專利名稱：采用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一般升降機的控制系統(tǒng)，尤其涉及采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(xiàn)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(jié)流調(diào)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(tǒng)發(fā)展的情況來看，一種采用流量—位移—電反饋形式的電液比例控制系統(tǒng)是當前速度控制特性較好的閥控應用系統(tǒng)。流量—位移—電反饋系統(tǒng)屬于流量反饋的小閉環(huán)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(jié)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。這項技術被運用于電梯控制中，提高了流量反饋的準確度，從而提高了閥控系統(tǒng)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(tǒng)，優(yōu)點主要有流量控制性能好，能實現(xiàn)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(tǒng)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(jù)流體流過節(jié)流口時的壓差及節(jié)流口的面積來測定流量的，因此在油溫變化時，傳感器的節(jié)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(tǒng)受雷諾數(shù)的影響特別大，從而造成流量測量不準，同時，節(jié)流式流量計本身也會帶來系統(tǒng)的溫升和能耗；這一系統(tǒng)的流量反饋是通過霍爾元件來實現(xiàn)機-電轉(zhuǎn)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(jié)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(tǒng)魯棒性比較差，不能實現(xiàn)優(yōu)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(fā)展。比較普遍的是采用變頻器來控制電梯，這樣的系統(tǒng)可以在開環(huán)的情況下獲得較好的控制性能，從而避開了流量反饋環(huán)節(jié)。由美國專利US4593792公開了變頻調(diào)速液壓電梯的整體結(jié)構設想開始，眾多的廠家和研究結(jié)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(jié)能方面都較傳統(tǒng)的流量—位移—電反饋的閥控系統(tǒng)有了很大進步，但是變頻器的加入使得系統(tǒng)的成本也大幅度的升高了。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型目的是研制一種采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(tǒng)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(tǒng)三相異步電機驅(qū)動液壓螺桿泵，液壓螺桿泵的一端經(jīng)過濾油器接油箱，另一端接常開的上升節(jié)流主閥的環(huán)形容腔，上升節(jié)流主閥的環(huán)形容腔其一路經(jīng)過閥口接油箱，另一路分別通過單向閥接常閉的下降節(jié)流主閥的環(huán)形容腔，和通過精細濾油器接控制油路；常閉的下降節(jié)流主閥的環(huán)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(qū)動電梯轎廂的運動；常閉的下降節(jié)流主閥的環(huán)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(tǒng)由上升節(jié)流主閥的環(huán)形容腔出口端引出，經(jīng)過精細濾網(wǎng)后，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(huán)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(jié)流主閥的背腔，上升先導閥的回油腔經(jīng)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桿泵的出口端，測量泵出口壓力；3)下行的控制油路系統(tǒng)由下降節(jié)流主閥的環(huán)形容腔接出，經(jīng)精細濾網(wǎng)，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(jié)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(jié)流主閥的環(huán)形容腔；4)電氣控制系統(tǒng)PLC電氣控制柜中的指令信號、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，采用壓力補償方法的數(shù)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，在上行回路中測量液壓泵出口壓力，而在下行回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(tǒng)后，通過一定的算法分別獲得上/下行回路的計算流量，與設定的理想流量比較后，再換算出控制閥口的開度大小，最后由控制系統(tǒng)根據(jù)此開度大小輸出先導閥電磁鐵的控制電流，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的流量檢測反饋控制。
本實用新型的優(yōu)點是1)在結(jié)構上，由于控制對象(液壓電梯系統(tǒng))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(shù)就可獲得計算流量參數(shù)所需的全部信息，使得機械結(jié)構大大簡化，從而降低了成本；2)在能耗方面，可比傳統(tǒng)方法節(jié)能5～10％假設節(jié)流式傳感器壓差為2～3bar，則占電梯最大壓力范圍20～60Bar的5～10％，而這部分損耗在計算流量反饋控制中并不存在；3)在系統(tǒng)溫升方面，因為沒有了節(jié)流型流量檢測元件在閥口處的節(jié)流發(fā)熱，故而油液溫升比傳統(tǒng)方法要低，有利于改善系統(tǒng)的控制性能；4)在控制精度上也超出傳統(tǒng)的使用流量計反饋流量的控制系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)的魯棒性強，閉環(huán)調(diào)節(jié)響應速度快；無需采用壓力范圍受限制，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(nèi)安裝任何輔助裝置。


圖1是本實用新型的結(jié)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，采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(tǒng)三相異步電機19驅(qū)動液壓螺桿泵20，液壓螺桿泵20一路經(jīng)過濾油器21接入油箱，另一路常開的上升節(jié)流主閥5，上升節(jié)流主閥5一路經(jīng)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(jié)流主閥6的環(huán)形容腔，和接精細濾油器17；常閉的下降節(jié)流主閥6的環(huán)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(qū)動電梯轎廂10的運動；常閉的下降節(jié)流主閥6的環(huán)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(tǒng)由上升節(jié)流主閥5的環(huán)形容腔出口端引出，經(jīng)過精細濾網(wǎng)17后，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(huán)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(jié)流主閥5的背腔，上升先導閥1的回油腔經(jīng)安全閥11的回油腔接入油箱29，壓力表27和壓力傳感器25接在液壓螺桿泵20的出口端，測量泵出口壓力；
3)下行的控制油路系統(tǒng)由下降節(jié)流主閥6的環(huán)形容腔接出，經(jīng)精細濾網(wǎng)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(jié)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(jié)流主閥6的環(huán)形容腔；4)電氣控制系統(tǒng)PLC電氣控制柜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柜中的PLC可編程邏輯控制器24接到層站或轎內(nèi)的上升召喚信號后，給出電動機接觸器動作控制信號，于是電動機19啟動，帶動液壓螺桿泵20運轉(zhuǎn)，向管道內(nèi)輸出液壓油，此時液壓油全部通過常開的上升節(jié)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(jù)壓力傳感器25檢測得到的泵出口壓力Pu，再結(jié)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(jīng)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(jié)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，而由于單向閥22仍未打開，壓力傳感器26檢測到的負載端的壓力Pd并無太大變化。當管道內(nèi)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(jié)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(tǒng)根據(jù)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。之后，不斷地將當時的計算流量與理想流量進行比較，根據(jù)二者的差值由微機控制器12調(diào)整輸出的控制信號，最終控制上升節(jié)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，電梯控制柜里的PLC可編程邏輯控制器24檢測到從電梯井道傳過來的?？啃盘?，并將相應的五路PLC信號傳給微機控制器12，再由微機控制器12發(fā)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(jié)流主閥5的閥口開度增大，同時電動機19停轉(zhuǎn)，此時螺桿泵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并不運轉(zhuǎn)，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(qū)別僅僅在于微機控制器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(jié)流主閥6的閥口開度。
系統(tǒng)中還有一些電梯液壓系統(tǒng)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(yōu)點主要體現(xiàn)在對閥的控制方式上，也即從微機控制器12接收信號并進行處理到最終發(fā)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，用來表征電梯的運行狀態(tài)處于哪一個階段。在本實驗系統(tǒng)中，這個信號也決定著下面的流量計算要采用哪一個計算模塊。另一路就是壓力傳感器25、26檢測傳來的系統(tǒng)壓力信號，針對這一路信號所進行的處理是本系統(tǒng)的關鍵所在。常規(guī)的流量電反饋控制的電梯，一般是通過表征位移量的電信號反饋，進而得到流量信息。這種方法的特點在于流量計硬件結(jié)構上比較復雜，控制的精度也受制于此，不易提高。而本實用新型是反饋系統(tǒng)的壓力信號，只需加裝壓力傳感器即可，從硬件上來說實現(xiàn)非常容易，但是相應地增加了軟件的運算量。這就相當于把硬件的復雜度轉(zhuǎn)化到了軟件上。這樣做的優(yōu)勢是顯而易見的在軟件上通過控制算法的優(yōu)化來提高控制精度，其可行性探討和實際操作性都比硬件上的改進來得容易；而且，可以嘗試把一些比較先進的控制理論應用于液壓電梯的控制上，通過實驗進行比較、優(yōu)化，得到一個比較滿意的結(jié)果。
微機控制器12得到壓力信號后，根據(jù)已選定的計算模塊，結(jié)合當前保存的比例電磁鐵的控制電流值i，經(jīng)過一定地運算就可以計算出系統(tǒng)的流量Q*。為了使得計算流量能夠真實地反映系統(tǒng)的實際流量，我們必須考慮油液的溫升對流量的影響。因此最后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(jù)此溫度信號對計算流量進行一定的補償。經(jīng)過以上的運算，得到系統(tǒng)的最終計算流量Q*后，將它和由理想曲線確定的系統(tǒng)的理想流量做比較，所得的流量差就是調(diào)整微機控制器12輸出的依據(jù)。由此流量差再經(jīng)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，最后經(jīng)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(xù)地控制電梯的運行。
關于控制過程中涉及的具體計算過程，擇要介紹如下。
由于對電梯運行的控制最終是體現(xiàn)在對轎廂速度的控制上，也即體現(xiàn)在對連接柱塞油缸7和上升節(jié)流主閥5及下降節(jié)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(zhuǎn)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(tài)。這一轉(zhuǎn)換過程可以利用節(jié)流閥閥口和固定液阻的流量公式及各個閥上的力平衡關系來實現(xiàn)。由這兩組關系可以得到足夠的穩(wěn)態(tài)方程數(shù)目，進而解得計算流量值。
節(jié)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)2ΔPρ---(1)]]>其中Q——流量(l)；Cd——流量系數(shù)；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)。
式中的流量系數(shù)Cd在這里不能被看做常數(shù)，而可以看做是壓力差和溫度的函數(shù)，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取采樣回來的當時實測值。對于溫度T的影響，如果考慮到它是一個緩變信號，還可以采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法來補償，使得流量參數(shù)的修正具有自學習和自適應的特點。這些補償?shù)姆椒ǘ伎梢酝ㄟ^實驗進行驗證比較，從中選取控制效果較好的方法。
由于不檢測閥芯的位移，閥口開度x也是由計算得到的。由上面提到的穩(wěn)態(tài)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(shù)。因此，閥口的通流面積A(x)實際上也是這兩個量的函數(shù)，可以表示為A(P，i)。另外，如果考慮到動態(tài)因素的話，則閥口的通流面積A(x)還要做一定的修正?？傊?，參數(shù)Cd(ΔP，T)和A(P，i)對系統(tǒng)的性能有很大影響，通過實驗選取合適的參數(shù)，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(shù)的確定在內(nèi)的軟件調(diào)節(jié)器的設置，不僅對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度有很大影響，而且也影響著閉環(huán)調(diào)節(jié)響應的速度等，必須通過仿真和實驗的手段反復修正，關鍵是使計算流量能夠及時、準確地反映系統(tǒng)的實際流量。這樣才能充分體現(xiàn)計算流量反饋系統(tǒng)的優(yōu)點。
權利要求1.一種采用計算流量反饋控制液壓電梯的裝置，其特征在于它包括1)主壓力油路系統(tǒng)三相異步電機[19]驅(qū)動液壓螺桿泵[20]，液壓螺桿泵[20]的一端經(jīng)過濾油器[21]接油箱[29]，另一端接常開的上升節(jié)流主閥[5]的環(huán)形容腔，上升節(jié)流主閥[5]的環(huán)形容腔其一路經(jīng)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(jié)流主閥[6]的環(huán)形容腔，和通過精細濾油器[17]接控制油路；常閉的下降節(jié)流主閥[6]的環(huán)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(qū)動電梯轎廂[10]的運動；常閉的下降節(jié)流主閥[6]的環(huán)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(tǒng)由上升節(jié)流主閥[5]的環(huán)形容腔出口端引出，經(jīng)過精細濾網(wǎng)[17]后，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(huán)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(jié)流主閥[5]的背腔，上升先導閥[1]的回油腔經(jīng)安全閥[11]的回油腔接入油箱[29]，壓力表[27]和壓力傳感器[25]接在液壓螺桿泵[20]的出口端，測量泵出口壓力；3)下行的控制油路系統(tǒng)由下降節(jié)流主閥[6]的環(huán)形容腔接出，經(jīng)精細濾網(wǎng)[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(jié)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(jié)流主閥[6]的環(huán)形容腔；4)電氣控制系統(tǒng)PLC電氣控制柜[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。
專利摘要一種采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(tǒng)。是在普通閥控電梯控制閥的基礎上,采用壓力補償?shù)臄?shù)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,在上行回路中測量液壓泵出口壓力,而在下行回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(tǒng)后,通過計算分別獲得上/下行回路的計算流量,與設定的理想流量比較后,再換算出控制閥口的開度大小,最后由控制系統(tǒng)根據(jù)此開度大小輸出先導閥電磁鐵的控制電流,實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的流量檢測反饋控制。與傳統(tǒng)的安裝流量計的系統(tǒng)相比,它簡化了機械結(jié)構,可以節(jié)能10%左右;流量的穩(wěn)態(tài)控制精度較高,動態(tài)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(yōu)先權日2001年12月12日
發(fā)明者徐兵, 楊華勇, 林建杰, 陳娟 申請人:浙江大學