磁铁3的控制信号，控制上升先导阀1的动作，使得上升节流主阀5的阀口开度增大，同时电动机19停转，此时螺杆泵20的输出压力迅速降低，靠轿厢自重使单向阀22关断，电梯停站。

电梯下行的运行过程如下：

在电梯轿厢10下行时，电动机19并不运转，电梯仅依靠自身的势能下降。在此过程中，单向阀22始终是关闭的。下行时，只有第二压力传感器26检测到的负载端压力Pd参与控制。在控制方式上，下行过程与上行过程基本一致。区别仅仅在于微机控制器12输出的是下降比例电磁铁4的控制信号，控制下降先导阀2的动作，进而控制下降节流主阀6的阀口开度。

系统中还有一些电梯液压系统中必需的保护装置，包括安全阀11，手动下降阀8，限速切断阀9和压力继电器23。

本发明的优点主要体现在对阀的控制方式上，也即从微机控制器12接收信号并进行处理到最终发出指令的这一控制过程，如图2的框图所示。下面将对这一过程进行具体说明。

微机控制器12输入信号共有三路：一路是PLC可编程逻辑控制器24传来的PLC信号，这一路信号是所有电梯所共有的，用来表征电梯的运行状态处于哪一个阶段。在本实验系统中，这个信号也决定着下面的流量计算要采用哪一个计算模块。另一路就是第一、第二压力传感器25、26检测传来的系统压力信号，针对这一路信号所进行的处理是本系统的关键所在。常规的流量电反馈控制的电梯，一般是通过表征位移量的电信号反馈，进而得到流量信息。这种方法的特点在于流量计硬件结构上比较复杂，控制的精度也受制于此，不易提高。而本发明是反馈系统的压力信号，只需加装压力传感器即可，从硬件上来说实现非常容易，但是相应地增加了软件的运算量。这就相当于把硬件的复杂度转化到了软件上。这样做的优势是显而易见的：在软件上通过控制算法的优化来提高控制精度，其可行性探讨和实际操作性都比硬件上的改进来得容易；而且，可以尝试把一些比较先进的控制理论应用于液压电梯的控制上，通过实验进行比较、优化，得到一个比较满意的结果。

微机控制器12得到压力信号后，根据已选定的计算模块，结合当前保存的比例电磁铁的控制电流值i，经过一定地运算就可以计算出系统的流量Q^*。为了使得计算流量能够真实地反映系统的实际流量，我们必须考虑油液的温升对流量的影响。因此最后一路反馈信号就是油液的温度信号T。微机控制器12将根据此温度信号对计算流量进行一定的补偿。经过以上的运算，得到系统的最终计算流量Q^*后，将它和由理想曲线确定的系统的理想流量做比较，所得的流量差就是调整微机控制器12输出的依据。由此流量差再经过一定计算即可得到输出给先导阀电磁铁的控制电流i的值，最后经微机控制器12中的功率放大器放大输出，控制先导阀的动作，进而控制主油路的油液流量，就完成了这一控制过程。这样的控制过程是周而复始地进行的，因此也就可以连续地控制电梯的运行。

关于控制过程中涉及的具体计算过程，择要介绍如下。

由于对电梯运行的控制最终是体现在对轿厢速度的控制上，也即体现在对连接柱塞油缸7和上升节流主阀5及下降节流主阀6的主油路中的油液流量的控制上。因此不能直接用压力值来进行比较，需要把微机控制器12得到的各个反馈信号最终转换成流量信号再进行比较，这样才能更为直观、准确地反映轿厢的运行状态。这一转换过程可以利用节流阀阀口和固定液阻的流量公式及各个阀上的力平衡关系来实现。由这两组关系可以得到足够的稳态方程数目，进而解得计算流量值。

节流阀阀口和固定液阻的流量公式均可用下面的公式计算： $Q=C_{d}A\left(x\right)\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}------\left(1\right)$ 其中：

Q——流量(l)；

C_d——流量系数；

A(x)——通流面积(m²)，其中的x是阀口开度；

ΔP——两端压差(Pa)；

ρ——液压油的密度(kg/m³)。

式中的流量系数C_d在这里不能被看做常数，而可以看做是压力差和温度的函数，表示为C_d(ΔP，T)，其中压差ΔP取被计算的阀口或固定液阻的实际压差，温度T取采样回来的当时实测值。对于温度T的影响，如果考虑到它是一个缓变信号，还可以采用模糊神经网络智能算法来补偿，使得流量参数的修正具有自学习和自适应的特点。这些补偿的方法都可以通过实验进行验证比较，从中选取控制效果较好的方法。

由于不检测阀芯的位移，阀口开度x也是由计算得到的。由上面提到的稳态方程组可以解出，x是相应的检测压力P(上行时是泵出口压力Pu，下行时则是负载端的压力Pd)和先导阀电磁铁控制电流i的函数。因此，阀口的通流面积A(x)实际上也是这两个量的函数，可以表示为A(P，i)。另外，如果考虑到动态因素的话，则阀口的通流面积A(x)还要做一定的修正。总之，参数C_d(ΔP，T)和A(P，i)对系统的性能有很大影响，通过实验选取合适的参数，得到的计算流量才能比较真实地反映实际流量。

综上所述，包括各参数的确定在内的软件调节器的设置，不仅对系统的调节精度有很大影响，而且也影响着闭环调节响应的速度等，必须通过仿真和实验的手段反复修正，关键是使计算流量能够及时、准确地反映系统的实际流量。这样才能充分体现计算流量反馈系统的优点。

Claims (1)

1.一种计算流量反馈控制的电梯液压系统，其特征在于它包括：

1)主压力油路系统：

三相异步电机[19]驱动液压螺杆泵[20]，液压螺杆泵[20]的一端经过滤油器[21]接油箱[29]，另一端接常开的上升节流主阀[5]的环形容腔，上升节流主阀[5]的环形容腔其一路经过阀口接油箱[29]，另一路分别通过单向阀[22]接常闭的下降节流主阀[6]的环形容腔，和通过第一精细滤油器[17]接控制油路；常闭的下降节流主阀[6]的环形容腔的一路通过限速切断阀[9]的一端与柱塞油缸[7]相连，进而通过滑轮组机构驱动电梯轿厢[10]的运动；常闭的下降节流主阀[6]的环形容腔的另一路通过手动下降阀[8]接入油箱[29]；

2)上行的控制油路系统：

由上升节流主阀[5]的环形容腔出口端引出，经过第一精细滤油器[17]后，一路接安全阀[11]的背腔，另一路接第一固定液阻[13]，第一固定液阻[13]的另一端与第二固定液阻[14]、安全阀[11]的环形油腔以及上升先导阀[1]的控制油腔相连，第二固定液阻[14]的另一端接上升节流主阀[5]的背腔，上升先导阀[1]的回油腔经安全阀[11]的回油腔接入油箱[29]，第一压力表[27]和第一压力传感器[25]接在上升节流主阀[5]的环形容腔；

3)下行的控制油路系统：

由下降节流主阀[6]的环形容腔接出，经第二精细滤油器[18]，与第三固定液阻[15]相连，第三固定液阻[15]的另一端则与第四固定液阻[16]以及下降先导阀[2]的控制油腔相连，第四固定液阻[16]的另一端接入下降节流主阀[6]的背腔，下降先导阀[2]的回油腔直接接油箱[29]，第二压力表[28]和第二压力传感器[26]接在下降节流主阀[6]的环形容腔；

4)电气控制系统：

PLC电气控制柜[24]中的指令信号、第一压力传感器[25]检测的液压泵出口压力信号、第二压力传感器[26]检测的负载压力信号，以及液压油温度信号同时接入微机控制器[12]，微机控制器[12]输出控制上升比例电磁铁[3]和下降比例电磁铁[4]的信号。

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