JP7012488B2 - Elevator door control and elevator door drive system - Google Patents
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Description
本発明はエレベーターのドア制御装置、ならびにそれを用いるエレベーターのドア駆動システムに関する。 The present invention relates to an elevator door control device and an elevator door drive system using the same.
エレベーターのドア制御装置は、かご側に取り付けられており、モータの動力によってドアパネルをスライドさせることにより、ドアの開閉動作を制御する。 The door control device of the elevator is attached to the car side, and controls the opening / closing operation of the door by sliding the door panel by the power of the motor.
ドアパネルは、プーリに巻き掛けられる無端状のベルト(Vベルト、歯付ベルトなど)または鋼線ロープに結合される。モータの動力によってベルトまたは鋼線ロープが駆動されると、ドアパネルがともに動いて左右にスライドする。 The door panel is coupled to an endless belt (V-belt, toothed belt, etc.) or steel wire rope wrapped around the pulley. When the belt or steel rope is driven by the power of the motor, the door panels move together and slide left and right.
ドアパネルは、かご出入口の上部に設けられるドアレールに懸架される。また、ドアパネルの下部に設けられるドアシューが、かご床部における敷居(シル)の溝に、摺動可能に係合する。ドアパネルは、ドアレールおよび敷居の溝に案内されて、出入口からずれることなく一定方向にスライドする。 The door panel is suspended on a door rail provided at the top of the car doorway. Further, the door shoe provided at the lower part of the door panel slidably engages with the groove of the threshold (sill) in the car floor. The door panel is guided by the door rail and the groove of the threshold, and slides in a certain direction without shifting from the doorway.
かごが着床している時、乗場側ドアとかご側ドアは、各ドアに設けられる係合子によって互いに係合される。これにより、かご側のドアが駆動されると乗場側ドアも駆動されるので、両ドアは同時に開閉する。 When the car is on the floor, the landing side door and the car side door are engaged with each other by the engaging element provided on each door. As a result, when the door on the car side is driven, the door on the landing side is also driven, so that both doors open and close at the same time.
上述のような機構を備えるドアの開閉制御においては、速度追従性能と振動抑制性能の両立が要求される。速度追従性能が低いと、速度誤差に伴って位置誤差が生じるため、ドアが、速度指令に応じた所望の距離を正確に移動できなくなる。これにより、ドアの減速開始位置が所定位置からずれるため、ドアが開端部あるいは閉端部に衝突したり、ドアが開端部あるいは閉端部まで移動する時間が長くなったりする。また、振動抑制性能が低いと、ドアが振動して騒音が発生したり、低周波数で共振して機構部が破損したりする。 In the opening / closing control of a door provided with the above-mentioned mechanism, both speed tracking performance and vibration suppression performance are required. If the speed tracking performance is low, a position error will occur along with the speed error, and the door will not be able to accurately move the desired distance according to the speed command. As a result, the deceleration start position of the door deviates from the predetermined position, so that the door collides with the open end portion or the closed end portion, or the door moves to the open end portion or the closed end portion for a long time. Further, if the vibration suppression performance is low, the door may vibrate to generate noise, or the door may resonate at a low frequency to damage the mechanism.
速度追従性能と振動抑制性能は、通常の比例積分制御(PI制御)ではトレードオフの関係にあるので、所望の性能を得るために、ドア機構やその動作状態に応じて制御ゲインや制御指令の調整が必要となる。 Since the speed tracking performance and the vibration suppression performance are in a trade-off relationship in normal proportional integral control (PI control), in order to obtain the desired performance, the control gain and control command are set according to the door mechanism and its operating state. Adjustment is required.
たとえば、ドアの重量やドア開閉時の制御データの履歴に基づいて、制御ゲインを変更したり(特許文献1および特許文献2参照)、速度指令のパターンを変更したりする(特許文献3参照)。 For example, the control gain may be changed (see Patent Document 1 and Patent Document 2) or the speed command pattern may be changed based on the weight of the door or the history of control data when the door is opened / closed (see Patent Document 3). ..
また、ドアの開閉制御においては、安全性も要求される。これに対し、ドアが閉じる時の運動エネルギーが基準値を満たすように速度指令値を設定することにより、乗客がドアに挟まれた場合の衝撃が緩和される(特許文献4参照)。 In addition, safety is also required for door opening / closing control. On the other hand, by setting the speed command value so that the kinetic energy when the door closes satisfies the reference value, the impact when the passenger is pinched by the door is alleviated (see Patent Document 4).
しかしながら、制御ゲインを変更すると、速度追従性は向上するものの、制御器の応答周波数が変化するため、ドア機構の共振周波数と制御器の応答帯域が重なると、振動や騒音が発生する。従って、振動抑制性能を満足できるとは限らない。 However, if the control gain is changed, the speed followability is improved, but the response frequency of the controller changes. Therefore, when the resonance frequency of the door mechanism and the response band of the controller overlap, vibration and noise are generated. Therefore, the vibration suppression performance may not always be satisfied.
また、速度指令のパターンを変更すると、ドアの運動エネルギーが変わるため、変更後のパターンによっては、ドアの運動エネルギーが大きくなる。従って、十分な安全性を確保することが難しくなる。 Further, when the speed command pattern is changed, the kinetic energy of the door changes, so that the kinetic energy of the door increases depending on the changed pattern. Therefore, it becomes difficult to ensure sufficient safety.
また、運動エネルギーが基準値を満たすように速度指令値を設定するだけでは、十分な安全性を確保できても、速度追従性能および振動抑制性能の両立は難しい。 Further, even if sufficient safety can be ensured only by setting the speed command value so that the kinetic energy satisfies the reference value, it is difficult to achieve both speed tracking performance and vibration suppression performance.
そこで、本発明は、複数の性能を両立させることができるエレベーターのドア制御装置ならびにそれを用いるエレベーターのドア駆動システムを提供する。 Therefore, the present invention provides an elevator door control device capable of achieving both of a plurality of performances and an elevator door drive system using the same.
上記課題を解決するために、本発明によるエレベーターのドア制御装置は、乗りかごに設けられるドア機構を駆動するための制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するものであって、制御入力に応じて、制御指令を作成する制御部と、ドア動作状態および制御入力を併せて評価する評価指標を有し、評価指標を最適化する制御入力を演算し、演算される制御入力を制御部へ出力する最適制御部と、を備え、さらに、次のいずれかの手段を備える。
第1の手段として、最適制御部は、ドア機構のモデルを有し、モデルによってドア動作状態を演算し、演算されるドア動作状態に基づいて、評価指標を最適化する制御入力を演算し、最適制御部は、モデルによって現時刻から所定時間までの予測区間におけるドア動作状態を演算し、演算されるドア動作状態に基づいて、予測区間における評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、ドア機構のドア動作状態を検出する検出部を備え、最適制御部は、検出部からのドア動作状態の帰還値を初期値として、ドア動作状態を演算する。
第2の手段として、ドア動作状態は、ドア機構におけるドアの加速度を含む。
第3の手段として、ドア動作状態が、ドア機構におけるドアの速度および加速度であり、制御入力が電流指令である。
第4の手段として、ドア動作状態が、ドア機構におけるドアの位置および加速度であり、制御入力が速度指令である。
In order to solve the above problems, the door control device for an elevator according to the present invention outputs a control command for driving a door mechanism provided in a car according to a target command of a door operating state. It has a control unit that creates control commands according to the control input, and an evaluation index that evaluates the door operating state and control input together. It calculates the control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input. It includes an optimum control unit that outputs to the control unit, and further comprises any of the following means.
As the first means, the optimum control unit has a model of the door mechanism, calculates the door operating state by the model, and calculates the control input for optimizing the evaluation index based on the calculated door operating state. The optimum control unit calculates the door operating state in the predicted section from the current time to the predetermined time by the model, and calculates the control input for optimizing the evaluation index in the predicted section based on the calculated door operating state. A detection unit for detecting the door operation state of the door mechanism is provided, and the optimum control unit calculates the door operation state with the feedback value of the door operation state from the detection unit as an initial value.
As a second means, the door operating state includes the acceleration of the door in the door mechanism.
As a third means, the door operating state is the speed and acceleration of the door in the door mechanism, and the control input is the current command.
As a fourth means, the door operating state is the position and acceleration of the door in the door mechanism, and the control input is the speed command.
また、上記課題を解決するために、本発明によるエレベーターのドア駆動システムは、モータと、モータによって開閉駆動されるドアと、モータを駆動するインバータ装置とを備え、乗りかごに設けられるドア機構と、ドア機構を駆動するためにインバータ装置に与えられる制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するドア制御装置と、を備えるものであって、前記ドア制御装置は、上記本発明によるエレベーターのドア制御装置である。 Further, in order to solve the above problems, the door drive system of the elevator according to the present invention includes a motor, a door opened and closed by the motor, and an inverter device for driving the motor, and has a door mechanism provided in the car. The door control device includes a door control device that outputs a control command given to the inverter device for driving the door mechanism according to a target command of the door operating state, and the door control device is according to the present invention. It is an elevator door control device .
本発明によれば、ドア動作状態に関する複数の性能を両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both a plurality of performances related to a door operating state.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例1~2により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the following Examples 1 and 2 with reference to the drawings. In each figure, those having the same reference number indicate the same constituent requirements or the constituent requirements having similar functions.
図1は、本発明の実施例1である、ドア制御装置(ドア制御コントローラ)を含む、エレベーターのドア駆動システムを示す全体構成図である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an elevator door drive system including a door control device (door control controller) according to the first embodiment of the present invention.
図1中、103は階床間を昇降するエレベーターの乗りかごであり、構成要素101,102,104~107によって乗りかご103のドア機構が構成される。101は直流電源、102は直流電源101によって充電される直流コンデンサ、104は乗りかご103のドアを開閉するドアモータ、105はドアモータ104を駆動するインバータ装置、106はドアモータ104に流れる電流を検出するモータ電流検出器、107はドアモータ104の回転数や回転子位置を検出するロータリーエンコーダを示す。本実施例1においては、ドアモータ104として、永久磁石同期モータが適用される。
In FIG. 1, 103 is an elevator car that moves up and down between floors, and the door mechanism of the
なお、ドア機構の構成要素としては、他に、ドアパネルが結合されて、ドアモータ104によって駆動される無端状のベルトなどがあるが、ドア機構自体は、公知の技術によるものであり、詳細な説明は省略する。
In addition, as a component of the door mechanism, there is an endless belt to which the door panel is connected and driven by the
図1中、108~117はインバータ装置105を制御するドア制御コントローラの構成要素を示す。なお、各構成要素については後述する。
In FIG. 1, FIGS. 108 to 117 show components of a door control controller that controls the
直流電源101の直流電力を直流コンデンサ102に充電することで、インバータ装置105への電圧一定の直流入力電力を得る。この直流入力電力は、ドア制御コントローラが出力する制御指令に応じてインバータ装置105を制御することで、交流電力に変換される。インバータ装置105から出力されるこの交流電力によってドアモータ104が回転されて、ドアの開閉が制御される。なお、本実施例1において、ドア制御コントローラが出力する制御指令は、インバータ装置105の主回路を構成する電力変換用半導体スイッチング素子のオン・オフを制御するPWM(Pulse Width Modulation)指令である。電力変換用半導体スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)や接合形バイポーラトランジスタなどが適用できる。
By charging the
次に、ドア制御コントローラについて説明する。 Next, the door control controller will be described.
以下に詳述するように、本実施例1におけるドア制御コントローラは、ドア動作状態の目標指令である速度指令および加速度指令に応じて、ドア機構を駆動するための制御指令、すなわち前述のPWM指令を出力する。ここで、PWM指令は電流制御部108から出力されるが、この時、電流制御部108への制御入力である電流指令(モータ電流の指令値)は、いわゆる最適制御を適用して作成される。
As described in detail below, the door control controller in the first embodiment is a control command for driving the door mechanism in response to a speed command and an acceleration command which are target commands of the door operating state, that is, the above-mentioned PWM command. Is output. Here, the PWM command is output from the
モータ電流検出器106で検出されるモータ電流の値がドア制御コントローラに取り込まれ、電流制御部108に入力される。電流制御部108は、永久磁石同期モータを制御するためのベクトル制御により、検出されるモータ電流が電流指令によって与えられる所望の電流値となるようにdq軸電圧指令を作成する。さらに、電流制御部108は、dq軸電圧指令を2相3相座標変換により三相電圧指令に変換し、この三相電圧指令に基づいて作成するPWM指令をインバータ装置105における電力変換用半導体スイッチング素子へ出力する。
The value of the motor current detected by the motor
また、ロータリーエンコーダ107は、ドアモータ104の回転に同期してパルス信号を出力する。このパルス信号は、速度検出部109に入力される。速度検出部109は、入力されるパルス信号の間隔や単位時間あたりのパルス数などから、ドアモータ104の速度を検出し、その速度情報を速度帰還値として、最適制御部113へ出力する。
Further, the
加速度センサ116は、ドアの振動状態を示すドアの加速度を検出する。検出された加速度は加速度検出部117に入力される。加速度検出部117は、入力される加速度のアナログ信号をD/A変換することで加速度情報とし、その加速度情報を加速度帰還値として、最適制御部113へ出力する。加速度センサ116としては、たとえば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が利用される3軸加速度センサなどが適用される。
The
なお、本実施例1では、速度および加速度がそれぞれセンシングされるが、これに限らず、速度情報を微分して加速度情報を算出したり、速度および加速度をオブザーバやカルマンフィルタなどを用いて推定したりしてもよい。 In the first embodiment, the velocity and the acceleration are sensed respectively, but the present invention is not limited to this, and the velocity information is differentiated to calculate the acceleration information, or the velocity and the acceleration are estimated by using an observer, a Kalman filter, or the like. You may.
加速度指令生成部110は、ドアの振動加速度に対する指令値を生成して、最適制御部113へ出力する。なお、通常、ドアの振動を抑えるため、指令値は零である。
The acceleration
速度指令生成部111は、速度指令すなわちドアの速度パターンを生成して、最適制御部113へ出力する。速度パターンの一例を図2に示す。なお、図2には、対応する加速度パターン、すなわちドア走行方向の加速度を併記する。
The speed command generation unit 111 generates a speed command, that is, a speed pattern of the door, and outputs the speed command to the
図2に示すように、ドアを開閉させるときの速度パターンは、ドア走行開始時およびドア停止時、すなわち戸の開閉端部では低速であり、間口すなわちドア走行範囲の中央付近で最大速度となる。本速度パターンは、図2に示すように、いわば帽子(ハット)型の速度パターンである。 As shown in FIG. 2, the speed pattern when opening and closing the door is low at the start and stop of the door running, that is, at the opening / closing end of the door, and becomes the maximum speed near the frontage, that is, near the center of the door running range. .. As shown in FIG. 2, this velocity pattern is, so to speak, a hat-shaped velocity pattern.
最適制御部113(図1)は、ドアの機構部分に関する運動方程式で表現されるドアモデル114と、最適制御問題を解くためのソルバである最適化器115を備える。最適制御部113は、加速度指令生成部110から入力する加速度指令と、速度指令生成部111から入力する速度パターン(速度指令)とに基づいて、速度検出部109で検出される速度帰還値が速度指令に追従するように、かつ加速度検出部117で検出される加速度帰還値が加速度指令に追従してドアの振動が抑えられるように、電流指令を、最適制御問題を解くことにより作成して、電流制御部108へ出力する。
The optimum control unit 113 (FIG. 1) includes a
本実施例1において、ドアモデル114における運動方程式は、状態量として速度および加速度を含むいわゆる状態方程式によって表わされる。さらに、運動方程式はドア駆動力を含む。駆動力は、ドアモータ104のトルクによって与えられるので、ドアモータ104に流れるモータ電流に依存する。そこで、本実施例1において、ドア駆動力は、最適制御部113から電流制御部108へ出力される電流指令で表され、運動方程式は電流指令を含む。
In the first embodiment, the equation of motion in the
ここで、最適制御部113においては、ドア動作状態である速度および加速度、ならびにドア駆動力を与える電流指令が、後述するように所定の評価指標により、併せて総合的に評価される。最適制御部113は、評価指標を最適化する電流指令を演算し、演算した電流指令を、制御入力として電流制御部に与える。なお、本実施例1においては、評価指標が所定の関数(評価関数)によって表わされる。
Here, in the
ここで、評価する速度および加速度は、それぞれ、ドアモデル114によって演算される、ドア機構の速度応答および加速度応答である。なお、追従性を評価するために、評価指標においては、速度指令と速度応答との差分、並びに加速度指令と加速度応答との差分を評価値とする。また、本実施例1においては、安全性を確保するため、速度応答および加速度応答に応じたドアの運動エネルギーを評価する。従って、ドアの運動エネルギーも、評価指標における評価値とする。
Here, the velocity and acceleration to be evaluated are the velocity response and acceleration response of the door mechanism calculated by the
なお、本実施例1において、最適制御における評価指標は、上記の各評価値を変数とする所定の関数(評価関数)によって表わされる。 In the first embodiment, the evaluation index in the optimum control is represented by a predetermined function (evaluation function) having each of the above evaluation values as a variable.
さらに、本実施例1において、最適制御部113は、現時点において加速度検出部117および速度検出部109がそれぞれ出力する加速度帰還値および速度帰還値を初期値として、ドアモデル114を用いて、現時点から所定時間分の将来(以下、「予測期間」と記す)の速度応答および加速度応答を演算する。最適制御部113は、演算された各応答について評価値を演算し、最適化器115を用いて、電流指令を含めて各評価値を含む評価関数について、予測期間における所定時間分の積分値が最適(例えば、最小もしくは最大)になる場合の電流指令を演算する。なお、具体的な演算手段については後述する。
Further, in the first embodiment, the
制約条件記憶部112は、最適制御部113が最適制御問題を解くための制約条件を記憶する。従って、最適制御部113は、制約条件記憶部112から制約条件を読み出し、読み出した制約条件のもとで最適制御を実行する。制約条件は、たとえば、「速度検出値の最大値および最小値」、「電流指令の最大値および最小値」、「電流指令の傾きの最大値および最小値」、「ドアの運動エネルギーの最大値および最小値」である。これらは、いわば、最適制御部113の入出力の最大・最小値や入出力の傾きの最大・最小値である。
The constraint
なお、最適制御問題において、ドアモデル114における状態量(状態方程式)を制約条件とすることもできる。たとえば、ドア機構部の運動方程式の出力部(出力方程式)にドア端の速度が含まれる場合、ドア端の速度に関する状態量を制約条件にすることができる。この場合、ドア端の速度とドアの運動エネルギーとは対応するので、運動エネルギーを運動方程式の出力部に追加して、ドアモデル114に運動エネルギーを新たな状態量として追加することにより、制約条件を変形して用いても良い。
In the optimal control problem, the state quantity (state equation) in the
以下、最適制御部113における演算手段について説明する。なお、まず、最適制御問題の一般論に沿って説明し、次に、本実施例1に適用される演算手段について説明する。
Hereinafter, the calculation means in the
最適制御部113は、有限時間の範囲内(予測期間)で、状態フィードバック制御則を求めることが問題として設定される最適制御問題を解くことにより出力(電流指令)を決定する。このような制御は、一般的には、「モデル予測制御(Model Predictive Control:MPCと略記される)」、または「receding horizon 制御(RH制御と略記される)と呼ばれる。ここで、ドアの状態方程式を時不変として式(1)で定義する。
The
x(t)は状態ベクトルであり、ドアの速度、加速度、運動エネルギーなどを状態量とする。またu(t)は制御入力ベクトルであり、電流指令やトルク指令に対応する。 x (t) is a state vector, and the speed, acceleration, kinetic energy, etc. of the door are used as state quantities. Further, u (t) is a control input vector and corresponds to a current command and a torque command.
式(1)によって表わされるドアモデルとしては、たとえば、モータからドアパネルまで含めて一つの慣性とするモデルや、モータと接続されているベルトをばね・ダンパとするモデルなどがある。適用するモデルは、要求される制御性能(制振性能や追従性能など)に応じて、適宜選択される。一般的には、より高次化したモデルが、制御性能が高いが、計算コストが高くなるので、計算コストも考慮してモデルを選択することが好ましい。 Examples of the door model represented by the equation (1) include a model having one inertia including the motor to the door panel, and a model having a belt connected to the motor as a spring / damper. The model to be applied is appropriately selected according to the required control performance (vibration damping performance, tracking performance, etc.). In general, a higher-order model has higher control performance, but a higher calculation cost. Therefore, it is preferable to select a model in consideration of the calculation cost.
本実施例1においては、適用されるモデルに関わらず、ドアの運動エネルギーを制約条件とする。これにより、運動エネルギーが過大あるいは過小になることなく、ドアを開閉することが可能となる。さらに、制約条件の範囲内で評価値(ドア速度およびドア加速度については、これらと指令値との差分)の時間積分、あるいはこれら評価値を含む評価関数の時間積分が最も小さくなるようにu(t)を設定することにより、制約条件を満足しつつ、速度追従性と振動抑制性能を共に向上することができる。 In the first embodiment, the kinetic energy of the door is a constraint regardless of the model to be applied. This makes it possible to open and close the door without the kinetic energy being too much or too little. Furthermore, u (so that the time integration of the evaluation values (for door speed and door acceleration, the difference between these and the command value) or the time integration of the evaluation function including these evaluation values is the smallest within the constraints. By setting t), both speed followability and vibration suppression performance can be improved while satisfying the constraint conditions.
モデル予測制御における最適制御問題では、システムの応答を最適化するために、式(2)のような評価関数Jが最小化されることが知られている。式(2)において、右辺第一項および積分されるLは、スカラー値関数である。 In the optimal control problem in model predictive control, it is known that the evaluation function J as in Eq. (2) is minimized in order to optimize the response of the system. In equation (2), the first term on the right-hand side and L to be integrated are scalar value functions.
ここで、tは制御する現在時刻、Tは評価をする将来の時間である評価区間長さを示しており、この区間内で、Jを最小にする制御入力ベクトルu(t)を演算する。これにより、有限な将来時間までの最適な制御入力を求めることができる。 Here, t indicates the current time to be controlled, T indicates the length of the evaluation section which is the future time to be evaluated, and within this section, the control input vector u (t) that minimizes J is calculated. This makes it possible to obtain the optimum control input until a finite future time.
制御入力ベクトルu(t)を求めるために、式(3)のようなハミルトニアンHが導入される。 In order to obtain the control input vector u (t), the Hamiltonian H as in the equation (3) is introduced.
式(3)のハミルトニアンHを導入すると、評価関数Jの第一変分の停留条件から導かれる式(5)~(7)ならびに状態方程式(式(4))から、u(t)を求めることができことが知られている。 When the Hamiltonian H of the equation (3) is introduced, u (t) is obtained from the equations (5) to (7) derived from the retention condition of the first variation of the evaluation function J and the equation of state (equation (4)). It is known that it can be done.
ここで、λは随伴変数ベクトル、μは終端状態量固定条件に対するラグランジュ乗数ベクトルである。モデル予測制御(MPC)においては、各時刻において、状態量x0を初期値として、上記の式を数値解析的に解くことで、評価関数Jを最小にする最適な制御入力uoptを求めることができる。なお、数値解析的に解く方法としては、間接法として、勾配法であるニュートン法や最急降下法などが知られている。また、直接法として、非線形計画問題に変換し、有効制約法や内点法を用いる解法が知られている。 Here, λ is the contingent variable vector, and μ is the Lagrange multiplier vector for the fixed condition of the terminal state quantity. In model predictive control (MPC), the optimum control input update that minimizes the evaluation function J is obtained by numerically solving the above equation with the state quantity x 0 as the initial value at each time. Can be done. As an indirect method, a gradient method such as Newton's method or the steepest descent method is known as a method for numerically analyzing. Further, as a direct method, a solution method that converts into a nonlinear programming problem and uses an active constraint method or an interior point method is known.
本実施例1においては、速度追従性能と振動抑制性能を両立させ、同時に制約条件(運動エネルギー)を満足するために、式(8)のように複数の評価値を含む二次形式の評価関数Jが設定される。また、式(9)および式(10)は制約条件を示す。 In the first embodiment, in order to achieve both speed tracking performance and vibration suppression performance and at the same time satisfy the constraint condition (kinetic energy), a quadratic evaluation function including a plurality of evaluation values as shown in Eq. (8). J is set. Moreover, the equation (9) and the equation (10) show the constraint condition.
式(8)において、vdは速度応答、vrefは速度指令値、adは加速度応答、arefは加速度指令値、uは電流指令の大きさ、Vは運動エネルギーを示す。また、w1~w4は重み係数であり、各重みのバランスは、解析や試験によって調整される。 In equation (8), v d is the velocity response, v ref is the velocity command value, a d is the acceleration response, a ref is the acceleration command value, u is the magnitude of the current command, and V is the kinetic energy. Further, w 1 to w 4 are weight coefficients, and the balance of each weight is adjusted by analysis or test.
式(9)は電流指令の最大値・最小値を示している。式(9)の制約条件により、出力の急激な変化が抑制される。式(10)は、運動エネルギーの最大値・最小値を示している。式(10)の制約条件により、ドアの移動時の運動エネルギーが、過大もしくは過小にならないように制御される。 Equation (9) shows the maximum and minimum values of the current command. Due to the constraint condition of the equation (9), a sudden change in the output is suppressed. Equation (10) shows the maximum and minimum values of kinetic energy. According to the constraint condition of the equation (10), the kinetic energy at the time of moving the door is controlled so as not to be excessive or too small.
式(8)において、第一項は速度の追従誤差を示し、第二項は加速度の追従誤差を示す。このように、これらの項が評価関数に含まれることにより、速度追従性能と振動抑制性能が両立する。 In the equation (8), the first term indicates the velocity tracking error, and the second term indicates the acceleration tracking error. By including these terms in the evaluation function in this way, both speed tracking performance and vibration suppression performance are compatible.
上述のように、式(3)~(7)を用いて、式(8)の評価関数Jを最小にする最適な制御入力uopt(電流指令)を、数値解析的に求めることができる。このとき、所定の時間間隔で、上述の予測期間についての演算を繰り返し、各時点における演算によって、逐次、uoptが設定される。 As described above, the optimum control input unit (current command) that minimizes the evaluation function J of the equation (8) can be numerically obtained by using the equations (3) to (7). At this time, the calculation for the above-mentioned prediction period is repeated at predetermined time intervals, and the update is sequentially set by the calculation at each time point.
図3は、本実施例1におけるモデル予測制御によるドアの速度波形の一例を示す。なお、図3中には、速度指令(速度パターン)を併記する。 FIG. 3 shows an example of the speed waveform of the door by the model predictive control in the first embodiment. A speed command (speed pattern) is also shown in FIG.
図3に示すように、速度波形の形状は速度パターンに実質的に一致している。このように、本実施例1は良好な速度追従性能を示す。 As shown in FIG. 3, the shape of the velocity waveform substantially matches the velocity pattern. As described above, the first embodiment shows good speed tracking performance.
図4は、比較例として、通常の比例積分制御による速度波形例を示す。図4の波形例においては、本実施例1(図3)とは異なり、速度のピーク付近などにおいて、速度パターンからのずれがある。 FIG. 4 shows an example of a velocity waveform by ordinary proportional integral control as a comparative example. In the waveform example of FIG. 4, unlike the first embodiment (FIG. 3), there is a deviation from the velocity pattern near the peak of the velocity.
図5は、本実施例1におけるモデル予測制御(MPC)と、比例積分制御(PI制御)とによる、ドアの加速度波形例を示す。 FIG. 5 shows an example of the acceleration waveform of the door by the model predictive control (MPC) and the proportional integral control (PI control) in the first embodiment.
図5に示すように、本実施例1におけるモデル予測制御(MPC)によれば、良好な速度追従性を確保しながら(図3)、ドアの振動を抑えることができる。 As shown in FIG. 5, according to the model predictive control (MPC) in the first embodiment, it is possible to suppress the vibration of the door while ensuring good speed followability (FIG. 3).
上述のように、本実施例1によれば、ドアの速度および加速度を併せて評価する最適制御により、電流指令が設定されるので、速度追従性と振動抑制性能を両立させることが可能となる。また、ドアの運動エネルギーを制約条件のもとで評価するので、乗客がドアに接触した場合にも安全性が確保されるとともに、省エネルギー性が向上する。 As described above, according to the first embodiment, since the current command is set by the optimum control that evaluates the speed and the acceleration of the door together, it is possible to achieve both the speed followability and the vibration suppression performance. .. In addition, since the kinetic energy of the door is evaluated under the constraint condition, safety is ensured even when a passenger comes into contact with the door, and energy saving is improved.
また、本実施例1においては、複数の制御性能(速度追従性、振動抑制)およびドアの運動エネルギーを、一つの評価関数によって、一括して評価するため、複数の制御性能および運動エネルギーのバランスをとるために、制御ゲインを複雑に調整したり、制御系を再設計したりすることを不要にできる。 Further, in the first embodiment, since the plurality of control performances (speed followability, vibration suppression) and the kinetic energy of the door are collectively evaluated by one evaluation function, the balance of the plurality of control performances and the kinetic energy is achieved. It is possible to eliminate the need for complicated adjustment of the control gain and redesign of the control system.
なお、本実施例1のように、逐次演算することなく、図2のような所定の速度パターンに対し、最適制御問題を解くことにより、予め電流指令パターンを求め、求められた電流指令パターンに従ってインバータ装置105を制御することも可能である。
It should be noted that, as in the first embodiment, the current command pattern is obtained in advance by solving the optimum control problem for the predetermined speed pattern as shown in FIG. 2 without performing sequential calculation, and the current command pattern is obtained according to the obtained current command pattern. It is also possible to control the
図6は、本発明の実施例2である、ドア制御装置(ドア制御コントローラ)を含む、エレベーターのドア駆動システムを示す全体構成図である。以下、主に、実施例1と異なる点について説明する。 FIG. 6 is an overall configuration diagram showing an elevator door drive system including a door control device (door control controller) according to a second embodiment of the present invention. Hereinafter, the points different from those of the first embodiment will be mainly described.
本実施例2においては、位置指令生成部201により生成される位置パターン(位置指令)が、最適制御部113に入力される。また、位置検出部203は、速度検出部109から出力される速度情報を積分して、ドア(またはモータ)の位置(移動距離)を演算する。演算される位置情報は、位置帰還値として最適制御部113へ入力される。
In the second embodiment, the position pattern (position command) generated by the position
最適制御部113は、位置指令と、加速度指令生成部110により生成される加速度指令とに基づいて、位置帰還値が位置指令に追従するように、かつドアモデル114における状態量である加速度が加速度指令に追従してドアの振動が抑えられるように、速度指令を、最適制御問題を解くことにより作成して、速度制御部202へ出力する。
The
本実施例2において、PWM指令を作成する制御部は、電流制御部108と速度制御部202によって構成される。速度制御部202は、最適制御部113から入力する速度指令と、速度検出部109よりフィードバックされる速度情報帰還値とに基づいて、速度情報帰還値が速度指令に追従するように、比例積分制御などにより電流指令を作成して、電流制御部108へ出力する。電流制御部108は、実施例1と同様に、検出されるモータ電流が電流指令によって与えられる所望の電流値となるようにPWM指令を作成する。
In the second embodiment, the control unit for creating the PWM command is composed of the
本実施例2においては、最適制御部113は、評価指標により、位置、加速度、速度指令、ドアの運動エネルギーを評価する。ここで、評価される位置および加速度は、それぞれ、ドアモデル114によって演算される、ドア機構の位置応答、および状態量である加速度である。
In the second embodiment, the
本実施例2においては、最適制御部113が、評価指標として式(11)のような評価関数Jを最小とする速度指令を演算する。これにより、ドアの振動を抑えつつ、制約条件の範囲で最速で開閉されるような速度パターンが得られる。
In the second embodiment, the
式(11)において、pdは位置応答、prefは位置指令値、adは状態量である加速度の値、arefは加速度指令値、uは最適制御部113から速度制御部202への制御入力(速度指令)の大きさ、Vはドアの運動エネルギーである。w1~w4は重み係数であり、各重みのバランスは、解析や試験によって調整される。
In equation (11), p d is a position response, p ref is a position command value, a d is an acceleration value which is a state quantity, a ref is an acceleration command value, and u is from the
本実施例2においても、制約条件は、式(9)および式(10)で示される。ただし、式(9)は、速度指令の最大値・最小値を示す。 Also in the second embodiment, the constraint conditions are represented by the equations (9) and (10). However, the equation (9) indicates the maximum value / minimum value of the speed command.
式(11)において、第一項は位置の追従誤差を示し、第二項は加速度の追従誤差を示す。このように、これらの項が評価関数に含まれることにより、位置追従性能と振動抑制性能が両立するとともに、位置の追従誤差を最小とすることで、制約条件のもとで、最短時間でドアが開閉する速度パターンが作成される。 In the equation (11), the first term indicates the position tracking error, and the second term indicates the acceleration tracking error. In this way, by including these terms in the evaluation function, both position tracking performance and vibration suppression performance are compatible, and by minimizing the position tracking error, the door can be opened in the shortest time under constraints. Creates a speed pattern that opens and closes.
図7は、本実施例2におけるモデル予測制御によるドアの速度指令(速度パターン)および速度波形を示す。図7中に、位置指令生成部201によって生成される位置パターン(位置指令)を併記する。
FIG. 7 shows the speed command (speed pattern) and the speed waveform of the door by the model prediction control in the second embodiment. A position pattern (position command) generated by the position
図7は、ドア開時における速度パターンおよび速度波形を示す。ドア始動時はドアの係合部の騒音を低減するために、かご側および乗場側ドアの係合子同士が接触する位置Aを位置指令とし、その後ドアの開端位置Bを位置指令とする。 FIG. 7 shows the speed pattern and the speed waveform when the door is opened. At the time of starting the door, in order to reduce the noise of the door engaging portion, the position A where the engaging elements of the car side and the landing side doors come into contact with each other is set as the position command, and then the open end position B of the door is set as the position command.
図7に示すように、本実施例2において生成される速度パターンは、ドアの開閉時間を最短にするために、図2に示す速度パターンとは形状が異なる。 As shown in FIG. 7, the speed pattern generated in the second embodiment has a different shape from the speed pattern shown in FIG. 2 in order to minimize the opening / closing time of the door.
通常、ドアの開閉は、速度制御系で制御されることが多く、図2に示すような速度パターンが適用される。図2の速度パターンは、開端および閉端付近における低速域と、両端間の中央部における高速域を有している。低速域は、開閉開始時における騒音低減や、ドアが受ける衝撃力低減を考慮して設けられる。図2のような速度パターンの形状は、経験的に取得されたものである。しかし、図2のような速度パターンでは、開閉時間が最短とは限らない。これに対し、本実施例2では、最適制御問題を解くことによって、開閉速度が最短となる速度パターンの形状が得られる。 Normally, the opening and closing of the door is often controlled by the speed control system, and the speed pattern as shown in FIG. 2 is applied. The velocity pattern of FIG. 2 has a low speed region near the open end and the closed end, and a high speed region in the central portion between both ends. The low speed range is provided in consideration of noise reduction at the start of opening and closing and reduction of the impact force received by the door. The shape of the velocity pattern as shown in FIG. 2 is empirically acquired. However, in the speed pattern as shown in FIG. 2, the opening / closing time is not always the shortest. On the other hand, in the second embodiment, the shape of the speed pattern having the shortest opening / closing speed can be obtained by solving the optimum control problem.
上述のように、本実施例2によれば、ドアの位置および加速度を併せて評価する最適制御により、速度指令が設定されるので、位置追従性と振動抑制性能を両立させながら、最速でドアを開閉することができる。また、ドアの運動エネルギーを制約条件のもとで評価するので、乗客がドアに接触した場合にも安全性が確保されるとともに、省エネルギー性が向上する。 As described above, according to the second embodiment, the speed command is set by the optimum control that evaluates the position and acceleration of the door together, so that the door is the fastest while achieving both position followability and vibration suppression performance. Can be opened and closed. In addition, since the kinetic energy of the door is evaluated under the constraint condition, safety is ensured even when a passenger comes into contact with the door, and energy saving is improved.
また、本実施例2においては、複数の制御性能(位置追従性、振動抑制)およびドアの運動エネルギーを、一つの評価関数によって、一括して評価するため、複数の制御性能および運動エネルギーのバランスをとるために、制御ゲインを複雑に調整したり、制御系を再設計したりすることを不要にできる。 Further, in the second embodiment, since the plurality of control performances (position followability, vibration suppression) and the kinetic energy of the door are collectively evaluated by one evaluation function, the balance of the plurality of control performances and the kinetic energy is achieved. It is possible to eliminate the need for complicated adjustment of the control gain and redesign of the control system.
なお、本実施例2のように、逐次演算することなく、図7のような位置パターンに対し、最適制御問題を解くことにより、予め速度指令パターンを求め、求められた速度指令パターンに従ってインバータ装置105を制御することも可能である。 As in the second embodiment, the speed command pattern is obtained in advance by solving the optimum control problem for the position pattern as shown in FIG. 7 without performing sequential calculation, and the inverter device is in accordance with the obtained speed command pattern. It is also possible to control 105.
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned examples, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
例えば、ドアは、片開き形および両開き形のいずれでも良い。また、開閉するドアパネルの枚数は任意で良い。また、ドアモータの駆動力がリンク機構を介してドアに伝えられても良い。また、ドア機構のモデルは、状態方程式に限らず、微分方程式などによって表わされても良い。 For example, the door may be either single-door or double-door. In addition, the number of door panels that can be opened and closed may be arbitrary. Further, the driving force of the door motor may be transmitted to the door via the link mechanism. Further, the model of the door mechanism is not limited to the equation of state, and may be represented by a differential equation or the like.
101 直流電源
102 直流コンデンサ
103 乗りかご
104 ドアモータ
105 インバータ装置
106 モータ電流検出器
107 ロータリーエンコーダ
108 電流制御部
109 速度検出部
110 加速度指令生成部
111 速度指令生成部
112 制約条件記憶部
113 最適制御部
114 ドアモデル
115 最適化器
116 加速度センサ
117 加速度検出部
201 位置指令生成部
202 速度制御部
203 位置検出部
101
Claims (6)
制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
を備え、
前記最適制御部は、
前記ドア機構のモデルを有し、
前記モデルによって前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、
前記最適制御部は、
前記モデルによって現時刻から所定時間までの予測区間における前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記予測区間における前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、
前記ドア機構の前記ドア動作状態を検出する検出部を備え、
前記最適制御部は、
前記検出部からの前記ドア動作状態の帰還値を初期値として、前記ドア動作状態を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。 In the elevator door control device that outputs a control command for driving the door mechanism provided in the car according to the target command of the door operating state.
A control unit that creates the control command according to the control input, and
An optimum control unit that has an evaluation index that evaluates the door operating state and the control input together, calculates the control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input to the control unit. When,
Equipped with
The optimum control unit
It has a model of the door mechanism and has
The door operating state is calculated by the model, and the control input for optimizing the evaluation index is calculated based on the calculated door operating state.
The optimum control unit is
The model calculates the door operating state in the predicted section from the current time to a predetermined time, and based on the calculated door operating state, calculates the control input that optimizes the evaluation index in the predicted section.
A detection unit for detecting the door operating state of the door mechanism is provided.
The optimum control unit is
An elevator door control device, characterized in that the door operating state is calculated with the feedback value of the door operating state from the detection unit as an initial value .
制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
を備え、
前記ドア動作状態は、前記ドア機構におけるドアの加速度を含むことを特徴とするエレベーターのドア制御装置。 In the elevator door control device that outputs a control command for driving the door mechanism provided in the car according to the target command of the door operating state.
A control unit that creates the control command according to the control input, and
An optimum control unit that has an evaluation index that evaluates the door operating state and the control input together, calculates the control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input to the control unit. ,
Equipped with
The door operating state is an elevator door control device comprising the acceleration of the door in the door mechanism .
制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
を備え、
前記ドア動作状態が、前記ドア機構におけるドアの速度および加速度であり、
前記制御入力が電流指令であることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。 In the elevator door control device that outputs a control command for driving the door mechanism provided in the car according to the target command of the door operating state.
A control unit that creates the control command according to the control input, and
An optimum control unit that has an evaluation index that evaluates the door operating state and the control input together, calculates the control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input to the control unit. ,
Equipped with
The door operating state is the speed and acceleration of the door in the door mechanism.
An elevator door control device, characterized in that the control input is a current command .
制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
を備え、
前記ドア動作状態が、前記ドア機構におけるドアの位置および加速度であり、
前記制御入力が速度指令であることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。 In the elevator door control device that outputs a control command for driving the door mechanism provided in the car according to the target command of the door operating state.
A control unit that creates the control command according to the control input, and
An optimum control unit that has an evaluation index that evaluates the door operating state and the control input together, calculates the control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input to the control unit. ,
Equipped with
The door operating state is the position and acceleration of the door in the door mechanism.
An elevator door control device, characterized in that the control input is a speed command .
前記ドア機構を駆動するために前記インバータ装置に与えられる制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するドア制御装置と、
を備えるエレベーターのドア駆動システムにおいて、
前記ドア制御装置は、請求項2ないし4のいずれか一項に記載のエレベーターのドア制御装置であること特徴とするエレベーターのドア駆動システム。 A door mechanism provided in a car, including a motor, a door that is opened and closed by the motor, and an inverter device that drives the motor.
A door control device that outputs a control command given to the inverter device to drive the door mechanism according to a target command of the door operating state, and a door control device.
In an elevator door drive system equipped with
The elevator door drive system, characterized in that the door control device is the elevator door control device according to any one of claims 2 to 4 .
前記最適制御部は、
前記ドア機構のモデルを有し、
前記モデルによって現時刻から所定時間までの予測区間における前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記予測区間における前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア駆動システム。 In the elevator door drive system according to claim 5.
The optimum control unit is
It has a model of the door mechanism and has
The model calculates the door operating state in the predicted interval from the current time to a predetermined time, and calculates the control input that optimizes the evaluation index in the predicted section based on the calculated door operating state. Elevator door drive system featuring.
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