摘  要： 液壓電梯是一種變負載、變容腔、變粘度的速度控制系統，且負載呈現大慣量、低頻響、低阻尼的特點，其速度控制一直是個難點。當采用常規PID控制時，在控制對象變化時，控制器的參數不能自動修改適應，導致其控制效果不佳，且傳遞函數階數高，簡化降階又十分困難。在分析液壓電梯工作原理的基礎上，將模糊控制與PID控制相結合，利用模糊推理方法實現PID參數的在線自整定，對液壓電梯速度進行控制。通過Simulink與AMESim軟件聯合仿真，并與常規PID控制進行比較，得出所采用的模糊自適應PID控制策略能使轎廂更好地跟蹤理想速度曲線，控制效果更為優良。

　　關鍵詞： 液壓電梯；模糊控制；建模；聯合仿真

0 引言

　　液壓電梯是一種典型的機電液速度控制系統，目前在國內外實際控制中一般都采用閉環PID控制，但是針對具有非線性、大滯后、時變性特點的液壓電梯時，經典PID控制效果往往不佳[1]；當采用轎廂速度直接反饋的大閉環控制系統時，雖然控制精度很高，但由于閉環內傳遞函數階數高，簡化降階十分復雜，系統很難控制，魯棒性差。為了達到理想的控制精度和穩定性，提高乘客乘坐的舒適感，本文利用Simulink軟件將模糊自適應PID控制策略應用到液壓電梯速度控制中，并在AMESim軟件環境中建立物理模型，以擺脫復雜的數學建模。該方法為液壓電梯速度控制器在線優化與自適應提供了新思路和新技術，具有較高的理論價值和應用價值。

1 液壓電梯速度控制系統

　　1.1 液壓電梯工作原理

　　液壓電梯是一種典型的機電液一體化產品，其基本組成包括：泵站系統、液壓控制系統、承重升降系統、導向系統、轎廂、門系統、電氣控制系統和安全保護系統[2]。

　　當液壓電梯上行時，由控制器輸出上行信號，變頻器根據輸入的控制信號，經整流、濾波、逆變后，產生相應頻率和電壓的交流電，驅動三相交流異步電機運轉，帶動液壓泵，致使管道中的油液壓力迅速增高，直至頂開單向閥和負載力相平衡，所有壓力油全部進入到油缸中，推動柱塞以相應速度向上運行，如圖1所示。

　　在該電梯系統整個上行工作中，轎廂速度經光電編碼器檢測不斷反饋到控制器中，控制器根據電梯理想速度曲線和實際速度曲線不斷校正輸出給變頻器的控制信號。

　　1.2 電梯理想速度曲線

　　電梯在使用過程中伴隨著頻繁的加速和減速過程，而且作為一種垂直升降的運輸設備，乘客對其速度的變化更為敏感。因此對電梯速度的控制必須考慮乘坐的舒適感。由前人實驗得知，影響乘客舒適感的最大因素并非加速度，而是加速度的變化率。因此，采用余弦加速度導數連續原則設計了具有正弦函數特征的速度曲線[3]，如圖2所示。其中，v為電梯的理想速度曲線，a為加速度曲線，a′為加速度的變化率。

2 液壓電梯速度控制系統的建模

　　2.1 液壓電梯速度控制原理

　　液壓電梯的速度控制是利用閉環反饋的方式進行控制，通過速度傳感器直接測得轎廂的運行速度，并作為反饋信號，利用與理想速度曲線的偏差和偏差的變化率來對轎廂速度進行PID控制[4]，同時通過模糊推理對PID三個參數進行優化，其速度控制原理圖如圖3所示。

　　2.2 模糊自適應PID控制器設計

　　模糊自適應PID控制器是利用不同偏差E和偏差變化率EC作為輸入，通過專家的PID參數整定經驗總結出的模糊控制規則對PID的三個參數進行在線修改，以滿足不同時刻的E和EC對PID參數的自整定要求[5]。其結構框圖如圖4所示。

　　2.3 仿真模型的建立

　　整個液壓電梯系統分為主回路部分和控制部分。其中主回路部分的建模在AMESim軟件中完成，控制部分在MATLAB/Simulink中完成。MATLAB/Simulink與AMESim的聯合仿真，通過AMESim界面菜單下創建輸出圖標功能與Simulink中的S函數實現連接。

　　2.3.1 主回路部分建模

　　借助AMESim軟件，首先在Sketch模式下調用系統提供的液壓庫、機械庫和信號庫建立由變頻器、電動機、液壓泵、液壓閥、柱塞油缸、鋼絲繩、動滑輪、轎廂組成的液壓電梯系統，然后進入Parameter模式對仿真模型中的每個元件進行參數設置[6]，如圖5所示。

　　2.3.2 控制部分建模

　　變頻器采用模糊自適應PID控制，控制模型如圖6所示，其中模糊自適應PID控制器的模型如圖7所示。根據上述控制器的設計，取模糊控制器的量化因子分別為Ke=0.9，Kec=0.02；模糊輸出的比例因子Kup=3.2，Kui=2.3、Kud=0.15[7]。

3 仿真與結論

　　本文針對液壓電梯這種受隨機因素干擾、具有大慣性、純滯后的非線性分布參量的復雜控制對象，采用了模糊自適應PID控制策略，并以MATLAB軟件和AMESim軟件為輔助工具，對模糊自適應PID控制和常規PID控制進行聯合仿真試驗[8]，結果如圖8所示。結果表明，本文所采用的控制方法能很好地控制速度的各個運行階段，確保了系統的響應時間和穩定精度，使得轎廂能較好地跟蹤理想曲線的速度特性運行。

參考文獻

　　[1] 楊恢先，蔡炎平，楊心力.基于GA整定PID的液壓電梯速度控制研究[J].控制工程，2012，19（2）：203-204.

　　[2] 全國電梯標準化技術委員會.GB 21240-2007液壓電梯制造與安裝安全規范[S].2007.

　　[3] 李晶.液壓電梯速度控制研究[D].上海：同濟大學，2006.

　　[4] 楊祖元，楊華芬.雙閉環直流調速系統模糊PID控制研究[J].計算機應用研究，2011，28（3）：921.

　　[5] 袁鳳蓮.Fuzzy自整定PID控制器設計及其MATLAB仿真[J].沈陽航空工業學院學報，2006，23（1）：71-73.

　　[6] 彭天好，朱劉英，胡佑蘭.基于AMESim的泵控馬達變轉速系統仿真分析[J].液壓與氣動，2010（9）：33-35.

　　[7] 王川川，趙錦成，齊曉慧.模糊控制器設計中量化因子、比例因子的選擇[J].四川兵工學報，2009，30（1）：61-63.

　　[8] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2011：288-291.