基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法

引言

電梯作為人們生活中常見的運(yùn)輸工具,隨著科技水平的提升以及現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,通信技術(shù)、自動檢測技術(shù)以及圖像顯示技術(shù)等在電梯中得到廣泛應(yīng)用。電梯的現(xiàn)代化發(fā)展對其穩(wěn)定性、節(jié)能性等提出了更高的要求。電梯在使用過程中,啟動或負(fù)載增加情況下會導(dǎo)致電梯溜車情況的出現(xiàn),乘客數(shù)量變化以及風(fēng)阻等影響因素也會使電梯負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動,影響電梯運(yùn)行穩(wěn)定性。在電梯調(diào)速系統(tǒng)中,制動與運(yùn)行所產(chǎn)生的摩擦力會造成非線性特征,電梯運(yùn)行中所產(chǎn)生的PMSM本身具有較強(qiáng)的非線性與耦合性,目前PI控制技術(shù)很難滿足電梯的實(shí)際抗擾動控制需求。因此,本文提出了基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法。

1基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法

1.1電梯抗擾動控制特征模型

高速電梯抗擾動控制選取曳引機(jī)控制矢量id=0,而高速電梯中某一坐標(biāo)點(diǎn)d、g坐標(biāo)定子電流為:

式中,id、iq、ud、uq為d、g軸上的定子電流與電壓:w為機(jī)械角速度:R為定子電阻:L為永磁磁鏈:J為調(diào)速系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)坐標(biāo)定子電流,其電梯抗擾動控制模型近似為:

式中,B為電梯運(yùn)行黏滯摩擦因數(shù):p為極對數(shù):lL為等效運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2電梯運(yùn)行速度控制參數(shù)

電梯抗擾動控制以控制模型為基礎(chǔ),從電梯速度控制角度出發(fā),對速度系統(tǒng)a,加減系數(shù)e1、e2,距離系數(shù)s以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)l進(jìn)行分析,求得電梯速度曲線參數(shù)。在高速電梯運(yùn)行過程中,電梯加減速度隨時間發(fā)生變化,選用平均加減速度a1、a2表示電梯變速過程。

通過上述參數(shù)分析,高速電梯運(yùn)行時期的加減速度、運(yùn)行時間、運(yùn)行距離以及電動機(jī)功率存在一定聯(lián)系。當(dāng)電梯運(yùn)行距離提升高度比例增加時,其電梯加速系數(shù)會增加,影響電梯乘坐舒適度,考慮到速度系數(shù)a的影響,其各運(yùn)行控制參數(shù)為:

而電梯速度VN與對應(yīng)的速度系數(shù)a及加速度a推薦值如表1所示。

1.3抗擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩電流值控制

高速電梯抗擾動控制基于運(yùn)行速度控制參數(shù)矢量基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行參數(shù)識別,處理所采集到的特征參數(shù)后得到電流iq,進(jìn)行電流環(huán)控制得到電壓控制量。以自適應(yīng)控制為基礎(chǔ),控制運(yùn)行時參數(shù)收斂的情況下,想要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過渡,需要首先得出電機(jī)轉(zhuǎn)速差值:

式中,w（k）為電機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)測值:w*（k）為電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值:e（k）為電機(jī)轉(zhuǎn)速差值。

根據(jù)其差值得到自適應(yīng)反饋控制量為:

式中,uiq（k）為自適應(yīng)反饋控制量:uL為可調(diào)控制參數(shù):

根據(jù)這一反饋控制參數(shù),高速電梯的輸出電壓所存在的矢量UA、UB電壓大小隨時間按正弦比變化。若Um為相電壓峰值,則:

其中,當(dāng)9=2m/l時,定子三相電壓對稱時,相電壓頻率為速度旋轉(zhuǎn)空間矢量。

根據(jù)上述各矢量,采用改進(jìn)型降階負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器,提高轉(zhuǎn)矩收斂速度,則得到電流運(yùn)行規(guī)則:

由于高速電梯曳引機(jī)控制周期較短,因此可以近似認(rèn)為

得到電流觀測特征方程為:

其中,若B=0,則根據(jù)期望點(diǎn)極點(diǎn)a得出反饋系數(shù):

得到擾動負(fù)載電流控制方程為:

根據(jù)上述公式,通過將相應(yīng)比例控制量加入到電流輸出電壓中,加快系統(tǒng)對擾動的響應(yīng),使高速電梯在啟動或負(fù)載增加時能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

1.4負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動補(bǔ)償

在電梯抗擾動控制過程中,影響擾動的因素不僅是負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知,電梯參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行系數(shù)的偏差同樣會引起轉(zhuǎn)動擾動。因此除對擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩電流值控制外,仍需對電梯負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動進(jìn)行補(bǔ)償。若將電梯運(yùn)行過程中理想負(fù)載轉(zhuǎn)矩71oad作為一個常量,電機(jī)參數(shù)誤差擾動轉(zhuǎn)矩7dis與擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩7L之間關(guān)系為:

若考慮到電機(jī)參數(shù)真實(shí)性,則7dis=0。在滿足這一條件下,擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等,即7L=71oad。

通過極點(diǎn)配置法,控制電梯曳引機(jī)速度,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩?cái)_動抑制與負(fù)載轉(zhuǎn)速控制。在高速電梯運(yùn)行過程中,其擾動負(fù)載不會發(fā)生突變,因此觀測擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而得到轉(zhuǎn)速w與7L狀態(tài)變量:

其中K=[k1k2]T為電梯運(yùn)行狀態(tài)反饋增益量,從而得到狀態(tài)反饋增益矩陣為:

根據(jù)電梯運(yùn)行增益補(bǔ)償,從而完成電梯抗擾動高效控制。

2仿真實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法的有效性,根據(jù)電梯PMSM調(diào)控相關(guān)規(guī)定,設(shè)計(jì)電梯速度曲線,將其與傳統(tǒng)高速電梯抗擾動控制算法對比。將基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法設(shè)為實(shí)驗(yàn)組,傳統(tǒng)算法設(shè)為對照組,控制兩組方法額定電梯速度為2.5m/s,曳引機(jī)額定轉(zhuǎn)速為100r/min,其采樣電壓及轉(zhuǎn)換數(shù)字值如表2所示。

兩組方法在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,其初始轉(zhuǎn)速為200r/min,在加速段、勻速段以及減速段內(nèi)各施加一次幅值為50N、持續(xù)0.5s的負(fù)載突變,對比兩組SVPWM波形。

2.2SVPWM波形對比

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),兩組實(shí)驗(yàn)SVPWM波形對比如圖1所示。

由圖1可知,觀察其電梯速度曲線與負(fù)載值,根據(jù)SVPWM波形可以看出,兩組方法在高速電梯抗擾動控制過程中,實(shí)驗(yàn)組可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跟蹤速度曲線,且其PID控制與負(fù)載干擾具有更好的魯棒性,說明實(shí)驗(yàn)組控制算法具有更好的控制效果。

3結(jié)語

電梯作為日常生活中必不可少的運(yùn)輸工具,其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,人們對其運(yùn)行質(zhì)量要求也相應(yīng)提高。高速電梯運(yùn)行過程中存在多種干擾因素,影響高速電梯運(yùn)行質(zhì)量,據(jù)此本文提出了基于特征模型的高速電梯抗擾動控制算法。通過對電梯運(yùn)行速度控制參數(shù)、擾動負(fù)載轉(zhuǎn)矩電流值控制數(shù)值的計(jì)算,明確負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動補(bǔ)償值,完成電梯抗擾動控制。