前饋控制在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的作用分析

摘要：近年來(lái)，各大電梯廠家均在不斷地加大對(duì)技術(shù)創(chuàng)新研究的投入，電梯系統(tǒng)的控制也隨之出現(xiàn)很多新的應(yīng)用技術(shù)。本文將介紹前饋控制技術(shù)的基礎(chǔ)原理，以及對(duì)前饋控制在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的作用進(jìn)行分析，并提出適合電梯運(yùn)動(dòng)特性的前饋系統(tǒng)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267431.htm

關(guān)鍵字：前饋控制；前饋增益；加速度

DOI：1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.012

杜永聰（1980-），男，工程師，研究方向：電力電子驅(qū)動(dòng)控制。

背景

近年來(lái)，變頻技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)均已在電梯行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且越來(lái)越多的高端客戶對(duì)電梯運(yùn)行的性能要求也越來(lái)越高，因此，行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的電梯企業(yè)都在電梯控制技術(shù)上不斷地推出一些新的應(yīng)用技術(shù)，并結(jié)合相應(yīng)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。本文將介紹前饋控制技術(shù)的基礎(chǔ)原理，以及對(duì)前饋控制在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的作用進(jìn)行分析，并提出適合電梯運(yùn)動(dòng)的前饋系統(tǒng)。

1 前饋控制介紹

1.1 前饋控制原理

反饋控制是將系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際與指令進(jìn)行相減，并將此偏差量作為輸入條件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的技術(shù)。它是在系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了偏差的情況下發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，因此，也不可避免地使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，從而產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。

前饋控制（Feed Forward Control）的定義是：將被控變量的一個(gè)或多個(gè)影響條件的信息轉(zhuǎn)換成反饋回路外的附加作用的控制。前饋控制是通過觀察情況、收集整理信息、掌握規(guī)律、預(yù)測(cè)趨勢(shì)，正確預(yù)計(jì)未來(lái)可能出現(xiàn)的問題，提前采取措施，將可能發(fā)生的偏差消除在萌芽狀態(tài)中，為避免在未來(lái)不同發(fā)展階段可能出現(xiàn)的問題而事先采取的措施。

將前饋控制技術(shù)與反饋控制技術(shù)結(jié)合使用，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小速度偏差以及超調(diào)現(xiàn)象，同時(shí)即使前饋指令略有不準(zhǔn)確時(shí)，亦能通過反饋控制技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

1.2 電梯系統(tǒng)分析

電梯是服務(wù)于建筑物中的運(yùn)輸設(shè)備，為了能滿足這一特定工作條件的需要，電梯必須具有相應(yīng)的性能要求。電梯需要保證其自身的安全性、可靠性、快捷性以及舒適性。

電梯系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)械、電氣—體化系統(tǒng)，機(jī)械部分相當(dāng)于人的軀體，電氣部分相當(dāng)于人的中樞神經(jīng)，機(jī)械與電氣兩方面的高度結(jié)合，形成了現(xiàn)代科學(xué)的綜合電梯產(chǎn)品。電梯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括電梯曳引主機(jī)、轎廂、鋼絲繩、對(duì)重、補(bǔ)償裝置、控制柜、安全裝置等，如圖1所示。電梯控制柜對(duì)曳引主機(jī)進(jìn)行變頻控制，主機(jī)通過曳引鋼絲繩使得被其懸掛的轎廂與對(duì)重在電梯井道內(nèi)進(jìn)行上下運(yùn)行，從而達(dá)到人員運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

電梯系統(tǒng)屬于一種大慣量系統(tǒng)，而電梯變頻驅(qū)動(dòng)器幾乎全部都是采用反饋控制的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)電梯運(yùn)行的，其結(jié)果往往會(huì)使得電梯運(yùn)行時(shí)發(fā)生速度超調(diào)的現(xiàn)象，如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度并抑制這種速度超調(diào)現(xiàn)象，我們可以采用增加前饋控制環(huán)節(jié)的方式，如圖3所示。系統(tǒng)對(duì)速度指令進(jìn)行微分，得到加速度指令，然后利用加速度指令作為前饋控制的參量，再將其放大到與力矩指令等同的量綱，最后直接外加到原力矩指令中。

增加了前饋控制環(huán)節(jié)的速度曲線，系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象明顯減小，系統(tǒng)的響應(yīng)性能明顯得到提高，如圖4所示。

1.3 前饋控制參數(shù)分析

前饋控制中有兩個(gè)重要的參數(shù)，一是加速度指令，二是前饋增益的放大倍率，兩者相乘就可以得到前饋力矩指令，如公式（1）所示。下面對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的影響進(jìn)行分析。

1.3.1 加速度指令

將電梯的速度指令進(jìn)行微分，就可以得到加速度指令。至于為什么要用加速度而不用速度，可以根據(jù)公式（2）得出其原因，當(dāng)電梯載重不變時(shí)，電梯加速度跟力成正比，在主機(jī)繩輪直徑不變的前提下，電梯加速度指令跟力矩指令成正比。因此，加速度的大小可以直接反映力矩的大小。

加速度指令前饋相當(dāng)于力矩指令前饋，而系統(tǒng)的力矩指令能直接控制變頻器的輸出電流值，這樣就有助于直接控制電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.2 前饋增益

前饋增益是一個(gè)放大倍數(shù)，它將加速度放大，并使之變成力矩指令。由于電梯在勻速段時(shí)加速度為零，前饋力矩也為零，而在加減速段，前饋力矩的值必須要與真實(shí)需求的輸出力矩相同，這樣才能發(fā)揮出前饋控制在電梯運(yùn)行中的性能優(yōu)勢(shì)。

加減速時(shí)的輸出力矩大小與電梯系統(tǒng)慣量有直接關(guān)系，而每一臺(tái)電梯的系統(tǒng)慣量都不一樣。其系統(tǒng)慣量會(huì)受到包括提升高度、裝飾重量、補(bǔ)償率、電梯負(fù)載、旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素的影響。因此，我們必須通過對(duì)電梯系統(tǒng)慣量的自學(xué)習(xí)，來(lái)推算出真實(shí)需求的前饋增益，這種自學(xué)習(xí)的方式在不同的控制系統(tǒng)可以有不同的方法。

本系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能，是自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)減速運(yùn)行與勻速運(yùn)行時(shí)力矩指令之間的差值，并且由于電梯在o%負(fù)載與100%負(fù)載時(shí)的系統(tǒng)有效慣量差別大，因此，我們需要分別學(xué)習(xí)其在0%負(fù)載與100%負(fù)載時(shí)的力矩差值，以便系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算其在不同負(fù)載下的力矩增益值。如圖5所示。

我們分析了前饋增益的大小對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步求證了前饋增益準(zhǔn)確的重要性。增益太小，系統(tǒng)對(duì)速度超調(diào)的抑制能力會(huì)減弱；增益太大，系統(tǒng)的速度曲線會(huì)發(fā)生較大的畸變。如圖6所示。

前饋放大倍率的理論偏差由以下幾部分組成（如圖7所示）：

（1）稱重偏差；

（2）上、下行得出的gain平均值偏差：

（3）力矩脈動(dòng)造成的誤差；

（4）電機(jī)冷態(tài)熱態(tài)的力矩電流偏差。

詳細(xì)分析如下：

（1）稱重偏差，由于系統(tǒng)的稱重偏差設(shè)計(jì)值為±10%，可推導(dǎo)得出由此造成的gain偏差如式（3）所示。偏差=（iffgainl00-iffgain0）xl0%式（3）

（2）上下行g(shù)ain平均值偏差，根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算可得出以下力矩的理論值如圖8所示，計(jì)算如公式（4）和（5）所示。

因此，上/下行g(shù)ain平均值偏差率為5.84%，計(jì)算如式（6）所示。偏差=iffgainl00×5.84% 式（6）

（3）力矩脈動(dòng)造成的誤差，由于電機(jī)的實(shí)際輸出力矩是有脈動(dòng)的，且該脈動(dòng)造成的誤差無(wú)法從理論上計(jì)算。通過塔上試驗(yàn)多次自學(xué)習(xí)取得偏差量數(shù)據(jù)，如表1～表4所示。

由上述測(cè)試結(jié)果可得，無(wú)論是否有預(yù)設(shè)前饋gain，其測(cè)試結(jié)果的偏差基本相同。力矩脈動(dòng)造成的gain最大誤差率為3.23%。計(jì)算如式（7）所示。偏差=iffgainl00×3.23%

式（7）

（4）電機(jī)冷態(tài)熱態(tài)的力矩電流偏差，由電機(jī)的型式試驗(yàn)結(jié)果可知，熱態(tài)時(shí)的電機(jī)力矩電流比冷態(tài)時(shí)大3%，因此相當(dāng)于gain的偏差為3%。

綜上所述，前饋放大倍率的理論總偏差計(jì)算如式（8）所示。總偏差= （iffgain 100-iffgain0）×10%+

iffgainl00x（5.84%+3.23%+3%）

= iffgainl00×22.07%-iffgain0×10%式（8）

經(jīng)過對(duì)前饋力矩增益gain的再次仿真與實(shí)測(cè)，其最大理論總偏差（約10%）不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響，系統(tǒng)性能亦能達(dá)到開發(fā)的指標(biāo)要求。

2 總結(jié)

本文從理論上分析了前饋控制的原理及其應(yīng)用的方法，結(jié)合電梯的實(shí)際情況，分析了前饋控制與電梯運(yùn)行性能的關(guān)系。并且分析了前饋控制理論中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)f加速度指令、前饋增益）的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，同時(shí)研究了前饋增益的理論偏差，并通過仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其在應(yīng)用過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在控制系統(tǒng)中增加加速度前饋力矩控制環(huán)節(jié)，能有效地抑制速度超調(diào)的問題：速度超調(diào)得到抑制，相當(dāng)于電梯速度的跟隨性得到提高，可控性也提高；可控性的提高，使得電梯的速度指令與實(shí)際速度更為相符。電梯系統(tǒng)采用反饋及前饋控制技術(shù)相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的精確控制提供了基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)提高電梯運(yùn)行舒適性提供了深入研究的方向。