TW202206952A - 決定電梯速度控制係數的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種決定電梯速度控制係數的方法，可根據電梯系統的閉迴路控制模型的頻率響應增益與相位震盪情況以及工程人員所設定的邊界條件，反推求解得出PI控制器中控制係數的較佳值。

Description

決定電梯速度控制係數的方法
本發明係關於一種決定或調整電梯速度控制係數的方法。特別是關於一種決定或調整電梯速度控制係數的方法。
在電梯控制的技術領域中，一般可透過比例積分(PI)控制器或比例積分微分(PID)控制器對馬達進行控制，藉此控制電梯車廂運行的速度。相關技術文件可參考例如US US4684856、US5880416、CN109477479A、CN103079978A等。
典型的PI或PID控制器的運作原理在於透過一閉迴路控制系統將系統輸出訊號進行回授，藉此與控制命令訊號進行比較，產生誤差訊號以修正系統輸入訊號，而達到控制命令目標需求。此方法可有效提高系統準確度並降低外部雜訊干擾，具有誤差自動修補效果。
需說明的是，如果PI或PID控制器中的控制係數設定不當，會影響控制系統的穩定度。當應用在電梯控制的領域時，更直接影響乘客搭乘的舒適度與安全性。
一般來說，PI或PID控制器中的控制係數的決定方式有例如「猜測與檢查」(guess and check) 方法與 Ziegler Nichols 方法。前者需要工程人員長時間的摸索，而後者與前者類似，雖可根據通用的經驗法則有限地縮短摸索的時間，但由於Ziegler Nichols方法所使用的通用經驗法則並非基於電梯控制的環境與目的而來，因此其應用的結果並非必然可以符合上述電梯乘客搭乘的舒適度與安全性的需求。
承前所述，由於Ziegler Nichols 方法並不適合用於電梯控制，因此傳統上決定或調整或電梯速度控制係數的作法大多必須在電梯研究塔進行測試，模擬不同負載下運行的情況，工程測試人員必須搬運各種配重塊於車廂內，準備各式各樣儀器偵測電梯運行的回饋信號，然後測試人員根據經驗與回饋信號利用「猜測與檢查」(guess and check)(或稱試誤法(TRIAL AND ERROR))來調整或決定速度控制係數，這種方式所耗費的人力與時間非常的多，更何況只要電梯系統有任何的更動(例如電機系統與負載重量有所改變)，即需重新在電梯研究塔進行測試。
有鑒於此，本案提出一種決定或調整電梯速度控制係數的方法。簡要來說，首先根據電梯裝置所要使用於速度控制之比例積分(PI)控制器來建立一閉迴路控制模型，並帶入該電梯裝置之機械系統與電器驅動系統的相關物理量，例如電梯不平衡量、轉向輪(Pully)重 、鋼索重、電機重、吊掛比與電機控制器電流與轉矩比例等。最後即可根據閉迴路控制模型的頻率響應增益與相位震盪情況以及工程人員所設定的邊界條件，即可反推求解得出PI控制器中控制係數的較佳值或最佳值。
根據本發明之一態樣，一種決定電梯速度控制係數的方法，其中一電梯裝置具有用於電梯速度控制之一比例積分(PI)控制器，該方法包含： ●       建立一閉迴路控制模型，該閉迴路控制模型包含該PI控制器與一受控體，該PI控制器串聯該受控體，其中該PI控制器輸出一馬達轉矩量至該受控體，而該受控體輸出一馬達轉速量，該馬達轉速量與一初始轉速量之差值則回饋作為該PI控制器之輸入； ●       獲得該PI控制器之轉移函數，其中該PI控制器之轉移函數具有一比例增益係數(Kp )與一積分增益係數(Ki )； ●       根據該電梯裝置中一機械系統的轉移函數與一電氣驅動系統的轉移函數，獲得該受控體之轉移函數； ●       獲得由該PI控制器之轉移函數與該受控體之轉移函數所構成的該閉迴路控制模型之轉移函數； ●       產生該閉迴路控制模型之轉移函數之一頻率響應波德圖，該頻率響應波德圖包含一增益波德圖與一相位波德圖； ●       根據該增益波德圖，設定一頻率區間之上下邊限，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值位於該頻率區間之中； ●       根據該相位波德圖，設定一相位區間之上下邊限，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值其在該相位波德圖中所對應的相位值位於該相位區間之中；以及 ●       根據該頻率區間之上下邊限與該相位區間之上下邊限，決定該比例增益係數與該積分增益係數之值。
在一實施例中，上述方法可透過電腦軟體進行，例如MATLAB® 或是LabVIEW® ，根據工程人員的輸入操作，而進行建模與數值運算。
本發明之其他態樣，部分將在後續說明中陳述，而部分可由說明中輕易得知，或可由本發明之實施而得知。本發明之各方面將可利用後附之申請專利範圍中所特別指出之元件及組合而理解並達成。需了解，前述的一般說明及下列詳細說明均僅作舉例之用，並非用以限制本發明。
＜電梯控制基本介紹＞：電梯裝置通常具有控制模組來控制電梯裝置的運轉，特別是電梯廂的上昇、下降或靜止，藉此將乘客運送到目的樓層。
控制模組主要含有電梯程序控制器與致動器(一般稱變頻器)。變頻器具有電源轉換器、微處理器、馬達驅動電路及馬達電流取樣電路，編碼器速度偵測電路等。電源轉換器用於轉換外部交流電源為直流電源。變頻器微處理器主要利用編碼器速度偵測模組、馬達電流取樣電路計算取得電梯轉速及電流與電梯程序控制器所產生S曲線速度指令(S-Curve velocity profile)，計算並輸出馬達驅動所需電壓命令，驅動電梯上下運行。
一般來說，變頻器在電梯運行控制策略上分為電流迴路與速度迴路，如圖1所示。電流迴路中電流控制器C1根據馬達電流取樣對受控體G1進行控制。速度迴路中速度控制器C2則根據編碼器速度偵測對受控體G2進行控制。
以上關於電梯控制的基本介紹，應為本領域熟此技藝者所習知，在此不予贅述，或可參考上述相關技術可參考例如US US4684856、US5880416、CN109477479A、CN103079978A的說明。
圖2繪示依照本揭露一實施例之電梯速度控制的頻率響應係數的調整方法的流程圖。
在步驟200，建立一閉迴路控制模型，該閉迴路控制模型包含PI控制器C與一受控體G，如圖3所示。PI控制器C串聯受控體G，其中PI控制器C輸出一馬達轉矩量至受控體G，而受控體G輸出一馬達轉速量，該馬達轉速量與一初始轉速量之差值則回饋作為PI控制器C之輸入。在另外的實施例中，控制器C也可以實施為一PID控制器。
在步驟202，獲得PI控制器C之轉移函數Kp +Ki /s，其中Kp 為比例增益係數，而Ki 為積分增益係數，如圖3所示。此部分為控制領域之習知，在此不予贅述。而如前所述，在無其他資料可參考的情況下，比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 的設定或調整還需要透過後續步驟求得其最佳值或較佳值，以確保控制系統的穩定。
在步驟204，獲得受控體G之轉移函數。在一實施例中，受控體G之轉移函數乃根據電梯裝置中一機械系統的轉移函數J與一電氣驅動系統的轉移函數Kv 所結合而成。舉例來說，受控體G之轉移函數可被設定為Kv /J，但本發明並不欲侷限於此特定實施例。
機械系統的轉移函數J可以根據電梯裝置中機械系統慣量的相關物理量來設計。舉例來說，轉移函數J可以是根據電梯裝置的人乘基載重、車廂重、平衡配重、鋼纜重、平衡鏈條重、轉向輪重、主機重、以及吊掛比等機械係數中的任意組合而加以設定，但本發明並不欲侷限於任何特定組合。
在一實施例中，轉移函數J可以設定為一常數，即上述機械係數中任意組合相加的總和。舉例來說，轉移函數J可以設定為人乘基載重(例如1150公斤)、車廂重(例如1400公斤)、平衡配重(例如2000公斤)、鋼纜重(例如300公斤)、平衡鏈條重(例如250公斤)、轉向輪重(例如30公斤)、主機重(例如100公斤)共七項係數相加的總和。但應知本發明並不欲侷限轉移函數J為任何機械係數彼此間的數學運算。
電氣驅動系統的轉移函數Kv 可以根據電梯裝置中電氣驅動系統的相關物理量來設計。舉例來說，轉移函數Kv 可以是根據變頻器功率板額定電流、主機轉矩電流比、主機轉速係數、速度取樣時間的任意組合而加以設定，但本發明並不欲侷限於任何特定組合。
在一實施例中，轉移函數Kv 可以設定為上述電氣驅動係數中任意組合相乘的乘積。舉例來說，轉移函數Kv 可以設定為變頻器功率板額定電流(例如100安培)、主機轉矩電流比(例如25牛頓/安培)、主機轉速係數(例如30000Hz或是300Hz)、速度取樣時間(例如1毫秒)共四項係數相乘的乘積。應知但本發明並不欲侷限轉移函數Kv 為任何電氣驅動係數彼此間的數學運算。
接著，在步驟206，則獲得由該PI控制器C之轉移函數Kp +Ki /s與受控體G之轉移函數Kv /J所組合而成的該閉迴路控制模型(又稱全系統)之轉移函數，並產生全系統之轉移函數之一頻率響應波德圖。該頻率響應波德圖包含一增益波德圖與一相位波德圖，如圖4所示。增益波德圖的縱軸為分貝(db)，橫軸為頻率，單位為徑(rad)/秒(sec)。相位波德圖的縱軸為角度(degree)，橫軸為同樣為頻率，單位為徑(rad)/秒(sec)。此步驟若是以電腦軟體進行例如MATLAB® 或是LabVIEW® 進行，可採用MATLAB® 或是LabVIEW® 內建繪製波德圖的指令。
以下為以MATLAB® 為例，說明與上述步驟有關的指令範例，其中轉移函數Kv 與J為常數，其數值在此亦僅作為範例使用。
ASR_Kp                                        %  (係數設定 單位:%) ASR_KI                                        %  (係數設定 單位:sec) Kv=31.38                                      % 系統速度迴路常數 Elevator_J=56.61                             % 電梯慣量 Elevator_TF=tf([Kv],[Elevator_J 0])      % 電梯系統/受控體轉移函數 ASR_TF=tf([ASR_KP  ASR_KI],[1 0])         % PI控制器轉移函數 TotalSystem_TF= Elevator_TF*ASR_TF       % 全系統/閉迴路控制模型轉移函數 margin(TotalSystem_TF)                      % 全系統 – Bode圖
隨後，在步驟208，根據圖4中的增益波德圖，設定一頻率區間之下邊限A與上邊限B，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值位於該頻率區間之中，也就是增益曲線與0分貝的交越點在頻率A與頻率B之間。頻率A與B值的選擇與設計電梯走行動態響應快慢有關，可由工程人員根據經驗或是預定規則加以設定。在一實施例中，下邊限A設定為50 rad/秒，上邊限B則設定為100 rad/秒，即定義出間隔為50 rad/秒的頻率區間。在另一實施例中，下邊限A設定為45 rad/秒，上邊限B則設定為105 rad/秒，即定義出間隔為60 rad/秒的頻率區間。在又一實施例中，下邊限A設定為55 rad/秒，上邊限B則設定為95 rad/秒，即定義出間隔為40 rad/秒的頻率區間。
在步驟210，根據圖4中的相位波德圖，設定一相位區間之下邊限C與上邊限D，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值其在該相位波德圖中所對應的相位值位於該相位區間之中。相位邊限C與D值的選擇與設計電梯速度迴路穩定度有關，可由工程人員根據經驗或是預定規則加以設定。在一實施例中，下邊限C設定為-135度，上邊限D則設定為-115度，即定義出間隔為20度的相位區間。在另一實施例中，下邊限C設定為-135度，上邊限D則設定為-90度，即定義出間隔為45度的相位區間。在又一實施例中，下邊限C設定為-135度，上邊限D則設定為-100度，即定義出間隔為35度的相位區間。
最後在步驟212，進一步從增益波德圖中頻率區間之下邊限A與上邊限B之間挑選出一頻率值F。頻率值F的挑選可由工程人員根據經驗或是根據預定規則。在一實施例中，頻率值F可以下邊限A與上邊限B的中間值，即(A+B)/2。在另一實施例中，頻率值F可以是(2A+B)/3。在一實施例中，頻率值F可以是(A+3B)/4。
同樣在步驟212，另外也從相位波德圖相位區間之下邊限C與上邊限D之間挑選出一相位值P。相位值P的挑選可由工程人員根據經驗或是根據預定規則。在一實施例中，相位值P可以下邊限A與上邊限B的中間值，即(C+D)/2。在另一實施例中，相位值P可以是(C+2D)/3。在一實施例中，相位值P可以是(3C+D)/4。
頻率值F與相位值P一旦選定，即可作為相關的邊界二個條件，而進一步從全系統之轉移函數反推求得比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 。具體來說，也就是將挑選出的頻率值F與相位值P作為已知數，並將系統增益也作為已知數並設定為0，帶入方程式20log|全系統之轉移函數|=0(也就是系統增益以0dB帶入)，即可反推求得比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 。
而隨著所挑選的頻率值F與相位值P的不同，所求得比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 也會有所差異，工程人員可進一步根據其他因素或簡單的模擬實驗來對比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 做最後的選定或些微調整。隨後即可將選定的值傳輸到電梯裝置中變頻器速度迴路中的速度控制器(即例如圖1所示的速度控制器C2)，以進行比例增益係數Kp 為與積分增益係數Ki 的設定或調整。
相較於傳統大幅仰賴電梯研究塔進行實際測試的做法，本案提出的做法可節省相當多的人力與時間。縱使可能無法完全免除測試人員最後仍須利用試誤法(TRIAL AND ERROR)來細部地調整速度控制係數到最佳值，本案的作法仍然有效率的多，而節省工程人員從頭摸索的時間。
此外，本案做法乃將電梯裝置中機械系統的轉移函數與電氣驅動系統的轉移函數加入至控制模型之中，因此相較於並非用於電梯控制的環境與目的的Ziegler Nichols 方法，本案作法所得出的控制係數可較符合電梯控制的需求。
本發明雖以各種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
C:PI控制器 C1:電流控制器 C2:速度控制器 G:受控體 G1:受控體 G2:受控體 200:步驟 202:步驟 204:步驟 206:步驟 208:步驟 210:步驟 212:步驟
從本發明各實施例的詳細描述，且結合所伴隨之圖式，將能更完全地理解及體會本發明，其中圖式為：
圖1顯示現有技術中電梯控制所用之電流迴路與速度迴路；
圖2顯示根據本發明實施例之方法流程圖；
圖3顯示根據本發明實施例之閉迴路控制模型；
圖4顯示根據本發明實施例之全系統之轉移函數之頻率響應波德圖。
200:步驟
202:步驟
204:步驟
206:步驟
208:步驟
210:步驟
212:步驟

Claims (9)

  1. 一種決定電梯速度控制係數的方法，其中一電梯裝置具有用於電梯速度控制之一比例積分(PI)控制器，該方法包含： a)     建立一閉迴路控制模型，該閉迴路控制模型包含該PI控制器與一受控體，該PI控制器串聯該受控體，其中該PI控制器輸出一馬達轉矩量至該受控體，而該受控體輸出一馬達轉速量，該馬達轉速量與一初始轉速量之差值則回饋作為該PI控制器之輸入； b)    獲得該PI控制器之轉移函數，其中該PI控制器之轉移函數具有一比例增益係數(Kp )與一積分增益係數(Ki )； c)     根據該電梯裝置中一機械系統的轉移函數與一電氣驅動系統的轉移函數，獲得該受控體之轉移函數； d)    獲得由該PI控制器之轉移函數與該受控體之轉移函數所組合而成的該閉迴路控制模型之轉移函數，並產生該閉迴路控制模型之轉移函數之一頻率響應波德圖，該頻率響應波德圖包含一增益波德圖與一相位波德圖； e)     根據該增益波德圖，設定一頻率區間之上下邊限，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值位於該頻率區間之中； f)      根據該相位波德圖，設定一相位區間之上下邊限，其中該增益波德圖中0分貝所對應之頻率值其在該相位波德圖中所對應的相位值位於該相位區間之中；以及 g)     根據該頻率區間之上下邊限與該相位區間之上下邊限，決定該比例增益係數與該積分增益係數之值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含以所決定之該比例增益係數與該積分增益係數之值來設定該比例積分(PI)控制器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該被控體系統轉移函數包含該電梯裝置之一機械系統的轉移函數與一電氣驅動系統的轉移函數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該機械系統的轉移函數是根據該電梯裝置的人乘基載重、車廂重、平衡配重、鋼纜重、平衡鏈條重、轉向輪重、主機重、以及吊掛比等機械係數中的任意組合而加以設定。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該電氣驅動系統的轉移函數是根據該電梯裝置的變頻器功率板額定電流、主機轉矩電流比、主機轉速係數、速度取樣時間的任意組合而加以設定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(g)更包含：從該頻率區間之上下邊限之間選擇一頻率值，並從該相位區間之上下邊限之間選擇一相位值，以根據該頻率值與該相位值決定該比例增益係數與該積分增益係數之值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該頻率值為該頻率區間之上下邊限之中間值，該相位值為該相位區間之上下邊限之中間值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該頻率區間之上下邊限定義出間隔為50 rad/秒的頻率區間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該相位區間之上下邊限定義出間隔為45度的相位區間。
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