摘 要：對(duì)手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性與控制方法進(jìn)行分析具有重要的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)傳統(tǒng)手扶電梯控制方法的不足，文章提出一種基于模糊自適應(yīng)PI控制的手扶電梯控制方法。首先對(duì)手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(biāo)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整控制器的參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)手扶電梯的平穩(wěn)控制，為手扶電梯的平穩(wěn)運(yùn)行提供了可靠保證。

關(guān)鍵詞：手扶電梯；動(dòng)態(tài)特性；控制方法

引言

隨著城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，各個(gè)城市中的大型商場(chǎng)和超市越來(lái)越多，手扶電梯作為商場(chǎng)和超市的重要部分，也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。手扶電梯具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行等特點(diǎn)，但是在運(yùn)行的過(guò)程中，由于載客數(shù)量的不同，受到機(jī)械振動(dòng)的電機(jī)啟停的影響，因此，輸出負(fù)載具有較強(qiáng)的時(shí)變性，工況復(fù)雜[2]。這就降低了顧客的體驗(yàn)度，因此，需要對(duì)手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性和控制方法進(jìn)行分析，從而為手扶電梯的改進(jìn)提供準(zhǔn)確依據(jù)。手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性與控制方法的分析方法，已經(jīng)成為當(dāng)前電梯領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)研究課題，受到了很多學(xué)者的關(guān)注[3]。

通常情況下，對(duì)手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性與控制方法的分析主要是根據(jù)測(cè)量的相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性分析與控制的過(guò)程中，需要對(duì)手扶電梯的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行線性化處理，因?yàn)槭址鲭娞莸妮敵鎏匦跃哂休^強(qiáng)的非線性和時(shí)變性特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行線性化處理能夠降低運(yùn)算量，提高手扶電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性分析與控制方法在手扶電梯領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，因此發(fā)展前景十分廣闊，并成為該領(lǐng)域很多專(zhuān)家研究的重點(diǎn)課題。

利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性分析與控制的過(guò)程中，無(wú)法避免由于手扶電梯復(fù)雜工況造成的非線性和時(shí)變性的影響，從而降低了手扶電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此，提出一種基于迷糊自適應(yīng)PID的手扶電梯動(dòng)態(tài)特性分析與控制方法。文章重點(diǎn)對(duì)手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，并探討了模糊自適應(yīng)PID對(duì)手扶電梯的控制方法。

1 手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 手扶電梯的結(jié)構(gòu)原理

手扶電梯是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪組、導(dǎo)鏈、扶手、傳感器、內(nèi)欄和階梯等部分構(gòu)成。手扶電梯的工作原理是，當(dāng)手扶電梯運(yùn)行時(shí)，兩根導(dǎo)鏈圍繞兩組齒輪組做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在手扶電梯的頂部，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪組配合帶動(dòng)導(dǎo)鏈。一般的手扶電梯的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率在100馬力左右，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)鏈系統(tǒng)都被安置在框架內(nèi)，手扶電梯的框架是金屬結(jié)構(gòu)，是連接兩層樓的中間部分，手扶電梯在運(yùn)行的過(guò)程中移動(dòng)的是臺(tái)階，臺(tái)階在手扶電梯移動(dòng)的過(guò)程中保持水平，臺(tái)階之間彼此交錯(cuò)，從而使顧客更容易上下手扶電梯。

1.2 手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性

手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性主要指手扶電梯在水平方向和垂直方向的運(yùn)行狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)或者停止時(shí)，手扶電梯會(huì)受到機(jī)械傳動(dòng)的作用而發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)是衡量手扶電梯穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，雖然手扶電梯在運(yùn)行的過(guò)程中比較平穩(wěn)，對(duì)顧客的舒適度體驗(yàn)不會(huì)造成影響，但如果振動(dòng)力較大時(shí)，就會(huì)降低顧客對(duì)手扶電梯的舒適度體驗(yàn)。因此，振動(dòng)是手扶電梯在運(yùn)行過(guò)程中的主要?jiǎng)討B(tài)特性。

手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性體現(xiàn)在無(wú)激勵(lì)共振和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫共振引起的振動(dòng)方面，其中無(wú)激勵(lì)共振的強(qiáng)度與時(shí)間成反比例關(guān)系，穩(wěn)態(tài)共振伴隨著整個(gè)手扶電梯的運(yùn)行過(guò)程。在手扶電梯運(yùn)行的初期階段，由于這兩種共振都存在，因此，手扶電梯的穩(wěn)定性較差。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，手扶電梯只剩下穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫共振，此時(shí)手扶電梯一直保持一定的共振，因此，為了降低共振，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

2 手扶電梯的穩(wěn)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(jī)在啟動(dòng)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(gè)需要研究的核心問(wèn)題。在手扶電梯空載運(yùn)行的過(guò)程中，其加速度變化的變化率是一個(gè)正弦函數(shù)[4]，在負(fù)載運(yùn)行的過(guò)程中，其加速的變化率將會(huì)發(fā)生突變，這就會(huì)對(duì)手扶電梯的運(yùn)行帶來(lái)一定的沖擊，因此，文章將以手扶電梯的加速度作為控制對(duì)象。模糊自適應(yīng)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(duì)值|E|和加速度變化率偏差的絕對(duì)值|EC|這兩個(gè)值作為控制目標(biāo)，通過(guò)不斷調(diào)整PID控制器的參數(shù)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(wěn)定的運(yùn)行。具體的手扶電梯控制方法如下所述：

（1）模糊自適應(yīng)PID控制器控制參數(shù)的確定。文章中的模糊自適應(yīng)PID控制器的參數(shù)的數(shù)量分別為E、EC和KP、KI、KD這5個(gè)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(yīng)PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)比例、微分和積分系數(shù)，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(shù)。首先，需要對(duì)手扶電梯的上述5個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，將具體的輸入變量轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的隸屬度函數(shù)。手扶電梯控制系統(tǒng)的輸入量變量和輸出量的模糊論域如下所述：

對(duì)于手扶電梯加速度控制誤差E的模糊論域?yàn)閧-4，-2，-1，0，1，2，4}，其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值分別為{NB（負(fù)向最大值），NM（負(fù)向較大值），NS（負(fù)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?yàn)閧-4，0，4}，相其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值分別為{N（負(fù)向值），Z（零），P（正向值）}；

對(duì)于迷糊自適應(yīng)PID控制器的三個(gè)參數(shù)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(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值分別為{SS（負(fù)向最大值），SM（負(fù)向較小值），SB（負(fù)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(shí)驗(yàn)表明，利用上述語(yǔ)言值，能夠?qū)κ址鲭娞莸膮?shù)進(jìn)行模糊自適應(yīng)控制。

（3）手扶電梯控制的模糊控制規(guī)則。模糊自適應(yīng)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(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以還歸納出以下的手扶電梯的模糊控制規(guī)則：當(dāng)加速度的控制誤差為負(fù)向最大時(shí)，加速度變換率為負(fù)向時(shí)，加速度的控制誤差會(huì)越來(lái)越大，為了降低當(dāng)前的加速度控制誤差，此時(shí)需要對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制器的控制量取正向最大值；當(dāng)加速度控制誤差為負(fù)向而加速度變化率為正向時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的控制誤差有降低的趨勢(shì)，為了消除加速度的控制誤差，此時(shí)需要取較小的控制量；當(dāng)加速度的誤差為負(fù)向時(shí)，此時(shí)手扶電梯運(yùn)行的比較穩(wěn)定，假設(shè)加速度的誤差變化為負(fù)向時(shí)，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(shè)加速度的控制誤差為正向時(shí)，此時(shí)應(yīng)選取控制量為0或者負(fù)向最小值。

利用上述方法進(jìn)行手扶電梯控制的過(guò)程中，模糊自適應(yīng)PID控制器只需要根據(jù)對(duì)應(yīng)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(gè)控制變量分別進(jìn)行模糊化并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言值，并通過(guò)模糊自適應(yīng)控制規(guī)則對(duì)KP、KI和KD進(jìn)行計(jì)算并作為手扶電梯模糊自適應(yīng)PID控制器的控制參數(shù)，其輸出量即為手扶電梯加速度的控制量。手扶電梯的驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)加速度控制量的變化對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，從而獲得穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前手扶電梯在控制方面存在的不足，文章就手扶電梯的動(dòng)態(tài)特性與控制方法進(jìn)行了探討。提出利用模糊自適應(yīng)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(duì)值作為控制目標(biāo)，從而減少了手扶電梯運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，使手扶電梯得到更平穩(wěn)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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