基于FSM的電梯控制算法設(shè)計(jì)與仿真

范有機(jī)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著電梯數(shù)量增多，面向電子信息專業(yè)招聘電梯技術(shù)員的崗位增加，教學(xué)內(nèi)容未涉及電梯控制方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)室也沒有教學(xué)電梯模型，觀察實(shí)體電梯運(yùn)行過程不便且可能影響其正常運(yùn)行帶來危險(xiǎn)，學(xué)生自學(xué)電梯控制算法難度大，需電梯控制算法的引導(dǎo)，以鍛煉學(xué)生的邏輯思維和擴(kuò)大就業(yè)渠道。電梯控制系統(tǒng)是典型的復(fù)雜信息控制系統(tǒng)，電梯在呼叫信息的驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作，類似游戲機(jī)按鍵控制人物等對(duì)象進(jìn)程，適合用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）思想建模。有限狀態(tài)機(jī)(Finite-state machine,FSM),又稱有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī),簡稱狀態(tài)機(jī)[1]，在確定事件或指令觸發(fā)下,從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移至另一狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)狀態(tài)下的動(dòng)作[2-3]，本文基于FSM思想進(jìn)行電梯控制算法建模，并利用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于FSM的電梯控制算法設(shè)計(jì)

電梯控制算法有先來先服務(wù)算法、掃描算法、最短尋找樓層時(shí)間優(yōu)先算法、LOOK算法、SATF算法等算法[4]，其中掃描算法（SCAN）為方向優(yōu)先控制方式[5-6]，在運(yùn)行過程中優(yōu)先響應(yīng)與電梯運(yùn)行方向相同的呼叫，與電梯運(yùn)行方向相同的呼叫在一次上行或下行的過程中完成，較好的解決了電梯頻繁移動(dòng)問題，效率較高，適合樓層不高單個(gè)電梯的控制方式[7]。本文以4層電梯為例，采用FSM為方向優(yōu)先控制方式的掃描算法建模。

根據(jù)電梯工作情況，把電梯狀態(tài)分為待機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、開門狀態(tài)和關(guān)門狀態(tài)4個(gè)狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)指向上或向下的運(yùn)行狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖1所示；圖中最遠(yuǎn)端呼叫層，是指運(yùn)行方向上最遠(yuǎn)的呼叫層，例如圖2，時(shí)間秩序?yàn)閠1～t13，圖中[t4,t10]表示第2層在t4時(shí)刻和t10時(shí)刻開門，i5-Δt表i5時(shí)刻前，設(shè)電梯在1層待機(jī)，t1時(shí)刻2層按下向上呼叫，電梯i1時(shí)刻向上運(yùn)行至i4時(shí)刻到達(dá)2層，期間t2時(shí)刻，2層按下向下的呼叫，t2時(shí)刻最遠(yuǎn)端呼叫層為第2層，t3時(shí)刻，4層按下向下呼叫，t3時(shí)刻第4層就為向上最遠(yuǎn)端的呼叫層，到達(dá)2層后開門并清除本層向上呼叫標(biāo)志，用戶入梯按下至3層按鈕，t5時(shí)刻關(guān)門向上運(yùn)行，至第3層開門清除3層呼叫標(biāo)志，關(guān)門后至4層，第4層進(jìn)來的人呼叫到第1層，清除向下的呼叫信號(hào)電梯反向向下運(yùn)行，3層無呼叫，3層不停站，t10至2層，開門后清除t2第2層向下的呼叫標(biāo)志，電梯關(guān)門至1層，開關(guān)門并清除呼叫標(biāo)志，運(yùn)行過程中只為同向呼叫層或最遠(yuǎn)端呼叫層停站并開門和關(guān)門。

圖1 電梯工作狀態(tài)圖Fig.1 Elevator working state diagram

圖2 電梯工作過程示例圖Fig.2 Example diagram of elevator working process

狀態(tài)觸發(fā)條件（Trigger condition，Tr）及執(zhí)行動(dòng)作（Perform actions，Pe）如表1所示。其中“—”表無條件或無動(dòng)作，不符合停站條件指：未平層，或不是內(nèi)呼叫層，或該層無呼叫，或非同向外呼，或非最遠(yuǎn)端呼叫層；停站條件指：平層，該層有同向外部呼叫，或該層為內(nèi)呼叫層，或?yàn)樽钸h(yuǎn)端呼叫層。

表1 狀態(tài)觸發(fā)條件及執(zhí)行動(dòng)作表Tab.1 State trigger condition and execution action table

2 基于力控組態(tài)軟件的仿真模型設(shè)計(jì)

力控組態(tài)軟件提供了大量的圖形對(duì)象、控件及位圖，以及易于上手的控制腳本[8]，其最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”進(jìn)行系統(tǒng)集成，并提供良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的工程實(shí)踐方法[9-10]。為驗(yàn)證并形象展示算法，利用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 界面設(shè)計(jì)

利用力控組態(tài)軟件中的各種圖像和動(dòng)畫逼真展現(xiàn)電梯工作過程，選擇圖形模擬內(nèi)外呼叫按鈕、電梯廂門、各層層門，定義數(shù)據(jù)變量模擬電梯各種參數(shù)的變化，并將這些變量與對(duì)應(yīng)圖形連接，當(dāng)控制程序運(yùn)行時(shí)就可以形象展示和驗(yàn)證算法，4層電梯仿真界面如圖3所示。

圖3 電梯仿真界面Fig.3 Elevator simulation interface

2.2 電梯控制程序流程圖

2.2.1 數(shù)組保存、處理呼叫信息

用數(shù)組保存、處理呼叫信息，數(shù)組有序與樓層有序?qū)?yīng)，用4個(gè)數(shù)組保存外呼上、外呼下、樓層內(nèi)呼、綜合（內(nèi)外）呼叫，層號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)組下標(biāo)號(hào)的個(gè)位，按下呼叫，對(duì)應(yīng)數(shù)組位為1，否則為0，其中1層沒有外呼下，為了統(tǒng)一處理，其對(duì)應(yīng)元素置常數(shù)0，4層外呼上置0，綜合呼叫為外呼上、外呼下、樓層內(nèi)呼三者進(jìn)行邏輯“或運(yùn)算”，詳見表2；其他參數(shù)用變量模擬。

表2 呼叫與對(duì)應(yīng)數(shù)組元素映射表Tab.2 Call and corresponding array element mapping table

設(shè)所在樓層整形變量為flr，取值范圍1～4，綜合呼叫數(shù)組4個(gè)元素為zh[41]～zh[44]，求兩個(gè)方向上最遠(yuǎn)端呼叫層，向下為minf，向上為maxf的函數(shù)如下：

利用數(shù)組可以方便提取呼叫信息，進(jìn)而方便控制電梯運(yùn)行。

2.2.2 主流程圖、待機(jī)狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)流程圖

FSM算法采用switch語句現(xiàn)實(shí)，switch開關(guān)語句專門處理多路分支（對(duì)應(yīng)多個(gè)狀態(tài)）的情形，能使使程序變得簡潔，主流程圖如圖4所示，Pe表執(zhí)行動(dòng)作（Perform actions）；待機(jī)狀態(tài)流程圖如圖5所示，主要等待呼叫信息及確定運(yùn)行方向；運(yùn)行狀態(tài)流程圖如圖6所示，主要執(zhí)行上升與下降操作，并在平層時(shí)判斷是否滿足停站條件，滿足轉(zhuǎn)開門狀態(tài)，停站條件：該層有同向外部呼叫或該層為內(nèi)呼叫層或?yàn)樽钸h(yuǎn)端呼叫層。

圖4 四層電梯控制主流程Fig.4 Four floor elevator control main flow

圖5 待機(jī)狀態(tài)流程圖Fig.5 Flow chart of standby state

圖6 運(yùn)行狀態(tài)流程圖Fig.6 Flow chart of running state

2.2.3 開門狀態(tài)及關(guān)門狀態(tài)流程圖

開門狀態(tài)流程圖如圖7所示，主要重先定向及打開廂門和對(duì)應(yīng)層門，開門前重先定向，為了提示乘客登梯，比如內(nèi)呼有人請(qǐng)求到3層，電梯從2層到3層運(yùn)行途中，3層有人按外呼向下請(qǐng)求，其它層沒有呼叫，電梯到3層時(shí)停站，開門前重先定向，原來上升就改為向下，以提示乘客登梯；關(guān)門狀態(tài)流程圖如圖8所示，主要響應(yīng)開門和關(guān)門請(qǐng)求，若沒有開門和關(guān)門請(qǐng)求電梯延時(shí)一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)門，關(guān)門后若有同向它層呼叫，直接轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)門后若沒有同向它層呼叫，延時(shí)一段時(shí)間，等待用戶按下內(nèi)呼請(qǐng)求，把用戶送至欲往樓層，若延時(shí)時(shí)間到，沒有同向它層呼叫，轉(zhuǎn)待機(jī)狀態(tài)。開門和關(guān)門為互斥關(guān)系，不能同時(shí)有效。

圖8 關(guān)門狀態(tài)流程圖Fig.8 Flow chart of closing state

3 總結(jié)

用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）思想設(shè)計(jì)了一種四層電梯控制算法模型，并利用力控組態(tài)軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；并給出了詳細(xì)的模型和流程圖，特別是開門和關(guān)門控制過程。本文的研究工作，對(duì)于改善以往學(xué)生設(shè)計(jì)電梯控制算法時(shí)，往往無處參考開門和關(guān)門控制流程的不足，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。