手扶電梯的動態特性與控制方法

摘 要：對手扶電梯的動態特性與控制方法進行分析具有重要的應用價值。針對傳統手扶電梯控制方法的不足，文章提出一種基于模糊自適應PI控制的手扶電梯控制方法。首先對手扶電梯的動態特性進行了分析，以手扶電梯加速度控制偏差和加速度變換率作為控制目標，通過自適應調整控制器的參數從而實現了對手扶電梯的平穩控制，為手扶電梯的平穩運行提供了可靠保證。

關鍵詞：手扶電梯；動態特性；控制方法

引言

隨著城市化建設的不斷推進，各個城市中的大型商場和超市越來越多，手扶電梯作為商場和超市的重要部分，也得到了廣泛的應用[1]。手扶電梯具有結構簡單、可靠性好、能夠長時間連續運行等特點，但是在運行的過程中，由于載客數量的不同，受到機械振動的電機啟停的影響，因此，輸出負載具有較強的時變性，工況復雜[2]。這就降低了顧客的體驗度，因此，需要對手扶電梯的動態特性和控制方法進行分析，從而為手扶電梯的改進提供準確依據。手扶電梯的動態特性與控制方法的分析方法，已經成為當前電梯領域一個熱門研究課題，受到了很多學者的關注[3]。

通常情況下，對手扶電梯的動態特性與控制方法的分析主要是根據測量的相關參數實現的。利用傳統方法進行手扶電梯的動態特性分析與控制的過程中，需要對手扶電梯的相關參數進行線性化處理，因為手扶電梯的輸出特性具有較強的非線性和時變性特點，對相關參數進行線性化處理能夠降低運算量，提高手扶電梯運行的穩定性。由于手扶電梯的動態特性分析與控制方法在手扶電梯領域具有巨大的應用價值，因此發展前景十分廣闊，并成為該領域很多專家研究的重點課題。

利用傳統算法進行手扶電梯的動態特性分析與控制的過程中，無法避免由于手扶電梯復雜工況造成的非線性和時變性的影響，從而降低了手扶電梯運行的穩定性。為此，提出一種基于迷糊自適應PID的手扶電梯動態特性分析與控制方法。文章重點對手扶電梯的動態特性進行了分析，并探討了模糊自適應PID對手扶電梯的控制方法。

1 手扶電梯的動態特性分析

1.1 手扶電梯的結構原理

手扶電梯是由驅動電機、齒輪組、導鏈、扶手、傳感器、內欄和階梯等部分構成。手扶電梯的工作原理是，當手扶電梯運行時，兩根導鏈圍繞兩組齒輪組做循環運動，在手扶電梯的頂部，驅動電機和齒輪組配合帶動導鏈。一般的手扶電梯的驅動電機的功率在100馬力左右，驅動系統和導鏈系統都被安置在框架內，手扶電梯的框架是金屬結構，是連接兩層樓的中間部分，手扶電梯在運行的過程中移動的是臺階，臺階在手扶電梯移動的過程中保持水平，臺階之間彼此交錯，從而使顧客更容易上下手扶電梯。

1.2 手扶電梯的動態特性

手扶電梯的動態特性主要指手扶電梯在水平方向和垂直方向的運行狀態。驅動電機在啟動或者停止時，手扶電梯會受到機械傳動的作用而發生振動，振動是衡量手扶電梯穩定性的重要指標，雖然手扶電梯在運行的過程中比較平穩，對顧客的舒適度體驗不會造成影響，但如果振動力較大時，就會降低顧客對手扶電梯的舒適度體驗。因此，振動是手扶電梯在運行過程中的主要動態特性。

手扶電梯的動態特性體現在無激勵共振和穩態強迫共振引起的振動方面，其中無激勵共振的強度與時間成反比例關系，穩態共振伴隨著整個手扶電梯的運行過程。在手扶電梯運行的初期階段，由于這兩種共振都存在，因此，手扶電梯的穩定性較差。經過一段時間的運行后，手扶電梯只剩下穩態強迫共振，此時手扶電梯一直保持一定的共振，因此，為了降低共振，需要對電機進行控制。

2 手扶電梯的穩定控制方法

引起手扶電梯共振的原因有許多，其中最主要的是電機在啟動和停止階段引起的共振為主。因此，手扶電梯的加速度的控制方法是一個需要研究的核心問題。在手扶電梯空載運行的過程中，其加速度變化的變化率是一個正弦函數[4]，在負載運行的過程中，其加速的變化率將會發生突變，這就會對手扶電梯的運行帶來一定的沖擊，因此，文章將以手扶電梯的加速度作為控制對象。模糊自適應PID的控制方法的基本原理是以手扶電梯加速度的控制偏差的絕對值|E|和加速度變化率偏差的絕對值|EC|這兩個值作為控制目標，通過不斷調整PID控制器的參數KP、KI與KD，從而不斷減低手扶電梯加速度變化率的控制偏差，使手扶電梯穩定的運行。具體的手扶電梯控制方法如下所述：

（1）模糊自適應PID控制器控制參數的確定。文章中的模糊自適應PID控制器的參數的數量分別為E、EC和KP、KI、KD這5個變量，分別為手扶電梯的加速度偏差、加速度變化率偏差、模糊自適應PID控制器的3個控制參數比例、微分和積分系數，其中，E、EC為控制器的輸入變量，KP、KI、KD控制器的輸出量。

（2）建立手扶電梯控制的隸屬度函數。首先，需要對手扶電梯的上述5個控制參數進行模糊化處理，將具體的輸入變量轉換為響應的隸屬度函數。手扶電梯控制系統的輸入量變量和輸出量的模糊論域如下所述：

對于手扶電梯加速度控制誤差E的模糊論域為{-4，-2，-1，0，1，2，4}，其對應的語言值分別為{NB（負向最大值），NM（負向較大值），NS（負向較小值），Z（零），PS（正向較小值），PM（正向較大值），PB（正大最大值）}；加速度變化率偏差的EC模糊論域為{-4，0，4}，相其對應的語言值分別為{N（負向值），Z（零），P（正向值）}；

對于迷糊自適應PID控制器的三個參數KP、KI、KD的模糊論域分別為{3，5，7}、{0，0.02，0.04，0.06，0.08，1.0}和{0，10，20，40，80，160}。其相對應的語言值分別為{SS（負向最大值），SM（負向較小值），SB（負向最小值），M（零），BS（正向較小值），BM（正向較大值），BB（正向最大值）}、{S（小值），M（中值），B（大值）}和{S（小值），M（中值），B（大值）}。實驗表明，利用上述語言值，能夠對手扶電梯的參數進行模糊自適應控制。

（3）手扶電梯控制的模糊控制規則。模糊自適應控制器的輸出量為手扶電梯的加速度控制偏差和加速度變化率的偏差，根據實際經驗，可以還歸納出以下的手扶電梯的模糊控制規則：當加速度的控制誤差為負向最大時，加速度變換率為負向時，加速度的控制誤差會越來越大，為了降低當前的加速度控制誤差，此時需要對模糊自適應PID控制器的控制量取正向最大值；當加速度控制誤差為負向而加速度變化率為正向時，此時系統的控制誤差有降低的趨勢，為了消除加速度的控制誤差，此時需要取較小的控制量；當加速度的誤差為負向時，此時手扶電梯運行的比較穩定，假設加速度的誤差變化為負向時，需要選取控制量的變化為正向最小值，從而降低加速度的控制誤差；假設加速度的控制誤差為正向時，此時應選取控制量為0或者負向最小值。

利用上述方法進行手扶電梯控制的過程中，模糊自適應PID控制器只需要根據對應的手扶電梯加速度控制偏差以及加速度控制偏差的變化量，將五個控制變量分別進行模糊化并轉化為對應的模糊語言值，并通過模糊自適應控制規則對KP、KI和KD進行計算并作為手扶電梯模糊自適應PID控制器的控制參數，其輸出量即為手扶電梯加速度的控制量。手扶電梯的驅動電機根據加速度控制量的變化對速度進行調整，從而獲得穩定的運行狀態。

3 結束語

針對當前手扶電梯在控制方面存在的不足，文章就手扶電梯的動態特性與控制方法進行了探討。提出利用模糊自適應PID的手扶電梯控制方法，以手扶電梯的加速度控制偏差和加速度控制偏差的變化率的絕對值作為控制目標，從而減少了手扶電梯運行過程中的振動，使手扶電梯得到更平穩的運行。

參考文獻

[1]林堯，劉艷斌，伍輝，等.基于VPT高速電梯性能分析及動力學參數優化[J].振動測試與診斷，2015，35（1）：150-155.

[2]張建宏.高速電梯氣動特性的分析與研究[J].中國電梯，2015（5）：19-22.

[3]周傳勇.一種新的電梯水平振動建模及其仿真分析方法[J].中國電梯，2015（5）：23-26.

[4]張劍華.電梯電氣控制中存在的問題及常規故障檢查方法[J].中國電梯，2015（5）：52-54.