电梯群控系统模糊控制技术的研究与设计大学学位论文.docx
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电梯群控系统模糊控制技术的研究与设计大学学位论文
毕业设计说明书
题目：
电梯群控系统模糊控制技术的研究与设计
姓名：
王正斌
学号：
0923105012
指导教师：
师玉宝
专业年级：
自动化2009级
所在学院和系：
化工学院化工机械系
完成日期：
2013年6月6日
答辩日期：
2013年6月13日
电梯群控系统模糊控制技术的研究与设计
摘要
文章简要介绍了电梯以及电梯的种类，电梯群控系统的发展状况和基本原理；重点介绍了模糊控制技术，包括模糊控制技术的发展概况以及模糊控制技术的基本原理和模糊控制器的设计，分析了将模糊控制技术应用到EGCS中的可行性和必要性。
构建了电梯调度目标的综合评价函数，将减少平均候梯时间（AWT）、减小平均乘梯时间（ART）、减小长时间候梯率（LWP）和减小运行能耗（RPC）四个重要目标的加权平均值作为评价函数，并根据加权系数，实现电梯群的优化控制；最后提出了仿真总体设计并应用matlab仿真软件对群控系统的运行情况进行仿真,仿真实验给出了本文所提出的电梯群控系统的性能,验证了方案的可行性和有效性。
结果证明，基于模糊控制技术的电梯群控系统的平均候梯时间、平均乘梯时间以及系统能耗比传统的集选控制系统相比都有了明显的降低，充分说明了基于模糊控制技术的群控算法的有效性和可行性。
关键词：
电梯群控,基本原理，模糊控制,评价函数,系统仿真
ElevatorGroupControlSystemFuzzyControlTechnologyResearchandDesign
Abstract
Paperbrieflydescribesthetypeofliftandelevator,theelevatorgroupcontrolsystemdevelopment;focusesonthefuzzycontroltechnology,includingoverviewofthedevelopmentoffuzzycontroltechnologyandfuzzycontroltechnologyworks;analysisofthefuzzycontroltechniqueappliedtotheEGCSfeasibilityandnecessity.Constructedelevatordispatchingthegoalofcomprehensiveevaluationfunction,theaveragewaitingtimewillbeless,lesstheaverageridingtime,lessenergyconsumptionthreeimportantgoalsasaweightedaverageoftheevaluationfunction,andaccordingtotheweightingcoefficient,toachieveoptimalcontrolofelevatorgroup;Finallymatlabsimulationsoftwareapplicationgroupcontroloperationofthesystemsimulation,thesimulationexperimentshowsthattheproposedperformanceofelevatorgroupcontrolsystemtoverifythefeasibilityandeffectiveness.Theresultsshowthatbasedonfuzzycontroltechnologyelevatorgroupcontrolsystem,theaveragewaitingtime,theaverageridingtimeandenergyconsumptionthantraditionalassemblyelectionsystemshaveasignificantlyreducedcomparedtofullyexplainthefuzzycontroltechnologygroupcontrolalgorithmiseffectiveandfeasible.
Keywords:
elevatorgroupcontrol,elevatortrafficflow,fuzzycontrol,theevaluationfunction,systemsimulation
1绪论
1.1概述
乘客电梯的第一次使用出现于18世纪下半业，当时的奥的斯电梯公司在纽约安装了一台直接连接式升降机，这是一台以直流电动机为动力的升降机，乘客电梯这个新生事物也就随之诞生了。
随着高层建筑和智能大厦日益增多，人们对时间的观念变得越来越强，对效率的要求也越来越高，电梯作为高层建筑内部一种非常重要，甚至是唯一的交通工具，其应用规模日益扩大，复杂化，人们对电梯系统的性能和服务质量也提出了越来越高的要求。
单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需求，为了缩短乘客的候梯时间，减少能量损耗，需要合理安装多台电梯，电梯群控系统EGCS（ElevatorGroupControlSystem）正是应这样一种需求而产生和发展的。
所谓电梯群控系统（EGCS），是指将建筑物中的多部电梯根据大楼的功能及楼层人口分布状况组成梯群（ElevatorGroup），由微机控制系统统一管理电梯群的召唤和指令信号，根据系统设定的优化目标和建筑物中的实际交通状况，产生最优派梯决策的控制系统。
由于电梯群控系统具有不确定性、多目标性、扰动性、非线性以及信息的不完备性等特点，无法建立其控制对象的精确数学模型，这也正是无法将传统控制技术很好地应用在电梯群控中的根本原因。
近年来，智能控制技术发展十分迅速，它在处理复杂性、不确定性问题时具有较强的实用性，因而将智能控制技术应用到电梯群控算法中，实现电梯群的最优调度。
1.2课题研究的目的和意义
与国外电梯群控技术迅猛的发展态势相比，我国电梯群控技术无论在理论研究还是技术应用上，都存在着较大差距。
随着经济的迅速发展，智能小区越来越多，并向高层化和大型化方向发展，对群控电梯的服务性能提出了更高的要求。
因此，对电梯群控系统控制方法的研究，将对减少候梯时间、改善服务质量、适应现代社会的工作需要有着十分重要的意义。
另一方面，电梯采用群控方式，通过合理地调配电梯减少能耗，能够达到节能的目的，这是符合现代潮流的。
设计的目的就是了解和熟悉电梯群控系统，通过设计来锻炼和提高自身能力。
同时通过研究合适的电梯群控调度算法来对各台电梯进行统一调度，提高电梯的运行效率，减少乘客的候梯时间和乘梯时间，减少系统的能耗，提高电梯系统的服务质量。
2电梯及其群控技术
2.1电梯及其种类
电梯的定义为：
用电力拖动的轿厢运行于铅垂的或倾斜不大于15°的两列刚性导轨之间运送乘客或货物的固定设备。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
根据电梯的用途，目前电梯的基本可分为：
（1）乘客电梯：
为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰；
（2）载货电梯：
主要为运送货物而设计，通常有人伴随电梯；
（3）医用电梯：
为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢具有长而窄的特点；
（4）杂物电梯：
供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯；
（5）观光电梯：
轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯；
（6）车辆电梯：
用作装运车辆的电梯；
（7）船舶电梯：
船舶上使用的电梯；
（8）建筑施工电梯：
建筑施工与维修用的电梯；
（9）其它类型的电梯：
除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯。
2.2电梯控制技术的发展概况
电梯群控系统从20世纪40年代发展至今大体上经历了4个发展阶段。
在硬件上,最初时使用继电器，后来使用集成电路，从1975年开始在群控系统中应用计算机，进入现代电梯群控阶段。
1988年至今，主要研究方向是把人工智能技术应用到群控系统中。
发展情况如表1-1所示。
表1-1电梯群控技术发展
发展阶段
硬件
控制技术和研究重点
1971年以前时期
继电器
区间指派
1971一1975
集成电路
控制候梯时间
1975一1988
计算机控制
通过控制综合评价函数,重点研究系统的动态性能
1988一至今
计算机及网络
神经网络、模糊控制、专家系统等智能算法
1971年前是电梯群控技术的最初阶段,采用的是继电器顺序控制。
这种系统需要单一的厅层召唤系统，每个厅层设有一个上行和一个下行按钮。
控制系统有效地把建筑物内的电梯分开，以提供均匀服务并在指定的停梯层停靠一台或多台电梯。
使用继电控制可以实现电梯的无司机运行，但其控制的主要目标是实现系统的顺序运行，运行效率较低，维护也较复杂。
第二阶段电梯群控系统在硬件上采用了集成电路，使系统结构简化，大大提高了系统的可靠性，并能进行必须的、较为复杂的逻辑运算。
这一时期电梯群控系统采用的调度方式是针对每一个具体的呼梯信号指派电梯，当一个呼梯信号注册后，系统根据交通情况和各轿厢的状态，选择合适的电梯为这个层站呼叫提供服务，这就把群控系统和单台电梯控制器简单地联系在一起，提高了整个系统的可靠性和服务质量。
这种系统使用了集成电路，可以进行一些更加复杂的逻辑运算，但对候梯时间预测的计算却无法精确进行。
从1975年计算机开始应用于电梯群控系统,就此进入现代电梯群控系统阶段。
这一阶段着重研究电梯群控系统的动态特性，控制方式主要是最小候梯时间控制和综合评价函数控制。
在第三阶段的呼梯分配系统中增加了综合评价系统，采用了包括候梯时间、长候梯率及预测误差率在内的多因素作为评价指标，改变了系统对于时变的交通量适应性差的缺点。
第四阶段是电梯群控技术的快速发展阶段。
人工智能的出现,使人们在研究方向上做出了一定的转变，从过去研究电梯交通系统的统计特性到如今更多地利用人工智能技术来研究电梯交通系统的动态特性，目的是更好地提高电梯群控系统的运行效率。
这一阶段，电梯群控技术的研究人员致力于将专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等智能技术应用到电梯群控系统,使系统性能进一步提高。
2.3电梯群控系统的基本原理
2.3.1电梯群控系统基本机构
电梯群控系统是一个相当复杂的系统，需要对几百个信号进行收发，处理。
目前，电梯群控有多种实现方式，但其控制系统的基本结构大同小异。
图2-1为电梯群控系统的一种基本结构框图。
电梯群控控制模块接收轿外呼梯信号，根据派梯策略算法的处理结果将呼梯信号分配给各单梯控制模块，单梯控制模块根据各电梯状态、分配的轿外呼梯信号!
轿内呼梯信号等对电梯进行运行控制。
电梯群控模块是电梯群控系统的核心，负责采集轿外呼叫信号并协调的控制各电梯的运行。
图2-1电梯群控系统基本机构图
……
……
电梯监控系统用于监视电梯群中各电梯系统的状态，特别是有关安全的状态信息，便于掌握系统的工作状态，及时发现系统隐患，排除故障。
同时可以通过该系统对电梯群控系统的相关参数进行配置，实现后台管理。
电梯控制模块控制单台电梯，使其能够独立地上下运行、完成电梯的基本功能。
电梯群控模块是整个电梯群的调度中心。
一方面，它可以采集轿外呼梯信号，根据电梯的当前位置、电梯运行方向、轿厢负荷、客流量等各方面因素对轿外呼梯信号做出合理的分配，并将轿外呼梯信号发送给各电梯的控制模块。
另一方面，电梯群控模块接收用户指令、设置参数并根据需要增减功能，向外部输出电梯的相关信息，供用户查询与监视。
电梯群控模块的核心任务是实现电梯群的协调控制和优化调度。
一旦有层站轿外呼梯按钮被按下，电梯群控模块立即登一记该呼梯请求，并根据群控控制算法来判断最优派梯，决定由哪台电梯来服务。
当电梯到达该层站时，消去显示该层站的呼梯请求，以示该请求己被应答。
电梯群控系统派梯策略与乘客的平均候梯时间、平均乘梯时间!
、长候梯率、系统能耗等性能评价指标息息相关，直接影响电梯群控系统的服务数量和服务质量，因此选择一套性能良好的电梯群控系统派梯策略是至关重要的。
2.3.2电梯群控系统功能
（1）数据采集功能
调度系统应实时检测电梯系统中每一台电梯的运行状态，如每台梯的当前位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号等，并将这些信息传到上层软件，进行相应的调度处理或者显示处理。
（2）数据通信功能
电梯群控系统要实现对电梯运行的合理分配和优化调度，就要在上层调度软件和底层电梯控制器间建立“信息通道”，实现双向通信，进行信息数据和控制命令的传输。
（3）控制功能
群控系统中，各台电梯对厅外呼叫信号的响应是由系统统一进行分配的。
每个厅外呼叫信号并不是直接派给乘客所呼叫电梯的控制器，而是先送到群控调度模块。
调度模块根据各梯的当前状态信息，采用一定的调配策略，用算法分析出哪台梯响应此呼叫信号会使电梯系统得到最优的性能，比如响应时间最短或者系统能耗最小等，再将此厅外呼叫信号分配给该电梯控制器。
因此，群控系统有控制功能，对电梯控制器进行控制，可以命令某电梯去响应某个厅堂外呼信号，也可以使某台梯对某个厅外呼叫不予响应。
（4）预估计算功能
预估计算功能是群控系统的核心部分。
群控系统要对大厦中电梯系统所处的交通状况进行分析，比如客流量以及客流分布、电梯状态以及电梯分布等，通过分析可以对乘客呼叫、轿厢人数、电梯下一站响应情形等进行预测，然后根据一定的规则和策略对各梯工作进行协调调度，使电梯系统得到最优的运行。
（5）监测显示功能
系统可以对每台梯的现行位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号!
响应情况等信息以及对每个乘客厅外呼叫信号的派梯结果进行实时检测，且在主界面上显示。
（6）自学习功能
电梯群控问题仅仅依靠数学描述来实现是不够的，还需要采用对经验知识进行学习、使用和获取的方法,即系统的自学习。
2.3.3电梯群控系统的动态特性分析
电梯群控系统的目的在于对多台电梯进行调度，给出调度的基本规则。
首先要分析电梯群控系统的动态特性，然后针对这些特性确定调度规则，采取有效的控制办法对其进行控制。
电梯群控系统的特点包括：
不确定性、多目标性、扰动性、非线性以及信息的不完备性。
（1）不确定性
在电梯群控系统中,存在着大量的不确定因素：
乘客的目的层不确定。
厅呼的位置不确定。
建筑物内与环境因素有关的、变化的交通状况是不确定的。
这些不确定因素给电梯群控系统确定交通模式，预测轿厢到达目的层时间造成极大困难，使系统不能对某一特定状况给出最优控制。
（2）多目标性
平均候梯时间要求短
乘客的候梯时间：
从乘客按下层站呼梯按钮开始，到所派电梯到达此层时乘客进入轿厢所经过的时间。
平均候梯时间是指所有候梯时间的平均值，它是评价电梯群控系统重要的性能指标。
平均乘梯时间要求短
平均乘梯时间是指从乘客进入电梯到乘客离开电梯所经过配对间的平均值。
统计表明，乘客的烦躁程度是与乘梯时间成正比的，如果乘客的乘梯时间过长，就会造成乘客的烦躁不安，所以乘客的乘梯时间需要保持在一定的范围内。
系统能耗要求小
系统能耗主要是指电梯系统中电机的电能消耗。
对于电梯而言，电梯全速运行时所消耗的电能远远低于加速和减速时所消耗的电能。
电梯停靠的次数越多，消耗的电能就越大。
对电梯群控系统而言,电梯的型号一经确认，单台电梯起停时所消耗的电能就能确定，所以电梯群控系统要合理的安排和调度电梯群对呼梯信号的响应，尽量减少电梯群总体的起停次数，提高电梯的总体利用率，减少空载和少载运行。
长候梯率要求小
长候梯率是指乘客候梯时间超过1分钟的发生比率。
统计表明，乘客的心理烦躁程度与候梯时间的平方成正比。
当乘客的候梯时间超过1分钟，其心理烦躁程度会急剧上升，所以应尽量减少长候梯的发生。
轿厢内拥挤度要求低
轿厢内拥挤度给乘客所带来的不便是显而易见的。
一般以轿厢内乘客数占轿厢额定载重量的百分比来衡量。
（3）扰动性
电梯群控系统还不可避免的具有不确定的随机干扰，如：
乘客可能错误的造成轿厢门不能关闭而干扰系统正常运行；
乘客可能登记了错误的目的层而造成了不必要的停站；
乘客可能登记了错误的厅外呼叫而造成了不必要的停站。
（4）非线性
电梯交通系统存在着非线性：
轿厢对同一呼梯，在不同的时间标度下，分配是不同的，其变化是不连续的；
轿厢容量是有限的，当轿厢容量达到饱和点时，轿厢会不停而过；
所能分配的轿厢数目有限，受系统所有轿厢数目的限制；
对于所有层站的呼梯最小候梯时间的设定而言，考虑最短的时间尺度和较长的时间尺度是不同的。
（5）信息的不完备性
电梯群控系统存在大量的不完整、不准确信息：
乘客进入轿厢前，其目的层是不可知的。
这对乘客乘梯时间的预测，对其他乘客候梯时间和乘梯时间的影响的预测难以实施。
乘客进出轿厢的时间因个体的差异而不同，同样不能准确获得。
电梯轿厢中乘客的人数不能准确的获得，虽然轿厢的底部装有称重装置，但是由于人的个体体重差异较大而不能获得轿厢内乘客人数的准确数据。
这会导致对轿厢内拥挤度和对乘客候梯时间的预测不准确，增加系统控制的难点。
以上所提到的电梯群控系统的多目标性、非线性、不确定性、扰动性和信息的不完备性，说明电梯群控系统是一个非常复杂的控制系统。
3模糊控制
3.1模糊控制发展状况
模糊控制是智能控制的重要组成部分之一。
它是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制方法。
它突破了人类固有的二值逻辑，不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，而是力图将人们关于某个问题的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出用自然语言来表达控制系统的行为规则，更加接近于人的思维方法和推理习惯；它不仅能够处理精确的信息，而且能够处理模糊的信息或其他不明确性信息。
自从Zadeh在1965年提出描述不确定性和语言信息的“模糊集合”概念之后，Mamdani教授首先将其引入到用于表达人类控制决策的不确定性问题上，实现了一台小型蒸汽机的模糊控制，取得了良好的控制效果，标志着模糊控制的正式诞生。
之后经过三十多年的发展，模糊控制已经成为智能控制理论和应用研究中最活跃和丰富的分支。
现在人们已经研制成功各种各样的模糊控制系统。
例如汽车控制系统、电梯升降机控制系统、交通灯指挥控制系统。
这些模糊控制系统的应用取得了明显的效益，并且受到了人们的普遍重视。
目前模糊控制理论作为90年代的高新技术，正得到越来越广泛的应用，被公认为简单而有效的控制技术。
模糊控制一般具有以下特点：
（1）模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集合理论进行的模糊算法，但最后得到的是确定性的!
定量的条件语句。
（2）不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，对于某些系统,要建立数学模型是很困难的，甚至是不可能的。
（3）与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则，由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。
（4）模糊控制与计算机联系密切。
从控制角度看，它实际上是一个有很多条件语句组成的软件控制器。
目前，模糊控制是通过计算机来实现的，模糊规律经过运算，最后进行确定性的控制。
我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作最早见于1979年，1981年成立了中国模糊系统和模糊数学学会。
我国在模糊控制理论的研究方面，大多是在高校和研究所中开展，主要是大量的理论研究和仿真试验研究。
虽然发展很快，同国外先进国家相比，还有很大的差距，尤其是其实际应用方面。
我国现在已经有厂家研制出基于模糊控制的家电产品上市，例如电饭煲，洗衣机等，但是在工业控制中，特别是大规模工业控制中，成功应用的例子仍很少见，因而进一步加强这方面的研究是十分有必要的。
3.2模糊控制基本原理
模糊控制系统是一种以模糊数学为基础的计算机数字控制系统，与一般的计算机控制系统相比，模糊控制系统的控制器是模糊控制器。
模糊控制器是模糊控制的核心。
它是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以又称为模糊语言控制器。
模糊控制器的构成原理如图3-1所示。
图3-1模糊控制器原理
……
……
3.3模糊控制器的设计
在前面模糊控制理论的基础上，我们可以总结出设计模糊控制器的一般步骤。
模糊控制器的设计包含以下几项内容四：
（1）根据系统需求，选择合适的输入输出变量；
（2）设计模糊控制器的控制规则；
（3）确立模糊化和去模糊化的方法；
（4）选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域，并确定模糊控制器的参数；
（5）编制模糊控制算法的应用程序；
（6）合理选择模糊控制算法的采样时间。
3.4模糊控制技术的可行性和必要性分析
电梯群控系统就是在满足乘客候梯时间最小、乘梯时间最小的前提下，将系统能耗降到最低。
这首先就决定了群控系统的多目标性。
电梯系统多个期望目标的优化实现，主要依靠群控系统的派梯功能对各呼梯信号的合理指派。
选择低能耗、高效率的电梯会使电梯系统的能耗降低，但电梯一旦被建筑师所选定，电梯系统能耗的降低就主要依赖派梯系统的合理调度。
同样，其它控制目标的实现也依赖于派梯系统的合理派梯。
3.4.1传统群控电梯的派梯系统
电梯群控系统是一个多目标的协调控制系统，控制目标多，而且各目标之间相互关联，相互冲突。
举个例子来说,轿厢的拥挤度大，可以使平均候梯时间降低，但因为停靠多，则会使乘梯时间变长；电梯系统能耗低，会使平均侯梯时间和长侯梯率增大。
传统上一般都是用综合评价系统来进行派梯，综合评价系统虽然在电梯群控中取得很大成就，但具有不可克服的缺点。
评价系统直接计算系统的控制指标，由于存在大量不确定因素和不准确数据，使控制目标的计算不准确，计算误差直接反映在计算结果中，影响系统的控制性能。
评价系统难以考虑控制目标之间的关联性，不能正确反映各计算指标和系统整体控制目标的关系。
（3）对部分评价标准的模糊推理特别是输入变量的选取不够准确，使得评价标准不能准确反映系统的性能。
（4）没有考虑一些必要的控制标准，系统的评价函数对系统综合性能的评价不够完全，仅依据部分控制指标调度电梯，系统的综合性能仍然存在很大的不足。
3.4.2模糊派梯系统
模糊派梯系统出现以后，解决了很多传统的综合评价系统所不能解决的问题。
（1）电梯群控系统中存在着大量的不确定性、非线性、扰动性和不准确性因素，这使得派梯系统不能获得准确的数据，在获得的数据中掺杂着各种扰动信号。
模糊控制技术不仅能处理精确信息，也能处理模糊信息和其它不明确信息，能实现精确性联想和映射。
（2）电梯群控系统不能建立解析的数学模型来描述系统的特性，不能用传统的控制理论进行控制。
但是人们在实际应用中总结了大量的经验和专门知识，这些经验和知识可以用规则进行描述，用以控制电梯系统。
模糊控制技术恰恰能利用控制规则，模拟人脑的推理过程，进行综合推理，实现对电梯群控系统的优化控制。
（3）模糊控制通过对输入量的模糊化和它的综合推理可以弱化数据的不准确对系统的影响。
通过模糊控制规则的建立可以综合考虑各变量及控制目标之间的关联以及各计算指标同系统整体控制目标之间的关系。
由以上分析可以充分说明将模糊控制应用到电梯群控中的可行性和必要性。
3.5小结
本章主要
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