基于模糊控制的電梯群控系統設計

付冬冬

摘 要：本設計基于羅克韋爾公司三層網絡，采用ControlLogix系列PLC，模擬了電梯群控系統的控制。實現了單個電梯正常安全運行、交通模式智能選擇、電梯的運行高度顯示、超重報警等功能。同時，利用RSview32組態軟件設計人機界面，實現電梯群各種功能的動態演示。論文以羅克韋爾PLC作為控制器，變頻器作為執行機構，異步電機作為控制對象，測速發電機作為檢測機構，在羅克韋爾網絡平臺上搭建控制回路。在控制器中加入模糊控制規則，使廳呼信號產生時系統智能派梯，提高了電梯群服務質量。系統在滿足簡單的響應廳外、廳內召喚等電梯基本要求的基礎上，從能耗、平均等待時間和平均候梯時間等方面對電梯服務進行改進和提高。相比傳統的單片機、微型計算機以及DCS控制系統等，PLC具有成本低、穩定性高、便于操作的特點，本方案具有更高的安全性和穩定性以及實用價值。

關鍵詞：模糊控制；電梯群控；智能算法；智能控制

引言

隨著時代的進步，經濟的發展以及人們生活水平的不斷提高，高層建筑的數量也不斷地增多，于是客運電梯、貨載電梯等各式各樣的電梯被投入使用，在一棟大樓內，往往需要安裝多臺電梯。如何使電梯高效、安全的運行，成為了人們越來越關注的問題。由于電梯交通客流變化的隨機性以及電梯群控系統的不確定性、多目標性、擾動性、非線性和信息的不完備性等因素，沒有辦法建立被控對象的精確數學模型，也無法采用傳統的控制方法很好地解決這些問題，這勢必需要采用智能控制技術。作為智能控制技術之一的模糊控制技術，在解決非線性、不確定性等問題上具有很大的優勢。

所謂電梯群控系統（EGCS：Elevator Group Control System），就是指將建筑物中的多部電梯依據大樓的功能及樓層人口分布狀況劃分出乘梯群（Elevator Group），再由微機控制系統，或者可編程控制器對電梯群的指令信號、內呼信號、外呼信號、進行統一的登記和管理，再根據系統設定的派梯策略和建筑物中的實際交通狀況，得到最優派梯決策的控制系統[1]。從電梯控制的智能化角度講，需要在電梯群的控制程序中采用先進的調度規則使被控電梯群有優質的服務質量，即在不同的交通情況下，使群控能夠派出最適合的電梯響應呼叫。而評價電梯的綜合因素包括乘客心理因素以及環境因素等，在本設計中可以對應到乘客候梯時間的長度、乘客乘梯時間的長度、能源消耗的作為評價函數，群控系統的作用即是對多個目標對象進行優化控制[2]。

1 電梯群控系統總體設計方案

1.1 電梯系統總體控制方案

系統以控制器ControlLogix為核心，應用以太網，選擇變頻器作為執行機構，異步電機作為控制對象，測速發電機作為檢測機構，構成閉環控制回路[3]。通過PLC的輸入端輸入內呼、外呼信號，以及交通流信息和重量檢測信息，通過輸出端發出的呼梯信號指示，運行方向指示，樓層信號指示，以及開關門停機控制等來控制電梯群的安全正常運行、報警、顯示等功能。控制框圖如下。

圖1 PLC控制框圖

1.2 電梯控制系統功能

基于模糊算法，將各個電梯的實時數據傳輸到模糊控制器中，群控器中根據已經設定的模糊化規則進行模糊處理，將處理后的數據，得到一個隸屬度的輸出后，根據不同交通流下的不同權值相乘，最后得到一個派梯函數的最終值[4]。

為了兼顧乘客的乘梯需求和電梯的運載能力及其能量損耗，能最大的滿足系統的各項指標和要求，電梯群控系統索要納入考慮的問題如下[5]：

（1）決策變量：即單位時間間隔內不同種類客流人數的百分比、各電梯的運行狀態（運行方向、所在樓層、呼叫信號所在樓層等）。

（2）評價函數：即在在某種客流交通模式下，給予乘客平均候梯時間、乘客的平均乘梯時間、電梯能耗的不同權值相加后所組成的評價函數。

（3）客流交通模式：電梯的客流交通模式是由電梯群系統在某單位時間內，電梯上下行以及中間層的客流人數進行計算和辨別，它反映了電梯群控系統所處的交通狀況[6]。

2 電梯群控系統原理

2.1 模糊控制的基本原理

該系統是在模糊控制數字化控制的基礎上建立的，它的控制器叫做模糊控制器。該系統通過數字變量的輸入、模糊量化處理、模糊控制規則、模糊推理（決策）、去模糊化處理進而輸出完成整個過程[7]。如圖2 所示。

圖2 模糊推理流程圖

2.2 交通流辨別

不同地區不同用途的建筑內的客流交通都各不相同，同時，在同一座建筑內的客流信息的改變隨著時間的改變也會以一定的規律進行變化。對建筑物內的客流特征進行學習是為電梯群配以最恰當的派梯策略的基礎[8]。

一般來說，客流交通可以分為以下四種：

（1）上行高峰交通模式；（2）下行高峰交通模式；（3）層間交通；（4）空閑交通。

文章模擬對客流模式進行判別。將大樓內5分鐘的客流人數進行統計，將上行人數，下行人數，以及中間層活動人數進行統計。

進入乘客百分比u1：在5分鐘內，進入電梯的乘客占總乘客數的百分比。見式1。

（1）

進入乘客百分比u2：在5分鐘內，離開電梯乘客數占總乘客數的百分比。見式2。

（2）

層間乘客百分比u3：在5分鐘內，層間交通乘客占總乘客數的百分比。見式3。

（3）

相對交通強度u4：在5分鐘內，交通強度和進入最高峰交通強度的比值。見式4。

（4）

λin：5分鐘內，進入電梯的乘客人數。

λout：5分鐘內，離開電梯的乘客人數。

λinter：5分鐘內，層間乘客的人數。

HC：在5分鐘內，電梯群系統到達乘客人數和所載乘客數的百分比。在這里，取HC=97，即載客率為97%。endprint

當u4≤30時，此時交通強度大幅度降低，電梯處于空閑模式。若u4>30時，處于其他交通模式。若此時u1≥75，進入的乘客客流處于大幅度上升階段，故處于上行高峰模式，若u1<75，則處于其他交通模式。若此時u2≥70，離開的乘客客流處于大幅度上升階段，故處于下行高峰模式，若u2<70，則處于其他模式，也就是層間交通模式[9]。

2.3 模糊派梯原理

2.3.1 評價函數的建立。在電梯群控系統中，不同的調度策略會產生不同的調度結果，而調度策略的好壞取決于電梯的調度是否符合當前的交通流的情況。在現實中不同的調度側重的因素是各不相同的，我們需要將各種調度的側重點總結起來，然后用定量的方式，給予不同情況下不同的側重點一個重要程度的標準，也就是所謂的權重。最后將最后的結果相加，得到一個函數值，比較后，得出該種情況下最優的派梯策略[10]。

通常情況下，我們選用三個方面作為電梯群控系統評價：乘客的平均候梯時間（AWT）、平均乘梯時間（ART）、能源消耗（RPC）。

AWT：所有乘客候梯時間的平均值，

ART：平均乘梯時間也是描述電梯群控系統的重要指標。

RPC：電梯運行過程中的能耗狀況是衡量電梯是否節能高效的一個重要因素。

電梯的調度算法實際上是一個評價函數，綜合以上四個評價標準，可設定電梯的評價函數如式（5）所示：

（5）

Si：評價函數值，表示第i臺電梯響應某召喚信號的可信度。

SAWT：平均候梯時間短的隸屬度，其值越大說明候梯時間短的可能性越大。

SART：平均乘梯時間短的隸屬度，其值越大說明乘梯時間短的可能性越大。

SRPC：能源消耗低的隸屬度，其值越大說明電梯能源消耗低的可能性越大。

2.3.2 權系數的設定。根據系統不同的交通流中的客流特點及側重的評價條件情況，在這里擬出一份較為合理的評價函數的權系數值，如表1所示。

表1 評價函數的權系數

2.3.3 群控器輸入量的確定和計算。對于電梯系統來說，輸入量有很多，同時他們之間相關聯的量也很多，如何選取合適的輸入參量也是一個電梯群控制系統的關鍵問題。雖然不同的算法設計，選取不同的輸入量但最后的控制效果上都大同小異，唯一不同的就是算法策略的復雜程度不同而已[11]。在這里，我們介紹幾個納入計算的輸入量：

WT（廳層召喚候梯時間）：從某一廳層召喚信號產生計時，到被第i部電梯響應時乘客的候梯時間，其包括轎廂運行時間和轎廂停靠時間兩部分。見式6。

WT=運行時間+停車時間 （6）

其中，由于為了簡便，這里我們每臺電梯的設定運行時間和停車時間都相同，所以等待廳召信號時間的關鍵問題即是電梯所在樓層和廳呼信號產生樓層間的距離問題。

CV（電梯剩余容量）：相應某一廳呼信號后，某電梯的剩余容量。CV的值越大，則電梯對新召喚的響應能力越強，其值與乘客進出電梯的流量有關。在計算時，取轎廂的容量為額定容量的80%。在這里，我們電梯的額定重量為1500kg，則轎廂的容量為1200kg。見式7。

CV=（1200-x）/1200 （7）

x：電梯內的承重重量。

GD（集中度）：由于電梯相比于勻速運動時，在加速、減速運動消耗的能量更多。為了表示電梯接受的所有的召喚信號（包括內呼信號和外呼信號）和新產生廳呼信號的位置的密集程度，所以引入GD（集中度）的概念。這個指標是反應能耗的重要參考依據。見式8。

GD=mindistance/（4*floorhigh）=mindistance/16 （8）

min distance：是某外呼信號和某電梯要停靠的所有樓層站的最小的距離。

floorhigh：建筑物一層的高度。

2.4 模糊派梯控制算法的設計

2.4.1 群控器輸入量的確定和計算。廳層召喚候梯時間WT、電梯剩余容量CV、集中度GD模糊化如圖3所示。

圖3 廳層召喚候梯時間WT、電梯剩余容量CV、集中度GD模糊化

2.4.2 輸出模糊處理。將輸出模糊處理，平均候梯時間AWT的大小與用輸入變量WT、CV相關；由CV則可獲得平均乘梯時間ART的適應性[12]；能耗RPC則與WT、GD相關。AWT、ART和RPC的隸屬函數如圖4所示。

圖4 AWT、ART和RPC的隸屬函數

將評價標準AWT、ART和RPC的隸屬度用七個模糊變量“最大（VVL）、很大（VL）”、“大（L）”、“中（M）”、“小（S）”、“很小（VS）、最小（VVS）”表示。

3 系統硬件仿真

3.1 仿真參數

由于實驗條件限制，本次設計沒有用到實際電梯的模型，但是運用到了羅克韋爾自動化平臺以及三臺三相異步電動機以及直流測速電動機以及旋轉編碼器來模擬電梯運行的過程，本次模擬的參數設置如下：

（1）樓層數：4層；（2）每層樓的高度：4m；（3）運行速度：1m/s；（4）加減速加速度：1.5m/s2；（5）每臺電梯的額定負荷：1500kg（實際承重不能超過額定負荷的80%，即1200kg）；（6）拖動系統：曳引式升降，交流電動機拖動，機械齒輪傳動；（7）調速：變頻器（PowerFlex40）進行變頻調速，直流測速發電機作為檢測機構反饋，反饋電壓與轉速成正比關系；（8）控制器選擇ControlLogix 1756-5561。I/O模塊選擇ACN1794，Flex的I/O遠程模塊。模擬輸入與輸出分別選擇input CH0和output CH0，量程選擇-10-10V二進制補碼百分比。endprint

3.2 硬件框圖

系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件框圖

4 系統軟件設計

4.1 系統流程圖

本次設計使用的是由美國AB公司開發的RSLogix5000編程軟件。RSLogix5000是專門針對Logix5550系列處理器而生成的專用的編程開發環境。利用RSLogix5000編程軟件可以創建或者移除可執行代碼（如梯形圖，功能塊）；在線監控數據的變化；組態ControlLogix系統的I/O模塊和設備；組態控制器到控制的通訊；對Logix5550處理器編程，包括對運動控制編程。

本設計中的模糊派梯部分梯形圖如圖6所示。

4.2 組態界面設計設計

4.2.1 組態軟件簡介

組態軟件，又稱組態監控軟件系統軟件，譯自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition（數據采集與監視控制）。它是指一些數據采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。本次設計中將用到的是RSView32組態軟件，它是由羅克韋爾自帶的監控軟件，和硬件進行連接更方便。

4.2.2 組態畫面

圖7 系統登陸界面與系統主控界面

圖8 趨勢曲線與報警界面

5 結束語

通過建立一個虛擬的、抽象的電梯模型，明確了程序功能的劃分，將多個簡單的子程序發展完善了，將電梯調度的功能提出來作為一個單獨的、功能單一的核心程序的編制，方便了電梯調度的實現過程，體現了模塊化、標準化的編程思想。將模糊控制規則運用到系統中，通過改變不同權重以及參數，從而達到電梯快速響應的效果，并且不斷增加和完善單梯的功能。

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