رویکردی نوین برای کنترل آسانسورهای غیر مستقیم با پمپ های سرعت متغیر

دکتر امیر خرمی، مهندس رامان خرمی – کنترل یکی از جنبه‌های مهم در طراحی دستگاه‌ها و سیستم‌های هیدرولیکی می‌باشد. انتخاب روش کنترل مناسب، به بهره‌وری بهینه عملکرد کل سیستم و اجزای آن کمک می‌کند و می‌تواند تأثیر مثبتی بر بهره‌وری و انرژی داشته باشد. کنترل آسانسورهای غیر مستقیم با پمپ های سرعت متغیر نیز یک رویکرد نوین است که در آسانسورهای غیر مستقیم یا (Indirect) کاربرد دارد.

نقش کنترل در عملکرد انواع آسانسور

کنترل مناسب نقش کلیدی در دستگاه‌هایی دارد که برای انتقال افراد مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند آسانسورها. حفظ ایمنی و راحتی سفر امری مهم است. در طول شروع و توقف آسانسور، شتاب غیرمعقول در واحد باید اجتناب شود و سطح کابین با سطح طبقه‌ی انتخابی باید بعد از رسیدن به مکان مورد نظر باید هم‌ارتفاع باشند. موضوع کنترل سیستم‌های هیدرولیکی به طور مفصلی در [1] قرار دارد، از جمله سیستم‌های آسانسور هیدرولیکی [2]. مشاهده می‌شود که تمایل به دوری از کنترل جریان مایع کاری از طریق سوزن‌های خنک‌کننده به‌عنوان یک رویکرد نامناسب از نظر بهره‌وری انرژی وجود دارد.

روش کنترل آسانسورهای غیر مستقیم با پمپ های سرعت متغیر

در توسعه سیستم‌های جدید پیشرانش، مسائل مدیریت انرژی و بازیابی انرژی در آسانسورها به‌طور فزاینده مورد توجه قرار می‌گیرد. دالالا و همکاران [3] یک سیستم مدیریت انرژی برای آسانسوری با انباره‌سازی انرژی بحث کردند. لینک DC پیشرانش موتور بازیابی‌کننده به‌وسیله یک مبدل توان DC/DC به دستگاه انباره‌سازی انرژی متصل می‌شود. در این مورد، جریان توان به صورت معکوس جریان دارد تا در آینده برای بالا بردن بار استفاده شود.

استراتژی کنترل پیشنهادی به دلیل داشتن ولتاژ معکوس DC دو محدوده درجه آزاد اضافی دارد. به طور معادل، جبور و همکاران [4] و [5] استراتژی‌های کنترلی را برای یک سیستم بازیابی انرژی در یک آسانسور بحث کردند. سیستم بازیابی انرژی (ERS) مجهز به ابرخازن به وسیله یک مبدل توان DC/DC دوطرفه به لینک DC پیشرانش موتور آسانسور متصل می‌شود. علاوه بر این، دو کنترل‌کننده منطق فازی به عنوان بخشی از سیستم وجود دارند که وظیفه تنظیم ولتاژ لینک DC را از طریق مبدل توان DC/DC دارند.

بیشتر بخوانید:

راهنمای قیمت و چک لیست بازرسی ادواری آسانسور 1402

پیاده سازی سیستم نظام آراستگی 5S در محیط کار آسانسور

نحوه کنترل بهتر عملکرد سیستم بازیابی انرژی در حفاری هیدرولیکی ترکیبی

سیستم‌های بازیابی و ذخیره انرژی در دستگاه‌هایی که از سیستم‌های پیشرانش هیدرولیکی استفاده می‌کنند، روز به روز بیشتر در نظر گرفته می‌شوند. به عنوان مثال، چن و همکاران [6] کنترل یک سیستم بازیابی انرژی در یک حفاری هیدرولیکی ترکیبی با انباره‌سازی و یک سیستم شیر-موتور-ژنراتور را توضیح دادند.

سرعت موتور توسط یک ژنراتور با سرعت متغیر کنترل می‌شود. از طرف دیگر، کنترل نرخ سوزن کنترل و کنترل لوله کنترلی مسئول کنترل سرعت سیلندر است. لین و همکاران [7] همچنین سیستم کنترلی را در یک حفاری هیدرولیکی ترکیبی با سیستم بازیابی انرژی ارائه دادند.

در این مورد، سیستم AMGERS (سیستم بازیابی انرژی با ذخیره‌سازی-موتور/ژنراتور) استفاده شده است که کنترل بهتری از پاسخ و سرعت بوم حفاری را ارائه می‌دهد. به این ترتیب عملکرد کنترلی بهبود یافته است. وانگ و همکاران [8] طراحی یک کنترل کننده بازیابی انرژی در یک سیستم را با استفاده از استراتژی کنترل ترکیبی ارائه دادند.

در سیستم مورد بحث، یک ژنراتور الکتریکی توسط یک موتور هیدرولیکی پیشرانش داده می‌شود. سرعت ژنراتور توسط یک کنترل کننده PID با تخمین بار و جبران نرخ نشتی کنترل می‌شود.

شکل 1- اجزای اصلی یک بیل هیدرولیک هیبریدی

استراتژی‌ جدید بهبود نمایش سرعت آسانسور سیستم پیشرانش آسانسور

کنترل آسانسورهای غیر مستقیم با پمپ های سرعت متغیر با سیستم‌ها و استراتژی‌های مختلفی انجام می‌شود. برای به دست آوردن یک نمایش مناسب از سرعت تخمین زده شده برای کابین آسانسور، تحقیقاتی در زمینه استراتژی‌ها و عناصر جدید سیستم‌های پیشرانش انجام می‌شود [9].

اجزای اصلی این سیستم شامل یک پمپ سرعت متغیر دوطرفه و یک موتور الکتریکی با تغذیه از یک مبدل کار در حالت تنظیم گشتاور بود. نرخ جریان مایع کاری به وسیله تنظیم سرعت پمپ کنترل می‌شد و نه با استفاده از شیرها. آزمون‌های شبیه‌سازی نشان دادند که سیستم کنترل استفاده‌شده در برابر نشت پمپ و عدم تطابق پارامتری مقاوم است.

با توجه به یک ایده مشابه، مدل شبیه‌سازی و سیستم پیشرانش واقعی برای کنترل سرعت لیفت تسمه‌ای ایجاد شد [10]. از یک پمپ با حجم تخت بهره‌برداری شد. نرخ جریان این سیستم به سرعت موتور ناهمگام که توسط یک مبدل فرکانسی (FI) پیشرانش می‌شود، وابسته بود. این اقدام باعث حفظ سرعت ثابت پلتفرم کاری در مقابل نسبت متغیر سیستم سینماتیک لیفت تسمه‌ای شد.

شکل 2- سیستم سینماتیکی بالابر قیچی

الگوریتم کنترل PID

لی و همکاران [11] یک سیستم آسانسور الکتروهیدرولیکی با دو سیلندر مجهز به سه شیر کنترل سرعت پروپورشنال ارائه دادند. علاوه بر این، این سیستم مجهز به یک کنترل‌کننده بازخورد شبه مشتق (PDF) است که وظیفه تقریب بهینه‌ترین الگوی سرعت کابین تنظیم‌شده را دارد.

این امکان را فراهم می‌کند تا سرعت آسانسور را کنترل کند. یک کنترل‌کننده PD با محدوده‌های گام مطمئن می‌شود که خطا بین دو سیلندر در دو طرف آسانسور کمینه شود. یک سیستم کنترل سرعت برای یک آسانسور هیدرولیکی با ولتاژ متغیر و فرکانس متغیر (VVVF) مجهز به یک ذخیره‌سازی فشار برای بهبود بهره‌وری انرژی در مرجع [12] ارائه شده است.

سیستم مورد مطالعه شامل مدار اصلی با یک پمپ و یک موتور و مدار ذخیره‌سازی با یک موتور و یک پمپ هیدرولیکی است. سرعت آسانسور در سیستم مورد بحث با استفاده از یک الگوریتم کنترل PID قابل کنترل است.

یانگ و همکاران [13] کنترل سرعت یک آسانسور هیدرولیکی VVVF را بررسی کردند. در این مورد، سیستم از دو بخش تشکیل شده بود: اولی با موتور VVVF و یک پمپ با حجم ثابت، در حالی که دومی شامل یک موتور الکتریکی، موتور هیدرولیکی و فیدبک انرژی بود.

شکل 3- الگوریتم کنترل PID

کنترل PID و fuzzy PID برای آسانسور هیدرولیکی

کیم و همکاران [14] کنترل سرعت یک آسانسور هیدرولیکی را از طریق یک کنترل‌کننده غیرخطی دو مرحله‌ای به‌طور ویژه طراحی شده توصیف کردند. اصول عمل این کنترل‌کننده بر اساس روش بازطراحی لیاپونوف بود. زهائو و همکاران [15] سیستم پیشرانش ترکیبی الکتروهیدرولیکی با یک ذخیره‌سازی هیدرولیکی دارای داکیومنت هستند. در اینجا، یک استراتژی کنترل جهت‌گیری میدان (FOC) برای کنترل سرعت آسانسور استفاده می‌شود. در این مورد، یک استراتژی کنترل چند حلقه‌ای به‌کار گرفته می‌شود. هم حلقه داخلی (جریان) و هم حلقه خارجی (سرعت) از یک کنترل‌کننده PI برای عملکرد استفاده می‌کنند.

پنا و همکاران [16] معماری یک سیستم آسانسور موازنه هیدرولیکی را توصیف کردند. نویسندگان مدل فیزیکی معماری را پیشنهاد دادند، که نسبت زاویه‌های کنترل دیسک پمپ/موتور به‌عنوان ورودی کنترل برای کنترل خروجی سرعت کابین استفاده می‌شود. با این حال، برای کنترل جابجایی از یک کنترل‌کننده PI استفاده شده است.

شو و همکاران [17] کنترل سرعت یک آسانسور هیدرولیکی را از طریق یک کنترل‌کننده PID معمولی و یک کنترل‌کننده fuzzy PID خودتنظیم کننده مورد بحث قرار دادند. نتایج آزمایشی برتری کنترل‌کننده fuzzy PID در ارتباط با عملکرد کنترلی را تأیید کرد. هو و همکاران [18] استراتژی کنترل پیگیری سرعت یک سیستم آسانسور هیدرولیکی را بحث کردند. این مقاله یک الگوریتم برای کنترل PD و کنترل تغذیه‌ جلو-بازخورد را ارائه می‌دهد.

شکل 4- کنترل کننده PID با منطق فازی

کنترل آسانسور با PLC و موتور هیدرولیک

کومار و همکاران [19] یک سیستم کنترل آسانسور با موتور هیدرولیکی و PLC ارائه دادند. کنترل‌کننده در این سیستم برای تنظیم شیر جهت کنترل موتور هیدرولیکی استفاده می‌شد. این روش منجر به مزایایی مانند سرعت پایدار و قابل اعتماد می‌شد. محمد و همکاران [20] و [21] یک سیستم کنترل سرعت آسانسور هیدرولیکی با استفاده از یک شیر تناسبی و کنترل‌کننده PI را بحث کردند. این سیستم نیز یکی از روش‌های کنترل آسانسورهای غیر مستقیم با پمپ های سرعت متغیر است.

کنترل سرعت پروپورشنال در سیستم بالابر دریایی

یک استراتژی کنترل برای یک سیستم بالابر سکوی دریایی در مرجع [22] ارائه شده است. در این مورد، سیستم مجهز به شیرهای کنترل سرعت پروپورشنال است که برای کنترل سرعت بالابری پلتفرم استفاده می‌شوند. وانگ و همکاران [23] کنترل یک ذخیره‌سازی هیدروپنوماتیک برای سیستم‌های آسانسور را از طریق کنترل مناسب شیرهای پروپورشنال – یک شیر جهت‌گیری، یک شیر سوزنی و یک شیر فشار – توصیف کردند.

مشاهده‌گر هیبریدی پیشنهادی، بر مبنای کنترل بازخورد خروجی، وظیفه چند هدفه پیگیری موقعیت و صرفه‌جویی در انرژی را انجام می‌دهد. رنجان و همکاران [24] سیستم کنترلی را در یک حفاری هیدرولیکی مجهز به یک ذخیره‌سازی هیدروپنوماتیک توصیف کردند.

اجرای کنترل موقعیت ذخیره‌سازی هیدروپنوماتیک توسط یک کنترل‌کننده PID در همکاری با یک شیر کنترل سرعت پروپورشنال (PFCV) انجام می‌شود. یک مؤلفه اضافی از سیستم کنترل کنترل کننده پیش‌بینی مدل (MPC) است که به‌دنباله عملکرد تأثیر می‌گذارد. یک سیستم کنترل مدرن برای یک حفاری هیدرولیکی با پمپ سرعت متغیر و حجم در مرجع [25] پیشنهاد شده است.

پمپ به نوبه‌ی خود توسط یک موتور سرعت متغیر پیشرانش داده می‌شود. یک روش تطابقی بر اساس کنترل سرعت تقسیم‌بندی شده و کنترل خروجی پمپ پیوسته برای تضمین ویژگی‌های دینامیکی و انرژی بهینه سیستم به‌کار گرفته شد.

روش‌های مختلف کنترل سیستم پیشرانش

بعضی از سیستم‌های پیشرانش ترکیبی از کنترل سرعت و مدیریت انرژی را ارائه می‌دهند. همچنین سیستم‌هایی وجود دارند که موقعیت اکتواتورها را نیز کنترل می‌کنند. یک طرح کنترل برای یک حفار هیدرولیکی با استفاده از یک تراز کننده فشار و یک دستگاه ذخیره انرژی در مرجع [26] مورد بحث قرار گرفته است.

این رویکرد توانست عملکرد کنترلی مناسبی را فراهم کند. کنترل موقعیت بار یک لیفتراک با سیستم بازیابی انرژی ERS در مرجع [27] مورد بحث قرار گرفته است. با استفاده از یک موتور سنکرون دائمی مغناطیسی که به یک ماشین هیدرولیکی قابل برگشت کوپل شده است، نیازی به شیرهای سرو نیست.

اعمال اصل کنترل تغییر مقدار متغیر، امکان کنترل سرعت و موقعیت شوک‌های لیفتراک را فراهم می‌کند. در مطالعه فو و همکاران [28]، موضوع لیفتراک‌های با سیستم بازیابی انرژی دوباره مورد بحث قرار می‌گیرد: در این مورد، یک استراتژی با دو حالت کنترل ارائه شده است.

حالت اول یک حالت استفاده از یک شیر معمولی برای کنترل مقدار مقداردهی و از این رو کنترل سرعت بوم است. در حالت دوم کنترل، کنترل سرعت بوم از طریق دو مجموعه از HMGs انجام می‌شود. یو و همکاران [29] استراتژی کنترل یک لیفتراک هیبریدی با سیستم صرفه‌جویی و ذخیره انرژی را مورد بحث قرار دادند.

در این مورد، سرعت سیلندر به عنوان سیگنال بازخورد از سوی شیر اصلی به کنترل‌کننده PID داده می‌شود؛ به نوبه‌ی خود، سرعت موتور الکتریکی به دقت توسط کنترل‌کننده PID بر اساس سرعت سیلندر کنترل می‌شود.

مکانیزم انواع سیستم پیشرانش

بیشتر سیستم‌های پیشرانش ارائه شده بر اساس سیستم‌های کنترل حلقه بسته می‌باشند. معمولاً، تأثیرات مطلوب نقشه‌برداری سرعت و موقعیت به دست می‌آید. این نوع سیستم‌ها معمولاً بسیار پیچیده هستند و نیاز به دستگاه‌های اندازه‌گیری دارند که در طول دوره وظیفه عمل کنند. سیستم پیشنهادی امکانات جدید استفاده از (FI) در پیشرانش‌های هیدرولیکی را با مزایای سادگی سیستم کنترل آسانسورهای کلاسیک بر اساس سوئیچ‌های محدود کننده ترکیب می‌کند. همچنین امکان پیاده‌سازی سیستم‌های کنترل حلقه بسته سرعت یا موقعیت نیز وجود دارد.

کلام پایانی

هدف اصلی این مقاله ارائه یک سیستم پیشرانش جدید با یک پمپ سرعت متغیر در سیستم کنترل حلقه باز برای یک آسانسور غیر مستقیم است. این سیستم از قابلیت‌های FI (Fieldbus Interface) بهره می‌برد، به عنوان مثال تنظیم زمان‌های تسریع و کاهش سرعت ، ارتباطات و قابلیت‌های ایمنی (حالت بردار).

این مقاله به شکل زیر سازماندهی شده است. بخش 2 سیستم‌های استفاده شده در حال حاضر برای پیشرانش آسانسورهای هیدرولیکی را توصیف می‌کند و به مزایا و معایب آنها اشاره می‌کند. قسمت 3 شامل توضیحی از سیستم از جمله طراحی، پارامترهای عملیاتی و محاسبات اساسی است. در قسمت 4 نتایج آزمایش‌های تجربی سیستم جدید بارگذاری شده توسط انواع مختلف بار و تعیین دقت سیلندر هیدرولیکی و موقعیت خودرو و عوامل نقشه‌برداری سرعت را ارائه می‌کند. تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش‌ها، نتیجه‌گیری‌ها و امکانات پیاده‌سازی در بخش 5 ارائه شده است.

**امیر بیوک خرمی؛ عضو هیات مدیره و رییس کمیته آموزش سندیکای آسانسور و پله برقی ایران، مدیر گروه رشته آسانسور و استاد دانشگاه فنی و حرفه ای انقلاب اسلامی

**رامان بیوک خرمی؛ دانشجوی رشته مهندسی مکانیک، ساخت و تولید دانشگاه صنعتی امیرکبیر