电梯驱动的参数自动优化
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1 引言

  弗兰德集团罗尔公司是一个电气驱动生产商,生产的产品从0.1kw到10mw,包括了所有的电气及机械产品。

  罗尔公司的电机生产规模:45000台/年,容量范围:0.12kw~8000kw,总计1000mw/年。变频器生产规模:3000台/年(2kw~6000kw),总计100mw/年。其中dynavert-t电压型变频器,功率范围:2.2kw~710kw,适用于大部分应用场合,dynavert-i电流型变频器,功率范围:20kw~6mw,适用于化学工业、电站等大型 水泵,风机的调速; dynavert-l电压型变频器,功率范围:2kw~100kw,适用于电梯的传动; dynavert-xl为风力发电逆变器,功率范围: 1mw~4mw。

  变频器已经广泛的应用到电梯领域,使用变频器不仅可以实现节能,而且使电梯拥有更平滑的运行曲线,有效改善电梯的舒适感。为了简化设计,生产,接线和维护,许多生产厂家已经提供出多功能智能型变频器,它可以适用于任何电梯设备,不管电梯采用同步电机或是异步电机,有齿或是无齿,通过简单的参数调节和连线,变频器即可投入使用。

2 电梯用变频器

  由弗兰德集团罗尔公司生产的 dynavertl-05即为上述的多功能智能型变频器之一,它属于电压型变频器,它是驱动电梯的最佳选择(无论客梯还是货梯),硬件和软件的完美设计使其不仅可以四象限驱动,而且可以驱动永磁无齿同步电机或带变速箱的异步电机。独立的变频器可以随意安装于电梯控制柜内或者挂在墙体上。

  (1) 电梯用变频器的控制方式

  电梯用变频器的控制方式一般采用级联控制(cascade-control),内环为电流闭环控制,中间环为速度闭环控制,最外环为位置闭环控制。罗尔变频器的控制方式和通用变频器一样,电流环和转速环为pi控制器(比例积分控制器),而位置控制器为p控制器(比例控制器)。对于以上所有的控制器均有自己的参数,譬如控制器的放大倍数和积分时间。

  这些参数必须在电梯调试过程中通过经验来调节。当然这是很费时费工,并且需要有经验丰富的调试人员。而对于有些电梯,很难找到最佳的控制参数,就谈不上去实现系统的优化。针对以上问题,弗兰德集团罗尔公司开发出一套智能应用程序,在电梯调试时只需轻按一个按钮,电梯即可自动优化运行,并找到自己的最佳参数。该方法不仅适用于电梯控制参数的自动优化,而且也适用于其它弹性的双质量(two-masssystem)系统。

  dynavert-l变频器的控制方式采用级联控制(cascade-control),其控制框图如图1所示。内部为电流控制环,拥有控制参数vri(电流环pi控制器放大倍数)及tni(电流环pi-控制器的积分时间或误差归零时间),中间为速度控制环,拥有控制参数vrn,(转速环pi-控制器放大倍数)tnn(转速环pi控制器的积分时间或误差归零时间),最外层为位置控制环,拥有控制参数vri(位置环p控制器放大倍数)。

  (2) 电梯的参数调试

  以上的参数在电梯调试时,手动一般是这样调节的:首先按经验设定好vri及tni,然后调节vrn,电梯的吨位越大,则vrn的值应该调节的越大,vrn的值很小时,电梯控制系统的响应缓慢,电梯速度要经过很长时间才能达到额定的速度。当然vrn的值也不能无穷大,否则超过一定的值,整个系统将不再稳定。所以在调试的过程中要用经验寻找一个最佳的vrn。原则上tnn在此期间不需要改变,除非在调节vrn的过程中并不能找到最佳工作点(即系统能够很快的响应,同时系统还可以保持稳定),此时tnn越大,系统就越不容易出现超调,通过整个系统响应的速度变慢,从而来消除系统振荡。

  最外层的位置控制闭环的控制参数vrl,在制动器打开的200ms之后开始起作用,使轿厢能够保持当前的位置。vrl在的大小将直接影响位置控制,如果它的值太大,在电梯起动时将会给整个系统带来振荡,如果太小,整个轿厢在起动前将会明显感觉先向下滑落,然后再起动。所以对于vrl,也需要一个优化值。

3 电梯参数的自动优化设计

  所有参数优化的目的是电梯实际的运行曲线尽可能的与事先制定的运行曲线相符,这样才能尽可能的提高电梯的舒适感和缩短运行时间。然而以上参数如果用人工调试,即使是经验丰富的调试人员,也相当费时费工。而对于一些电梯,很难找到最佳的控制参数,因为这些参数的确定取决于很多因素,诸如:电梯的自身结构,楼层的高度,电梯吨位等等。针对以上问题罗尔公司开发出一个智能应用软件,在电梯调试时只需轻按一个按钮,电梯即可自动运行,找到自己的最佳参数。而对于那些根本找不到最佳工作参数电梯,使用该软件可自动对系统进行优化,从而使电梯的实际运行曲线在最大范围内与设定运行曲线相吻合,而且在不影响电梯稳定性的前提下,提高电梯的舒适感和缩短运行时间。该方法不仅适用于电梯控制,而且也适用于弹性(软性)的双质量(two-masssystem)系统。

  (1) 建立电梯模型

  要优化参数,首先是建立电梯模型。电梯结构如图2所示。首先因为位于轿厢和配重之间的钢丝绳和钢丝绳两端的弹簧,以及位于曳引机和地板之间的橡胶垫在电梯起动及制动运行中起到缓冲作用。其次由于这些弹性系统的存在,对整个电梯的控制受到了极大的影响,使电梯不能按如图3所示的简单的传统模型来考虑。因此要考虑对电梯控制参数的最佳优化,必须现建立正确及完整的电梯模型。

  通过罗尔公司的实验表明,发现电梯无论是使用永磁同步无齿电机,还是异步有齿电机的都是一个弹性双质量系统(two-masssystem)。实际的电梯控制系统模型如图4所示。

  假设0(z)(自身具有的频率)远远小于d(整个系统,考虑被控对象,即双质量的自身频率)参见图5,双质量系统(two-masssystem)的伯德图。目前对于使用pi-控制器的弹性双质量系统(two-masssystem)的参数的精确优化在世界上还是一个空白(有资料表明,以前所提供的优化方案,是非常粗略的优化),除非使用状态控制理论来对弹性的双质量系统two-masssystem进行精确控制及参数优化。

  (2) 智能应用程序的开发

  罗尔公司新开发出的智能应用程序的主要思路是:

  在启动后,首先应用经典控制理论使用绝对值优化法(betrag optimium)对电流环pi-控制器的两个参数进行优化。

  其次使用罗尔公司发明的面积优化法对速度环的pi-控制器的2个参数进行优化。

  然后再使用绝对值优化法(betrag optimium)对电流闭环p-控制器的一个参数进行优化。

  对于前边所涉及的根本找不到最佳参数的电梯,将由智能软件根据预控制(vorsteuerung)来改善电梯对运行曲线的跟随性能。从而达到最佳的控制效果。

4 优化后的实际运行效果

  整个优化过程将只通过简单的按下一个按钮来实现,优化的时间大概是5min,优化完毕后,优化的参数将自动存储并作为该电梯的标准参数来应用。过一段时间,如果通过电梯器件的老化带来的最优化参数的改变(譬如橡胶垫,或是钢丝绳,或钢丝绳之间的弹簧老化),可以简单的再按一下按钮,系统将重新根据电梯的最新状况自动优化。罗尔公司在该电梯领域参数自动优化的研究将为弹性的双质量系统(two-masssystem)使用经典控制理论进行控制提供坚实的理论及实践的基础。

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