摘  要： 液壓電梯是一種變負(fù)載、變?nèi)萸?、變粘度的速度控制系統(tǒng)，且負(fù)載呈現(xiàn)大慣量、低頻響、低阻尼的特點(diǎn)，其速度控制一直是個(gè)難點(diǎn)。當(dāng)采用常規(guī)PID控制時(shí)，在控制對象變化時(shí)，控制器的參數(shù)不能自動(dòng)修改適應(yīng)，導(dǎo)致其控制效果不佳，且傳遞函數(shù)階數(shù)高，簡化降階又十分困難。在分析液壓電梯工作原理的基礎(chǔ)上，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，利用模糊推理方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，對液壓電梯速度進(jìn)行控制。通過Simulink與AMESim軟件聯(lián)合仿真，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行比較，得出所采用的模糊自適應(yīng)PID控制策略能使轎廂更好地跟蹤理想速度曲線，控制效果更為優(yōu)良。

　　關(guān)鍵詞： 液壓電梯；模糊控制；建模；聯(lián)合仿真

0 引言

　　液壓電梯是一種典型的機(jī)電液速度控制系統(tǒng)，目前在國內(nèi)外實(shí)際控制中一般都采用閉環(huán)PID控制，但是針對具有非線性、大滯后、時(shí)變性特點(diǎn)的液壓電梯時(shí)，經(jīng)典PID控制效果往往不佳[1]；當(dāng)采用轎廂速度直接反饋的大閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)，雖然控制精度很高，但由于閉環(huán)內(nèi)傳遞函數(shù)階數(shù)高，簡化降階十分復(fù)雜，系統(tǒng)很難控制，魯棒性差。為了達(dá)到理想的控制精度和穩(wěn)定性，提高乘客乘坐的舒適感，本文利用Simulink軟件將模糊自適應(yīng)PID控制策略應(yīng)用到液壓電梯速度控制中，并在AMESim軟件環(huán)境中建立物理模型，以擺脫復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模。該方法為液壓電梯速度控制器在線優(yōu)化與自適應(yīng)提供了新思路和新技術(shù)，具有較高的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 液壓電梯速度控制系統(tǒng)

　　1.1 液壓電梯工作原理

　　液壓電梯是一種典型的機(jī)電液一體化產(chǎn)品，其基本組成包括：泵站系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、承重升降系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)[2]。

　　當(dāng)液壓電梯上行時(shí)，由控制器輸出上行信號，變頻器根據(jù)輸入的控制信號，經(jīng)整流、濾波、逆變后，產(chǎn)生相應(yīng)頻率和電壓的交流電，驅(qū)動(dòng)三相交流異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液壓泵，致使管道中的油液壓力迅速增高，直至頂開單向閥和負(fù)載力相平衡，所有壓力油全部進(jìn)入到油缸中，推動(dòng)柱塞以相應(yīng)速度向上運(yùn)行，如圖1所示。

　　在該電梯系統(tǒng)整個(gè)上行工作中，轎廂速度經(jīng)光電編碼器檢測不斷反饋到控制器中，控制器根據(jù)電梯理想速度曲線和實(shí)際速度曲線不斷校正輸出給變頻器的控制信號。

　　1.2 電梯理想速度曲線

　　電梯在使用過程中伴隨著頻繁的加速和減速過程，而且作為一種垂直升降的運(yùn)輸設(shè)備，乘客對其速度的變化更為敏感。因此對電梯速度的控制必須考慮乘坐的舒適感。由前人實(shí)驗(yàn)得知，影響乘客舒適感的最大因素并非加速度，而是加速度的變化率。因此，采用余弦加速度導(dǎo)數(shù)連續(xù)原則設(shè)計(jì)了具有正弦函數(shù)特征的速度曲線[3]，如圖2所示。其中，v為電梯的理想速度曲線，a為加速度曲線，a′為加速度的變化率。

2 液壓電梯速度控制系統(tǒng)的建模

　　2.1 液壓電梯速度控制原理

　　液壓電梯的速度控制是利用閉環(huán)反饋的方式進(jìn)行控制，通過速度傳感器直接測得轎廂的運(yùn)行速度，并作為反饋信號，利用與理想速度曲線的偏差和偏差的變化率來對轎廂速度進(jìn)行PID控制[4]，同時(shí)通過模糊推理對PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其速度控制原理圖如圖3所示。

　　2.2 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

　　模糊自適應(yīng)PID控制器是利用不同偏差E和偏差變化率EC作為輸入，通過專家的PID參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的模糊控制規(guī)則對PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同時(shí)刻的E和EC對PID參數(shù)的自整定要求[5]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　2.3 仿真模型的建立

　　整個(gè)液壓電梯系統(tǒng)分為主回路部分和控制部分。其中主回路部分的建模在AMESim軟件中完成，控制部分在MATLAB/Simulink中完成。MATLAB/Simulink與AMESim的聯(lián)合仿真，通過AMESim界面菜單下創(chuàng)建輸出圖標(biāo)功能與Simulink中的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)連接。

　　2.3.1 主回路部分建模

　　借助AMESim軟件，首先在Sketch模式下調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫、機(jī)械庫和信號庫建立由變頻器、電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓閥、柱塞油缸、鋼絲繩、動(dòng)滑輪、轎廂組成的液壓電梯系統(tǒng)，然后進(jìn)入Parameter模式對仿真模型中的每個(gè)元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[6]，如圖5所示。

　　2.3.2 控制部分建模

　　變頻器采用模糊自適應(yīng)PID控制，控制模型如圖6所示，其中模糊自適應(yīng)PID控制器的模型如圖7所示。根據(jù)上述控制器的設(shè)計(jì)，取模糊控制器的量化因子分別為Ke=0.9，Kec=0.02；模糊輸出的比例因子Kup=3.2，Kui=2.3、Kud=0.15[7]。

3 仿真與結(jié)論

　　本文針對液壓電梯這種受隨機(jī)因素干擾、具有大慣性、純滯后的非線性分布參量的復(fù)雜控制對象，采用了模糊自適應(yīng)PID控制策略，并以MATLAB軟件和AMESim軟件為輔助工具，對模糊自適應(yīng)PID控制和常規(guī)PID控制進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)[8]，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，本文所采用的控制方法能很好地控制速度的各個(gè)運(yùn)行階段，確保了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定精度，使得轎廂能較好地跟蹤理想曲線的速度特性運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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