採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置的製作方法

2023-08-04 20:24:46

專利名稱：採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一般升降機的控制系統，尤其涉及採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置。
背景技術：
閥控液壓電梯是現今應用比較廣泛的液壓電梯形式，它主要是應用液壓技術中的節流調速技術來控制液壓電梯的運行速度。從目前液壓電梯液壓控制系統發展的情況來看，一種採用流量—位移—電反饋形式的電液比例控制系統是當前速度控制特性較好的閥控應用系統。流量—位移—電反饋系統屬於流量反饋的小閉環控制，一般在管路中安裝流量計來檢測流量進行反饋控制，上、下行流量分別由兩個比例節流閥進行控制。
在美國專利US5115684中公開了一種管路流量計技術。這項技術被運用於電梯控制中，提高了流量反饋的準確度，從而提高了閥控系統的控制性能。將這種流量計與控制閥集成在一起構成的液壓電梯流量電反饋控制系統，優點主要有流量控制性能好，能實現流量對理想流量曲線的較好跟蹤，因而其速度控制性能較機械開關閥控制系統有較大的提高。但其缺點也很明顯流量傳感器的工作原理是根據流體流過節流口時的壓差及節流口的面積來測定流量的，因此在油溫變化時，傳感器的節流口的流量特性亦會受到粘度變化的影響，特別是在流量較小時，流量系統受雷諾數的影響特別大，從而造成流量測量不準，同時，節流式流量計本身也會帶來系統的溫升和能耗；這一系統的流量反饋是通過霍爾元件來實現機-電轉換的，因此流量反饋元件的溫飄也影響了電梯運行時的控制精度，特別是電梯低速度運行時的性能；這樣造成的結果很明顯就是流量控制性能的下降。且控制器的控制性能有限，對電梯運行過程中工況變化的適應性，也即系統魯棒性比較差，不能實現優化控制。
針對閥控液壓電梯的這種缺點，液壓電梯的控制技術又有了發展。比較普遍的是採用變頻器來控制電梯，這樣的系統可以在開環的情況下獲得較好的控制性能，從而避開了流量反饋環節。由美國專利US4593792公開了變頻調速液壓電梯的整體結構設想開始，眾多的廠家和研究結構在這方面做了大量的工作。另外，上面提到的流量計技術專利的擁有者在1998年申報的美國專利US6142259中，公開了一種半閥控，半變頻形式的液壓電梯。這些液壓電梯在節能方面都較傳統的流量—位移—電反饋的閥控系統有了很大進步，但是變頻器的加入使得系統的成本也大幅度的升高了。

發明內容
本實用新型目的是研製一種採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置，對原有的流量-位移-電反饋的閥控液壓電梯進行改進，避免傳統的流量反饋的缺點。
本實用新型的技術方案如下1)主壓力油路系統三相異步電機驅動液壓螺杆泵，液壓螺杆泵的一端經過濾油器接油箱，另一端接常開的上升節流主閥的環形容腔，上升節流主閥的環形容腔其一路經過閥口接油箱，另一路分別通過單向閥接常閉的下降節流主閥的環形容腔，和通過精細濾油器接控制油路；常閉的下降節流主閥的環形容腔的一路通過限速切斷閥的一端與柱塞油缸相連，進而通過滑輪組機構驅動電梯轎廂的運動；常閉的下降節流主閥的環形容腔的另一路通過手動下降閥接入油箱；2)上行的控制油路系統由上升節流主閥的環形容腔出口端引出，經過精細濾網後，一路接安全閥的背腔，另一路接第一固定液阻，第一固定液阻的另一端與第二固定液阻、安全閥的環形油腔以及上升先導閥的控制油腔相連，第二固定液阻的另一端接上升節流主閥的背腔，上升先導閥的回油腔經安全閥的回油腔接入油箱，壓力表和壓力傳感器接在液壓螺杆泵的出口端，測量泵出口壓力；3)下行的控制油路系統由下降節流主閥的環形容腔接出，經精細濾網，與第三固定液阻相連，第三固定液阻的另一端則與第四固定液阻以及下降先導閥的控制油腔相連，第四固定液阻另一端接入下降節流主閥的背腔，下降先導閥的回油腔直接接油箱，壓力表和壓力傳感器接在下降節流主閥的環形容腔；4)電氣控制系統PLC電氣控制櫃中的指令信號、壓力傳感器檢測的液壓泵出口壓力信號、壓力傳感器檢測的負載壓力信號同時接入微機控制器，微機控制器輸出控制上升比例電磁鐵和下降比例電磁鐵的信號。
計算流量反饋控制的液壓電梯是在使用普通閥控電梯控制閥的基礎上，採用壓力補償方法的數字流量測量方法在液壓電梯中的應用原理，就是在液壓泵的出口和液壓缸的入口處即負載端安裝壓力傳感器，在上行迴路中測量液壓泵出口壓力，而在下行迴路中測量液壓缸的入口處即負載端的壓力，反饋回控制系統後，通過一定的算法分別獲得上/下行迴路的計算流量，與設定的理想流量比較後，再換算出控制閥口的開度大小，最後由控制系統根據此開度大小輸出先導閥電磁鐵的控制電流，從而實現液壓系統的流量檢測反饋控制。
本實用新型的優點是1)在結構上，由於控制對象(液壓電梯系統)本身的特點，本實用新型無需檢測閥芯位移，僅僅通過間接測量壓力參數就可獲得計算流量參數所需的全部信息，使得機械結構大大簡化，從而降低了成本；2)在能耗方面，可比傳統方法節能5～10％假設節流式傳感器壓差為2～3bar，則佔電梯最大壓力範圍20～60Bar的5～10％，而這部分損耗在計算流量反饋控制中並不存在；3)在系統溫升方面，因為沒有了節流型流量檢測元件在閥口處的節流發熱，故而油液溫升比傳統方法要低，有利於改善系統的控制性能；4)在控制精度上也超出傳統的使用流量計反饋流量的控制系統。另外，本系統的魯棒性強，閉環調節響應速度快；無需採用壓力範圍受限制，成本高的壓差傳感器，只需普通壓力傳感器即可；也無需在井道內安裝任何輔助裝置。


圖1是本實用新型的結構原理圖；圖2是本實用新型的微機控制器控制過程示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置包括1)主壓力油路系統三相異步電機19驅動液壓螺杆泵20，液壓螺杆泵20一路經過濾油器21接入油箱，另一路常開的上升節流主閥5，上升節流主閥5一路經過閥口接油箱29，另一路分別通過單向閥22接常閉的下降節流主閥6的環形容腔，和接精細濾油器17；常閉的下降節流主閥6的環形容腔的一路通過限速切斷閥9的一端與柱塞油缸7相連，進而通過滑輪組機構驅動電梯轎廂10的運動；常閉的下降節流主閥6的環形容腔的另一路通過手動下降閥8接入油箱29；2)上行的控制油路系統由上升節流主閥5的環形容腔出口端引出，經過精細濾網17後，一路接安全閥11的背腔，另一路接第一固定液阻13，第一固定液阻13的另一端與第二固定液阻14、安全閥11的環形油腔以及上升先導閥1的控制油腔相連，第二固定液阻14的另一端接上升節流主閥5的背腔，上升先導閥1的回油腔經安全閥11的回油腔接入油箱29，壓力表27和壓力傳感器25接在液壓螺杆泵20的出口端，測量泵出口壓力；
3)下行的控制油路系統由下降節流主閥6的環形容腔接出，經精細濾網18，與第三固定液阻15相連，第三固定液阻15的另一端則與第四固定液阻16以及下降先導閥2的控制油腔相連，第四固定液阻16的另一端接入下降節流主閥6的背腔，下降先導閥2的回油腔直接接油箱29，壓力表28和壓力傳感器26接在下降節流主閥6的環形容腔；4)電氣控制系統PLC電氣控制櫃24中的指令信號、壓力傳感器25檢測的液壓泵出口壓力信號、壓力傳感器26檢測的負載壓力信號同時接入微機控制器12，微機控制器12輸出控制上升比例電磁鐵3和下降比例電磁鐵4的信號。
電梯上行的運行過程如下啟動電梯控制櫃中的PLC可編程邏輯控制器24接到層站或轎內的上升召喚信號後，給出電動機接觸器動作控制信號，於是電動機19啟動，帶動液壓螺杆泵20運轉，向管道內輸出液壓油，此時液壓油全部通過常開的上升節流主閥5流回油箱。與此同時，壓力傳感器25、26不斷檢測壓力信號反饋給微機控制器12。此時單向閥22尚未打開，壓力傳感器26檢測到的負載端壓力Pd不參與控制。微機控制器12根據壓力傳感器25檢測得到的泵出口壓力Pu，再結合PLC可編程邏輯控制器24傳來的五路PLC控制信號，通過微機控制器得到此時的控制信號，經功放輸出，就是相應的上升比例電磁鐵3的控制信號。上升先導閥1在此信號控制下動作，進而控制上升節流主閥5，使其閥口開度逐漸縮小。此時壓力傳感器25檢測到的泵出口壓力Pu開始迅速增高，而由於單向閥22仍未打開，壓力傳感器26檢測到的負載端的壓力Pd並無太大變化。當管道內的油壓也即泵出口壓力Pu達到與負載端壓力Pd相等時，就頂開單向閥22，使油液進入油缸，推動柱塞，帶動轎廂10以相應的速度向上運動，啟動過程結束。
運行運行過程中，壓力傳感器25、26分別檢測泵出口壓力Pu與負載端壓力Pd，其中泵出口壓力Pu參與上行控制，負載端壓力Pd只做參考值。控制系統根據一定的算法由壓力計算出對應的閥口流量，一旦流量超過程序中設定的比較值，就開始加載理想曲線。之後，不斷地將當時的計算流量與理想流量進行比較，根據二者的差值由微機控制器12調整輸出的控制信號，最終控制上升節流主閥閥口的開度，使電梯的實際運行曲線能及時跟蹤理想曲線，也即電梯按照設定的理想曲線運行。
停止當電梯即將到站時，電梯控制櫃裡的PLC可編程邏輯控制器24檢測到從電梯井道傳過來的停靠信號，並將相應的五路PLC信號傳給微機控制器12，再由微機控制器12發出對應的上升比例電磁鐵3的控制信號，控制上升先導閥1的動作，使得上升節流主閥5的閥口開度增大，同時電動機19停轉，此時螺杆泵20的輸出壓力迅速降低，靠轎廂自重使單向閥22關斷，電梯停站。
電梯下行的運行過程如下在電梯轎廂10下行時，電動機19並不運轉，電梯僅依靠自身的勢能下降。在此過程中，單向閥22始終是關閉的。下行時，只有壓力傳感器26檢測到的負載端壓力Pd參與控制。在控制方式上，下行過程與上行過程基本一致。區別僅僅在於微機控制器12輸出的是下降比例電磁鐵4的控制信號，控制下降先導閥2的動作，進而控制下降節流主閥6的閥口開度。
系統中還有一些電梯液壓系統中必需的保護裝置，包括安全閥11，手動下降閥8，限速切斷閥9和壓力繼電器23。
本實用新型的優點主要體現在對閥的控制方式上，也即從微機控制器12接收信號並進行處理到最終發出指令的這一控制過程，如圖2的框圖所示。下面將對這一過程進行具體說明。
微機控制器12輸入信號共有三路一路是PLC可編程邏輯控制器24傳來的PLC信號，這一路信號是所有電梯所共有的，用來表徵電梯的運行狀態處於哪一個階段。在本實驗系統中，這個信號也決定著下面的流量計算要採用哪一個計算模塊。另一路就是壓力傳感器25、26檢測傳來的系統壓力信號，針對這一路信號所進行的處理是本系統的關鍵所在。常規的流量電反饋控制的電梯，一般是通過表徵位移量的電信號反饋，進而得到流量信息。這種方法的特點在於流量計硬體結構上比較複雜，控制的精度也受制於此，不易提高。而本實用新型是反饋系統的壓力信號，只需加裝壓力傳感器即可，從硬體上來說實現非常容易，但是相應地增加了軟體的運算量。這就相當於把硬體的複雜度轉化到了軟體上。這樣做的優勢是顯而易見的在軟體上通過控制算法的優化來提高控制精度，其可行性探討和實際操作性都比硬體上的改進來得容易；而且，可以嘗試把一些比較先進的控制理論應用於液壓電梯的控制上，通過實驗進行比較、優化，得到一個比較滿意的結果。
微機控制器12得到壓力信號後，根據已選定的計算模塊，結合當前保存的比例電磁鐵的控制電流值i，經過一定地運算就可以計算出系統的流量Q*。為了使得計算流量能夠真實地反映系統的實際流量，我們必須考慮油液的溫升對流量的影響。因此最後一路反饋信號就是油液的溫度信號T。微機控制器12將根據此溫度信號對計算流量進行一定的補償。經過以上的運算，得到系統的最終計算流量Q*後，將它和由理想曲線確定的系統的理想流量做比較，所得的流量差就是調整微機控制器12輸出的依據。由此流量差再經過一定計算即可得到輸出給先導閥電磁鐵的控制電流i的值，最後經微機控制器12中的功率放大器放大輸出，控制先導閥的動作，進而控制主油路的油液流量，就完成了這一控制過程。這樣的控制過程是周而復始地進行的，因此也就可以連續地控制電梯的運行。
關於控制過程中涉及的具體計算過程，擇要介紹如下。
由於對電梯運行的控制最終是體現在對轎廂速度的控制上，也即體現在對連接柱塞油缸7和上升節流主閥5及下降節流主閥6的主油路中的油液流量的控制上。因此不能直接用壓力值來進行比較，需要把微機控制器12得到的各個反饋信號最終轉換成流量信號再進行比較，這樣才能更為直觀、準確地反映轎廂的運行狀態。這一轉換過程可以利用節流閥閥口和固定液阻的流量公式及各個閥上的力平衡關係來實現。由這兩組關係可以得到足夠的穩態方程數目，進而解得計算流量值。
節流閥閥口和固定液阻的流量公式均可用下面的公式計算Q=CdA(x)2P---(1)]]>其中Q——流量(l)；Cd——流量係數；A(x)——通流面積(m2)，其中的x是閥口開度；ΔP——兩端壓差(Pa)；ρ——液壓油的密度(kg/m3)。
式中的流量係數Cd在這裡不能被看做常數，而可以看做是壓力差和溫度的函數，表示為Cd(ΔP，T)，其中壓差ΔP取被計算的閥口或固定液阻的實際壓差，溫度T取採樣回來的當時實測值。對於溫度T的影響，如果考慮到它是一個緩變信號，還可以採用模糊神經網絡智能算法來補償，使得流量參數的修正具有自學習和自適應的特點。這些補償的方法都可以通過實驗進行驗證比較，從中選取控制效果較好的方法。
由於不檢測閥芯的位移，閥口開度x也是由計算得到的。由上面提到的穩態方程組可以解出，x是相應的檢測壓力P(上行時是泵出口壓力Pu，下行時則是負載端的壓力Pd)和先導閥電磁鐵控制電流i的函數。因此，閥口的通流面積A(x)實際上也是這兩個量的函數，可以表示為A(P，i)。另外，如果考慮到動態因素的話，則閥口的通流面積A(x)還要做一定的修正。總之，參數Cd(ΔP，T)和A(P，i)對系統的性能有很大影響，通過實驗選取合適的參數，得到的計算流量才能比較真實地反映實際流量。
綜上所述，包括各參數的確定在內的軟體調節器的設置，不僅對系統的調節精度有很大影響，而且也影響著閉環調節響應的速度等，必須通過仿真和實驗的手段反覆修正，關鍵是使計算流量能夠及時、準確地反映系統的實際流量。這樣才能充分體現計算流量反饋系統的優點。
權利要求1.一種採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置，其特徵在於它包括1)主壓力油路系統三相異步電機[19]驅動液壓螺杆泵[20]，液壓螺杆泵[20]的一端經過濾油器[21]接油箱[29]，另一端接常開的上升節流主閥[5]的環形容腔，上升節流主閥[5]的環形容腔其一路經過閥口接油箱[29]，另一路分別通過單向閥[22]接常閉的下降節流主閥[6]的環形容腔，和通過精細濾油器[17]接控制油路；常閉的下降節流主閥[6]的環形容腔的一路通過限速切斷閥[9]的一端與柱塞油缸[7]相連，進而通過滑輪組機構驅動電梯轎廂[10]的運動；常閉的下降節流主閥[6]的環形容腔的另一路通過手動下降閥[8]接入油箱[29]；2)上行的控制油路系統由上升節流主閥[5]的環形容腔出口端引出，經過精細濾網[17]後，一路接安全閥[11]的背腔，另一路接第一固定液阻[13]，第一固定液阻[13]的另一端與第二固定液阻[14]、安全閥[11]的環形油腔以及上升先導閥[1]的控制油腔相連，第二固定液阻[14]的另一端接上升節流主閥[5]的背腔，上升先導閥[1]的回油腔經安全閥[11]的回油腔接入油箱[29]，壓力表[27]和壓力傳感器[25]接在液壓螺杆泵[20]的出口端，測量泵出口壓力；3)下行的控制油路系統由下降節流主閥[6]的環形容腔接出，經精細濾網[18]，與第三固定液阻[15]相連，第三固定液阻[15]的另一端則與第四固定液阻[16]以及下降先導閥[2]的控制油腔相連，第四固定液阻[16]的另一端接入下降節流主閥[6]的背腔，下降先導閥[2]的回油腔直接接油箱[29]，壓力表[28]和壓力傳感器[26]接在下降節流主閥[6]的環形容腔；4)電氣控制系統PLC電氣控制櫃[24]中的指令信號、壓力傳感器[25]檢測的液壓泵出口壓力信號、壓力傳感器[26]檢測的負載壓力信號同時接入微機控制器[12]，微機控制器[12]輸出控制上升比例電磁鐵[3]和下降比例電磁鐵[4]的信號。
專利摘要一種採用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置,它包括主壓力油路,上行的控制油路,下行的控制油路,電氣控制等系統。是在普通閥控電梯控制閥的基礎上,採用壓力補償的數字流量測量方法,在液壓泵的出口和液壓缸的入口處即負載端安裝壓力傳感器,在上行迴路中測量液壓泵出口壓力,而在下行迴路中測量液壓缸的入口處即負載端的壓力,反饋回控制系統後,通過計算分別獲得上/下行迴路的計算流量,與設定的理想流量比較後,再換算出控制閥口的開度大小,最後由控制系統根據此開度大小輸出先導閥電磁鐵的控制電流,實現液壓系統的流量檢測反饋控制。與傳統的安裝流量計的系統相比,它簡化了機械結構,可以節能10%左右;流量的穩態控制精度較高,動態控制特性也好。
文檔編號B66B1/24GK2512757SQ01274219
公開日2002年9月25日 申請日期2001年12月12日 優先權日2001年12月12日
發明者徐兵, 楊華勇, 林建傑, 陳娟 申請人:浙江大學