基于模糊控制的电梯群控系统设计

付冬冬

摘 要：本设计基于罗克韦尔公司三层网络，采用ControlLogix系列PLC，模拟了电梯群控系统的控制。实现了单个电梯正常安全运行、交通模式智能选择、电梯的运行高度显示、超重报警等功能。同时，利用RSview32组态软件设计人机界面，实现电梯群各种功能的动态演示。论文以罗克韦尔PLC作为控制器，变频器作为执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，在罗克韦尔网络平台上搭建控制回路。在控制器中加入模糊控制规则，使厅呼信号产生时系统智能派梯，提高了电梯群服务质量。系统在满足简单的响应厅外、厅内召唤等电梯基本要求的基础上，从能耗、平均等待时间和平均候梯时间等方面对电梯服务进行改进和提高。相比传统的单片机、微型计算机以及DCS控制系统等，PLC具有成本低、稳定性高、便于操作的特点，本方案具有更高的安全性和稳定性以及实用价值。

关键词：模糊控制；电梯群控；智能算法；智能控制

引言

随着时代的进步，经济的发展以及人们生活水平的不断提高，高层建筑的数量也不断地增多，于是客运电梯、货载电梯等各式各样的电梯被投入使用，在一栋大楼内，往往需要安装多台电梯。如何使电梯高效、安全的运行，成为了人们越来越关注的问题。由于电梯交通客流变化的随机性以及电梯群控系统的不确定性、多目标性、扰动性、非线性和信息的不完备性等因素，没有办法建立被控对象的精确数学模型，也无法采用传统的控制方法很好地解决这些问题，这势必需要采用智能控制技术。作为智能控制技术之一的模糊控制技术，在解决非线性、不确定性等问题上具有很大的优势。

所谓电梯群控系统（EGCS：Elevator Group Control System），就是指将建筑物中的多部电梯依据大楼的功能及楼层人口分布状况划分出乘梯群（Elevator Group），再由微机控制系统，或者可编程控制器对电梯群的指令信号、内呼信号、外呼信号、进行统一的登记和管理，再根据系统设定的派梯策略和建筑物中的实际交通状况，得到最优派梯决策的控制系统[1]。从电梯控制的智能化角度讲，需要在电梯群的控制程序中采用先进的调度规则使被控电梯群有优质的服务质量，即在不同的交通情况下，使群控能够派出最适合的电梯响应呼叫。而评价电梯的综合因素包括乘客心理因素以及环境因素等，在本设计中可以对应到乘客候梯时间的长度、乘客乘梯时间的长度、能源消耗的作为评价函数，群控系统的作用即是对多个目标对象进行优化控制[2]。

1 电梯群控系统总体设计方案

1.1 电梯系统总体控制方案

系统以控制器ControlLogix为核心，应用以太网，选择变频器作为执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，构成闭环控制回路[3]。通过PLC的输入端输入内呼、外呼信号，以及交通流信息和重量检测信息，通过输出端发出的呼梯信号指示，运行方向指示，楼层信号指示，以及开关门停机控制等来控制电梯群的安全正常运行、报警、显示等功能。控制框图如下。

图1 PLC控制框图

1.2 电梯控制系统功能

基于模糊算法，将各个电梯的实时数据传输到模糊控制器中，群控器中根据已经设定的模糊化规则进行模糊处理，将处理后的数据，得到一个隶属度的输出后，根据不同交通流下的不同权值相乘，最后得到一个派梯函数的最终值[4]。

为了兼顾乘客的乘梯需求和电梯的运载能力及其能量损耗，能最大的满足系统的各项指标和要求，电梯群控系统索要纳入考虑的问题如下[5]：

（1）决策变量：即单位时间间隔内不同种类客流人数的百分比、各电梯的运行状态（运行方向、所在楼层、呼叫信号所在楼层等）。

（2）评价函数：即在在某种客流交通模式下，给予乘客平均候梯时间、乘客的平均乘梯时间、电梯能耗的不同权值相加后所组成的评价函数。

（3）客流交通模式：电梯的客流交通模式是由电梯群系统在某单位时间内，电梯上下行以及中间层的客流人数进行计算和辨别，它反映了电梯群控系统所处的交通状况[6]。

2 电梯群控系统原理

2.1 模糊控制的基本原理

该系统是在模糊控制数字化控制的基础上建立的，它的控制器叫做模糊控制器。该系统通过数字变量的输入、模糊量化处理、模糊控制规则、模糊推理（决策）、去模糊化处理进而输出完成整个过程[7]。如图2 所示。

图2 模糊推理流程图

2.2 交通流辨别

不同地区不同用途的建筑内的客流交通都各不相同，同时，在同一座建筑内的客流信息的改变随着时间的改变也会以一定的规律进行变化。对建筑物内的客流特征进行学习是为电梯群配以最恰当的派梯策略的基础[8]。

一般来说，客流交通可以分为以下四种：

（1）上行高峰交通模式；（2）下行高峰交通模式；（3）层间交通；（4）空闲交通。

文章模拟对客流模式进行判别。将大楼内5分钟的客流人数进行统计，将上行人数，下行人数，以及中间层活动人数进行统计。

进入乘客百分比u1：在5分钟内，进入电梯的乘客占总乘客数的百分比。见式1。

（1）

进入乘客百分比u2：在5分钟内，离开电梯乘客数占总乘客数的百分比。见式2。

（2）

层间乘客百分比u3：在5分钟内，层间交通乘客占总乘客数的百分比。见式3。

（3）

相对交通强度u4：在5分钟内，交通强度和进入最高峰交通强度的比值。见式4。

（4）

λin：5分钟内，进入电梯的乘客人数。

λout：5分钟内，离开电梯的乘客人数。

λinter：5分钟内，层间乘客的人数。

HC：在5分钟内，电梯群系统到达乘客人数和所载乘客数的百分比。在这里，取HC=97，即载客率为97%。endprint

当u4≤30时，此时交通强度大幅度降低，电梯处于空闲模式。若u4>30时，处于其他交通模式。若此时u1≥75，进入的乘客客流处于大幅度上升阶段，故处于上行高峰模式，若u1<75，则处于其他交通模式。若此时u2≥70，离开的乘客客流处于大幅度上升阶段，故处于下行高峰模式，若u2<70，则处于其他模式，也就是层间交通模式[9]。

2.3 模糊派梯原理

2.3.1 评价函数的建立。在电梯群控系统中，不同的调度策略会产生不同的调度结果，而调度策略的好坏取决于电梯的调度是否符合当前的交通流的情况。在现实中不同的调度侧重的因素是各不相同的，我们需要将各种调度的侧重点总结起来，然后用定量的方式，给予不同情况下不同的侧重点一个重要程度的标准，也就是所谓的权重。最后将最后的结果相加，得到一个函数值，比较后，得出该种情况下最优的派梯策略[10]。

通常情况下，我们选用三个方面作为电梯群控系统评价：乘客的平均候梯时间（AWT）、平均乘梯时间（ART）、能源消耗（RPC）。

AWT：所有乘客候梯时间的平均值，

ART：平均乘梯时间也是描述电梯群控系统的重要指标。

RPC：电梯运行过程中的能耗状况是衡量电梯是否节能高效的一个重要因素。

电梯的调度算法实际上是一个评价函数，综合以上四个评价标准，可设定电梯的评价函数如式（5）所示：

（5）

Si：评价函数值，表示第i台电梯响应某召唤信号的可信度。

SAWT：平均候梯时间短的隶属度，其值越大说明候梯时间短的可能性越大。

SART：平均乘梯时间短的隶属度，其值越大说明乘梯时间短的可能性越大。

SRPC：能源消耗低的隶属度，其值越大说明电梯能源消耗低的可能性越大。

2.3.2 权系数的设定。根据系统不同的交通流中的客流特点及侧重的评价条件情况，在这里拟出一份较为合理的评价函数的权系数值，如表1所示。

表1 评价函数的权系数

2.3.3 群控器输入量的确定和计算。对于电梯系统来说，输入量有很多，同时他们之间相关联的量也很多，如何选取合适的输入参量也是一个电梯群控制系统的关键问题。虽然不同的算法设计，选取不同的输入量但最后的控制效果上都大同小异，唯一不同的就是算法策略的复杂程度不同而已[11]。在这里，我们介绍几个纳入计算的输入量：

WT（厅层召唤候梯时间）：从某一厅层召唤信号产生计时，到被第i部电梯响应时乘客的候梯时间，其包括轿厢运行时间和轿厢停靠时间两部分。见式6。

WT=运行时间+停车时间 （6）

其中，由于为了简便，这里我们每台电梯的设定运行时间和停车时间都相同，所以等待厅召信号时间的关键问题即是电梯所在楼层和厅呼信号产生楼层间的距离问题。

CV（电梯剩余容量）：相应某一厅呼信号后，某电梯的剩余容量。CV的值越大，则电梯对新召唤的响应能力越强，其值与乘客进出电梯的流量有关。在计算时，取轿厢的容量为额定容量的80%。在这里，我们电梯的额定重量为1500kg，则轿厢的容量为1200kg。见式7。

CV=（1200-x）/1200 （7）

x：电梯内的承重重量。

GD（集中度）：由于电梯相比于匀速运动时，在加速、减速运动消耗的能量更多。为了表示电梯接受的所有的召唤信号（包括内呼信号和外呼信号）和新产生厅呼信号的位置的密集程度，所以引入GD（集中度）的概念。这个指标是反应能耗的重要参考依据。见式8。

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

min distance：是某外呼信号和某电梯要停靠的所有楼层站的最小的距离。

floorhigh：建筑物一层的高度。

2.4 模糊派梯控制算法的设计

2.4.1 群控器输入量的确定和计算。厅层召唤候梯时间WT、电梯剩余容量CV、集中度GD模糊化如图3所示。

图3 厅层召唤候梯时间WT、电梯剩余容量CV、集中度GD模糊化

2.4.2 输出模糊处理。将输出模糊处理，平均候梯时间AWT的大小与用输入变量WT、CV相关；由CV则可获得平均乘梯时间ART的适应性[12]；能耗RPC则与WT、GD相关。AWT、ART和RPC的隶属函数如图4所示。

图4 AWT、ART和RPC的隶属函数

将评价标准AWT、ART和RPC的隶属度用七个模糊变量“最大（VVL）、很大（VL）”、“大（L）”、“中（M）”、“小（S）”、“很小（VS）、最小（VVS）”表示。

3 系统硬件仿真

3.1 仿真参数

由于实验条件限制，本次设计没有用到实际电梯的模型，但是运用到了罗克韦尔自动化平台以及三台三相异步电动机以及直流测速电动机以及旋转编码器来模拟电梯运行的过程，本次模拟的参数设置如下：

（1）楼层数：4层；（2）每层楼的高度：4m；（3）运行速度：1m/s；（4）加减速加速度：1.5m/s2；（5）每台电梯的额定负荷：1500kg（实际承重不能超过额定负荷的80%，即1200kg）；（6）拖动系统：曳引式升降，交流电动机拖动，机械齿轮传动；（7）调速：变频器（PowerFlex40）进行变频调速，直流测速发电机作为检测机构反馈，反馈电压与转速成正比关系；（8）控制器选择ControlLogix 1756-5561。I/O模块选择ACN1794，Flex的I/O远程模块。模拟输入与输出分别选择input CH0和output CH0，量程选择-10-10V二进制补码百分比。endprint

3.2 硬件框图

系统硬件框图如图5所示。

图5 系统硬件框图

4 系统软件设计

4.1 系统流程图

本次设计使用的是由美国AB公司开发的RSLogix5000编程软件。RSLogix5000是专门针对Logix5550系列处理器而生成的专用的编程开发环境。利用RSLogix5000编程软件可以创建或者移除可执行代码（如梯形图，功能块）；在线监控数据的变化；组态ControlLogix系统的I/O模块和设备；组态控制器到控制的通讯；对Logix5550处理器编程，包括对运动控制编程。

本设计中的模糊派梯部分梯形图如图6所示。

4.2 组态界面设计设计

4.2.1 组态软件简介

组态软件，又称组态监控软件系统软件，译自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。本次设计中将用到的是RSView32组态软件，它是由罗克韦尔自带的监控软件，和硬件进行连接更方便。

4.2.2 组态画面

图7 系统登陆界面与系统主控界面

图8 趋势曲线与报警界面

5 结束语

通过建立一个虚拟的、抽象的电梯模型，明确了程序功能的划分，将多个简单的子程序发展完善了，将电梯调度的功能提出来作为一个单独的、功能单一的核心程序的编制，方便了电梯调度的实现过程，体现了模块化、标准化的编程思想。将模糊控制规则运用到系统中，通过改变不同权重以及参数，从而达到电梯快速响应的效果，并且不断增加和完善单梯的功能。

参考文献

[1]梁春燕，谢剑英.智能大厦中的电梯群控系统研究[J].测控技术，2000，19（3）：16-18.

[2]朱昌明，毕晓亮.电梯智能群控系统研究概况[J].电梯专刊，2003，1（6）：1-6.

[3]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安：西安工业大学出版社，1999，6-54

[4]李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制理论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版

社，1996，45-46

[5]M.L.Siikonen.Elevator traffic simulation.Simulation，1993（4）：257-26

[6]宗群，王朝阳，岳有军.电梯群控系统多口标模糊控制算法的设计[J].制造业自动化，2000，22（7）：23-24

[7]祁郁.基于模糊控制的电梯节能技术研究[J].沈阳建筑大学信息与控制学院，2009，9.

[8]C.Barney， S.M.Dos Santos， Elevator traffic analysis design and control [J].

[9]宗群，曹燕飞，曲照伟.电梯群控系统中智能控制方法[J].电气传动，1998.

[10]王国萍.多目标的电梯群控系统算法分析[J].控制理论与应用，2005，24（3）：6-8.

[11]杨祯山，邵诚.电梯群控技术的现状与发展方向[J].控制与决策，2005，20（12）：1321-1331.

[12]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学工业出版社，2007，6.endprint