基于呼叫識(shí)別的電梯高速模式控制策略

申輝陽(yáng)

(廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515)

0 引言

高層及超高層建筑在城市中不斷崛起，使得垂直交通問(wèn)題變得越來(lái)越突出。這些超高層建筑極大地依賴于龐大的電梯系統(tǒng)，電梯用戶除了對(duì)安全性和舒適性的要求外，對(duì)電梯的運(yùn)行效率、各種服務(wù)質(zhì)量(如候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間等)、以及電梯的綠色節(jié)能問(wèn)題也提出了更高的要求［1，2］，因此必須提高電梯的運(yùn)行速度，高速電梯的使用也越來(lái)越普及。由于電梯的高速運(yùn)行，轎車的啟動(dòng)與停止都有一個(gè)較長(zhǎng)的加減速過(guò)程，如何來(lái)保證停車的平穩(wěn)與準(zhǔn)確就顯得十分重要。各種電梯控制策略相繼提出［3］。

本文首次提出了一種建立在以層為基礎(chǔ)的電梯運(yùn)行的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)呼叫識(shí)別，區(qū)分電梯的本層呼叫、上層呼叫和下層呼叫，利用呼叫識(shí)別的結(jié)果來(lái)進(jìn)行定向與停層控制，并預(yù)先檢測(cè)停層信號(hào)，切換到低速，為停層做好準(zhǔn)備的一種簡(jiǎn)單、可靠、通融性好的一種的高速電梯控制策略。應(yīng)用此控制策略，將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)電梯系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為靜態(tài)處理，使得高速電梯的控制變得簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)學(xué)模型

分別將電梯所有的呼叫和各電梯所處的層按照樓層順序分別組成二進(jìn)制數(shù)，有信號(hào)的層為“1”，無(wú)信號(hào)的層為“0”，這樣就把呼叫和樓層的狀態(tài)以數(shù)據(jù)的形式保存起來(lái)，且數(shù)據(jù)自動(dòng)跟隨呼叫和樓層狀態(tài)的改變而改變。以8層3電梯群為例，假如電梯某時(shí)刻的狀態(tài)如表1所示，1號(hào)電梯處在6樓，則1號(hào)電梯所處樓層組成的8位二進(jìn)制數(shù)“00100000”;1號(hào)電梯的第四、五、七層有內(nèi)呼叫，則1號(hào)電梯內(nèi)呼叫組成的8位二進(jìn)制數(shù)“01011000”;第一、四、六、七層有外上呼叫，則外上呼叫8位二進(jìn)制數(shù)“01011001”。其余以此類推［4］。

如果樓層高于8層而不超過(guò)16層，可以采用16位模式，各狀態(tài)組成16位二進(jìn)制數(shù)。

如果樓層太高，則按照樓層順序組成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位數(shù)太高不便于計(jì)算與處理，為此對(duì)高層電梯采用位與字相結(jié)合的處理方式，如果用16位模式采用位字結(jié)合方式建模可以處理高達(dá)256層系統(tǒng)［5］。這樣就可以得到高層電梯群控系統(tǒng)的二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型。

表1 群控電梯二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型

2 呼叫識(shí)別

內(nèi)呼叫、外上呼叫和外下呼叫的區(qū)分是靠呼叫按鈕區(qū)分，通過(guò)呼叫的登記與消除將不同的呼叫類型保存在不同的數(shù)據(jù)寄存器里，如表1所示。為了便于控制，需進(jìn)一步將電梯的各種呼叫區(qū)分是本層呼叫、上層呼叫還是下層呼叫，共9種呼叫狀態(tài)，電梯的各種呼叫狀態(tài)歸類如表2所示。

電梯群中每臺(tái)電梯的呼叫狀態(tài)都需要區(qū)分。利用前面的數(shù)學(xué)模型，將電梯的各種呼叫狀態(tài)與電梯當(dāng)前所處的樓層進(jìn)行比較運(yùn)算，可識(shí)別出電梯的各種呼叫狀態(tài)。如要識(shí)別1號(hào)電梯是否有本層內(nèi)呼叫，只要將1號(hào)電梯所處的樓層組成的二進(jìn)制數(shù)與1號(hào)電梯內(nèi)呼叫組成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，再判斷結(jié)果是否為“0”，如果結(jié)果為“0”表示無(wú)本層內(nèi)呼叫，結(jié)果不為“0”表示有本層內(nèi)呼叫。各類呼叫的具體識(shí)別方法參考文獻(xiàn)［2］，對(duì)于高層電梯，采用字位結(jié)合方式，呼叫的具體識(shí)別方法參考文獻(xiàn)［5］。

表2 電梯的各種呼叫狀態(tài)

呼叫狀態(tài)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)的，如電梯處在2樓時(shí)，3樓的呼叫是上呼叫，當(dāng)電梯運(yùn)行到3樓后，3樓的呼叫就變成了本層呼叫，呼叫識(shí)別不需考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程，而識(shí)別結(jié)果卻能動(dòng)態(tài)反應(yīng)其變化。

3 高速模式控制策略

3.1 定向控制

運(yùn)行方向狀態(tài)分為三種:上行、下行、暫停。任何時(shí)刻，運(yùn)行定向的三種狀態(tài)只能處于其中的一種。

電梯有上層呼叫就置上行狀態(tài)，一旦進(jìn)入上行狀態(tài)后，電梯一直處于上行狀態(tài)，直到?jīng)]有上層呼叫為止;電梯有下層呼叫就置下行狀態(tài)，一旦進(jìn)入下行狀態(tài)后，電梯一直處于下行狀態(tài)，直到?jīng)]有下層呼叫為止。

上行的條件是有本層上呼或上層呼叫，具體來(lái)說(shuō)就是:有本層內(nèi)呼、本層外上呼、上層內(nèi)呼、上層外上呼、上層外下呼5種呼叫中的任意一種即可。下行的條件是有本層下呼或下層呼叫，具體來(lái)說(shuō)就是:有本層內(nèi)呼、本層外下呼、下層內(nèi)呼、下層外下呼、下層外上呼5種呼叫中的任意一種即可。根據(jù)前面的呼叫識(shí)別，各種呼叫狀態(tài)容易得出，利用呼叫識(shí)別的結(jié)果，電梯的定向控制易于實(shí)現(xiàn)。定向控制流程圖如圖1所示。

3.2 升降與停層控制

電梯響應(yīng)呼叫后轎車停層(平層)讓人進(jìn)出，當(dāng)關(guān)好門后再次上升與下降去響應(yīng)其它呼叫的過(guò)程就是電梯升降，將升降分為三種狀態(tài):上升、下降、停層。任何時(shí)刻，升降的三種狀態(tài)只能處于其中的一種。

電梯在上行狀態(tài)中，只要關(guān)好門后就上升，上升過(guò)程中，只要有本層內(nèi)呼叫或本層外上呼叫就停層，然后開(kāi)關(guān)門處理，并消除本層內(nèi)呼叫和本層外上呼叫，關(guān)好門后，如果還是上行狀態(tài)就繼續(xù)上升。

電梯在下行狀態(tài)中，只要關(guān)好門后就下降，下降過(guò)程中，只要有本層內(nèi)呼叫或本層外下呼叫就停層，然后開(kāi)關(guān)門處理，并消除本層的內(nèi)呼叫和本層外下呼叫，關(guān)好門后，如果還是下行狀態(tài)就繼續(xù)下降。

通過(guò)定向控制已經(jīng)判斷出電梯是上行、下行還是停層狀態(tài)。根據(jù)前面的呼叫識(shí)別能得出是否有本層上呼叫(本層內(nèi)呼叫和本層外上呼叫)以及是否有本層下呼叫(本層的內(nèi)呼叫和本層外下呼叫)，這樣很容易控制電梯的升降與停層。

高速運(yùn)行時(shí)，要使電梯平穩(wěn)停層，必須在達(dá)到平層位置時(shí)提前減速，如果直接利用監(jiān)測(cè)到的平層信號(hào)來(lái)停層，勢(shì)必要求電梯從上升或下降立即停止，這樣就會(huì)給乘坐電梯的人感到不適，因此需要提前檢查平層信號(hào)。如果能夠提前一層判斷出平層信號(hào)，監(jiān)測(cè)到平層信號(hào)后就開(kāi)始減速，就能解決電梯高速模式的平穩(wěn)停層問(wèn)題。

電梯高速模式升降與停層控制流程圖如圖2所示。注意停層時(shí)，只有轎車正真平層后才能停下來(lái)。

圖1 定向控制流程圖

圖2 升降與停層控制流程圖

利用表1形式的數(shù)學(xué)模型判斷由本層呼叫產(chǎn)生的平層信號(hào)很容易［4，5］，但無(wú)法判斷上一層或下一層有呼叫，即無(wú)法提前判斷平層信號(hào)。對(duì)呼叫信號(hào)進(jìn)行移位處理，用移位后到虛擬呼叫來(lái)代替的實(shí)際呼叫來(lái)，進(jìn)行本層呼叫識(shí)別運(yùn)算處理就可得出是否有上一層或有下一層呼叫。

采用表3所示的數(shù)學(xué)模型，電梯在某時(shí)刻的狀態(tài)如表3所示，以外上呼叫為例，要判斷是否有本層外上呼叫，只要將電梯所處樓層數(shù)D1和實(shí)際外上呼叫數(shù)D3進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，再判斷運(yùn)算結(jié)果是否為0，如果結(jié)果不為零說(shuō)明有本層外上呼叫，如果結(jié)果為0，說(shuō)明沒(méi)有本層外上呼叫。要判斷是否有上一層呼叫的方法是先將實(shí)際外上呼叫向右移動(dòng)一位，得到虛擬外上呼叫數(shù)據(jù)D11，如表3所示，然后將數(shù)據(jù)D11和電梯所處樓層數(shù)D1進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，再判斷運(yùn)算結(jié)果是否為0，如果結(jié)果不為零說(shuō)明有上一層外上呼叫，如果結(jié)果為0，說(shuō)明沒(méi)有上一層外上呼叫。判斷流程如圖3所示。判斷是否有下呼叫的方法類似，只是將實(shí)際呼叫左移。

表3 高速模式處理的數(shù)學(xué)模型

如圖3所示，提前一層檢測(cè)上層的呼叫狀態(tài)，將是否有上一層呼叫的信息保存下來(lái)，為停層做好準(zhǔn)備。轎車每到平層位時(shí)進(jìn)行檢查，后次檢測(cè)的結(jié)果自動(dòng)刷新保存的值。電梯在上行狀態(tài)時(shí)，在上升過(guò)程中或者停層后，發(fā)現(xiàn)有上一層呼叫，自動(dòng)將電梯切換到低速模式(停層模式)，為就停層做好準(zhǔn)備，只有在低速模式下遇到本層呼叫才會(huì)停層。

圖3 判斷上一層有外上呼叫的控制流程

3.3 準(zhǔn)確停層的解決方案

根據(jù)上面的情況分析，實(shí)際上就是電梯提前一層就開(kāi)始切換到低速，并實(shí)現(xiàn)停層。在低速下電梯才能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確停層。采用這種方式同時(shí)解決了電梯快要到平層位時(shí)，響應(yīng)突然出現(xiàn)本層呼叫信號(hào)，如果在這種情況下響應(yīng)本層呼叫停層，就會(huì)出現(xiàn)急停或停層不到位的情況，因此對(duì)這種情況不需停層。如果提前一層就檢測(cè)了是否需停層，在上升過(guò)程中過(guò)了檢測(cè)區(qū)(平層區(qū))后出現(xiàn)的上一層呼叫只登記而不給予響應(yīng)，這樣就能避開(kāi)了突然停層的問(wèn)題，對(duì)于非高速電梯，采用這樣的控制方法也可避免突然停層的情況。

提前一層就進(jìn)入停層過(guò)程解決了準(zhǔn)確停層的問(wèn)題，但過(guò)早地切換到低速模式，勢(shì)必影響到系統(tǒng)響應(yīng)速度。為解決這個(gè)矛盾，以上行為例，可將上一層是否有呼叫的檢測(cè)點(diǎn)后移，也就是更接近該停層的平層區(qū)才檢測(cè)。

對(duì)于帶旋轉(zhuǎn)編碼器的電梯系統(tǒng)，通過(guò)編碼器測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以知道電梯所處的位置，并可以得到電梯是否位于平層區(qū)，在進(jìn)行上一層是否有呼叫檢測(cè)時(shí)，如果將編碼器測(cè)得的實(shí)際數(shù)值減去一個(gè)常數(shù)進(jìn)行偏移修正，再根據(jù)前面的方法就可以推后進(jìn)行檢測(cè)，也就能夠?qū)崿F(xiàn)離平層更近的距離從高速切換到低速，從而提高了系統(tǒng)的性能。通過(guò)改變偏移常數(shù)，可以調(diào)整距離。注意，在進(jìn)行本層呼叫檢測(cè)時(shí)就不能偏移，要用真實(shí)值。

對(duì)于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器，直接采用檢查開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)延時(shí)的方式，過(guò)平層區(qū)后延時(shí)一段時(shí)間再檢查是否有上一層呼叫，實(shí)際上就是通過(guò)延時(shí)將檢查區(qū)后移，當(dāng)然，本層呼叫檢測(cè)時(shí)就不能延時(shí)。可見(jiàn)，對(duì)于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也不難。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立在以層為基礎(chǔ)的電梯運(yùn)行的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)呼叫信號(hào)的簡(jiǎn)單移位處理及呼叫識(shí)別，區(qū)分電梯的各種呼叫狀態(tài)，并能預(yù)先檢測(cè)停層信號(hào)，切換到低速，為停層做好準(zhǔn)備。采用這種策略，很容易實(shí)現(xiàn)高速電梯的平穩(wěn)停層和準(zhǔn)確停層，也解決了電梯快到平層位時(shí)，響應(yīng)突然出現(xiàn)的本層呼叫而出現(xiàn)急停或停層不到位的情況。提高了電梯的安全性和舒適性，也提高了電梯的運(yùn)行效率同時(shí)也能達(dá)到電梯的綠色節(jié)能效果。

本文首次提出的這種控制策略是一種簡(jiǎn)單、可靠、通用性好的高速電梯控制策略。采用這種策略易于實(shí)現(xiàn)高層高速電梯的控制，控制程序結(jié)構(gòu)及算法無(wú)需調(diào)整就能實(shí)現(xiàn)各種層數(shù)不同的電梯系統(tǒng)。應(yīng)用此控制策略，將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)電梯系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的靜態(tài)處理，使得高層高速電梯的控制變得簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，可推廣和應(yīng)用。

［1］葉麗安.電梯控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005，7.

［2］楊禎山，邵誠(chéng).電梯群控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.控制與決策，2005，20(12):1321-1331.

［3］Bi Xiaoliang，Zhu Changming，Ye Qingtai.A GA-based approach to the multi-objective optimization problem in elevator group control system［J］.Elevator World，2004，52(6):58，59，61-63.

［4］申輝陽(yáng).電梯系統(tǒng)的一種建模與控制策略［J］.應(yīng)用科技，2008，35(7):20-23.

［5］申輝陽(yáng)，鄧維克.基于呼叫識(shí)別的高層電梯控制策略［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39(11):52-55.