一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪的制作方法
【专利摘要】一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，电梯导轨1由法兰座7固定在梯井支架8，加速度(速度)检测模块3、质量检测模块6和霍尔元件5分别安装在仿真轿厢顶、梯井支架8底部和侧壁。仿真轿厢9与单相异步直线电机10固定连接，随电梯导轨作垂直运动。控制处理模块13接收、存储加速度(速度)、位置和仿真轿厢载重信息，并对单相异步直线电机10完成加减速、匀速及悬停控制。控制处理模块13包含控制算法设计部与算法评估部两个核心功能模块。控制算法可上传至控制处理模块。显示模块14可显示电梯运行信息、控制算法信息和算法评估结果。本发明可用于传感器教学、磁悬浮电梯控制演示、电机控制演示、电机控制算法调试等教学活动中，提升教学效果。
【专利说明】
一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪
技术领域
[0001] 本发明涉及一种教学仪器，特别涉及一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，该示教 仪可用于磁悬浮电梯运行控制原理演示，提供学生进行控制算法调试的实物仿真平台。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮电梯基于电磁感应原理，由于免除了钢丝绳等磨损部件，受到广泛关注。电 梯属于特种设备，难以搬进教学课堂。现场调试机会缺乏使得学生在掌握磁悬浮电梯控制 原理时，仅能通过课本或软件仿真进行，老师讲解困难，学生缺乏实践动手机会。目前，关于 磁悬浮电梯控制设备的报道较少，市场上也没有相关磁悬浮电梯控制示教产品销售。基于 上述现状，有必要研发一套实物仿真设备，能够用于磁悬浮电梯控制原理讲解与演示，提供 学生控制算法设计与调试的实物仿真平台，由此引出了本发明技术方案。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种多功能磁悬浮电梯控制示教 仪，该示教仪可以向学生演示磁悬浮电梯控制原理，提供学生进行控制算法设计与调试的 实物仿真平台。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种多功能磁悬浮电梯控制示教 仪，主要包括内容如下：
[0005] (1)该示教仪包括单相异步直线电机、电梯导轨、仿真轿厢、梯井支架以及传感器 检测与控制单元等主要部件，电梯导轨被法兰座固定在梯井支架。
[0006] (2)加速度(速度)检测模块可以检测仿真轿厢的运行加速度和速度;基于霍尔元 件的位置检测模块可以检测轿厢的运行位置;质量检测模块可以获得仿真轿厢的载重。
[0007] (3)轿厢载重信息、位置信息通过(信号)导线发送到控制处理模块，加速度(速度） 信息通过无线通信模块发送到控制处理模块。
[0008] (4)控制单元的控制算法，能够结合传感器检测信息对直线电机进行控制，模拟电 梯完成加减速、匀速、悬停运行，实现模拟磁悬浮电梯运行控制演示。
[0009] (5)控制处理模块支持程序上传调试，为学生提供算法调试平台，控制处理模块具 有数据存储功能，可以存储仿真轿厢的运行数据。控制处理模块具有控制算法评估功能可 根据运行数据，对不同控制算法进行性能比较。
[0010] 本发明的效果是:能够实现仿真轿厢沿导轨在模拟电梯井道内进行匀速运行，模 拟电梯加减速、匀速运行并在不同楼层停靠，完成悬停。对单相异步直线电机的反馈控制、 磁悬浮电梯的运行控制机理进行演示。质量检测模块、霍尔元件、加速度(速度)传感器的检 测分别能够提供控制处理模块轿厢的载重信息、运行位置信息和速度、加速度信息。多类传 感器的使用有助于教学活动对传感器的讲解演示。控制处理模块能够对仿真电梯运行过程 信息(速度、加速度)和轿厢载重信息进行记录存储，并设计有控制算法评估部对控制算法 性能进行评估，控制程序可上传，方便学生基于该仿真实物平台设计、调试控制算法。本发 明可用于传感器教学、磁悬浮电梯控制演示、电机控制演示、电机控制算法设计与调试等教 学活动中，有效提升教学效果。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的示教仪系统立体结构图。
[0012] 图2是本发明的示教仪控制处理模块功能框图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合具体附图1、和附图2对本发明作进一步说明。
[0014] 图1是本实施方案的示教仪系统立体结构图。
[0015] 图2是本实施方案的示教仪控制处理模块功能框图。
[0016] 如图1所示，示教仪结构系由电梯导轨1、无线通信模块2、加速度(速度)传感器3、 磁铁块4、霍尔元件5、质量检测模块6、法兰座7、梯井支架8、仿真轿厢9、单相异步直线电机 1 〇、电机控制线11、电机驱动模块12、控制处理模块13、显示模块14、导线15、220V电源16、数 据线17、按键18组成。
[0017] 电梯导轨1、法兰座7、梯井支架8、仿真轿厢9、单相异步直线电机10构成示教仪基 本物理结构，法兰座7用于将电梯导轨1固定于梯井支架8上。示教仪在运行过程中，220V电 源16对电机驱动模块12进行供电。按键18发送控制指令经数据线17至控制处理模块13,产 生控制信号再通过数据线17发送给电机驱动模块12,电机驱动模块通过电机控制线11驱动 单相异步直线电机10,控制仿真轿厢9加减速、匀速与悬停运行。
[0018] 加速度(速度)传感器3、磁铁块4、霍尔元件5、质量检测模块6用于示教仪系统运行 数据采集，霍尔元件5通过感应磁铁块4测量轿厢位移量，质量检测模块6用于测量轿厢总重 量(载重），加速度(速度)传感器3用于测量轿厢运行过程中的加速度(速度），无线通信模块 2将加速度(速度)数据发送给控制处理模块13,而轿厢位移量、载重均通过导线15传输到控 制处理模块13。
[0019] 如图2所示，控制处理模块完成了本示教仪的核心功能。从逻辑功能角度划分，其 由控制处理单元19、数据存储部20、控制算法设计部21和算法评估部22组成。控制处理单元 19将采集到的加速度(速度)信息、位置、质量等运行信息存储在数据存储部20,存储方式可 以是SD卡、硬盘存储、云端存储。控制算法设计部21可以上传至控制处理单元19,并根据数 据存储部20中的历史运行数据设计控制算法，即控制处理单元19结合加速度(速度）、位置 信息以及仿真轿厢载重信息，可支持设计、调试不同的控制算法。算法评估部22同样作为控 制处理模块13的重要组件，可以根据数据存储部20中仿真轿厢的运行数据（不同控制算 法），比较控制算法的控制性能。控制算法的评估指标可以是控制精度J。，悬停精度lend，控 制舒适度Ja。以下分别定义Jc、lend和J a :
[0023] 其中，t表示仿真轿厢运行过程的时间变量，1，2. . .η表示运行全过程所用时间，vt 和st表示运行速度和运行位移，Vr和Sr表示目标运行速度和目标运行位移，事先可以由运行 曲线给出。表示控制精度，包括速度跟踪精度JcjP位移跟踪精度J c2。sn表示末端悬停时的 位置，Si^nd)表示目标末端悬停位置，Jend表示末端的悬停精度。aonft模拟人体舒适加速度， 既不能太大也不能过小，太小会使运行时间过长，at表示实际控制加速度，J a反映了仿真电 梯的控制舒适度。
[0024]图1中的显示模块14用于显示控制处理模块13检测的传感器信息、控制参数以及 算法评估信息，提供示教对象可视化反馈信息。
【主权项】
1. 一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于， 1.1所述示教仪包括电梯导轨1、无线通信模块2、加速度(速度)检测模块3、磁铁块4、霍 尔元件5、质量检测模块6、法兰座7、梯井支架8、仿真轿厢9、单相异步直线电机10、电机控制 线11、电机驱动模块12、控制处理模块13、显示模块14、导线15、220V电源16、数据线17、按键 18。 1.2电梯导轨1由法兰座7固定在梯井支架8上，霍尔元件5等距安装在梯井支架8侧壁。 加速度检测模块3安装在仿真轿厢9顶，仿真轿厢9与单相异步直线电机10固定连接，随电梯 导轨1作垂直运动。单相异步直线电机10通过电机驱动模块12由220V电源16供电。控制处理 模块13通过电机控制线11对单相异步直线电机10进行控制。霍尔元件5、质量检测模块6通 过有线方式，加速度(速度)检测模块3通过无线通信模块2向控制处理模块13发送位置信 息、仿真轿厢载重信息以及加速度(速度)信息。控制处理模块13将接收信息存储在数据存 储部20。2. 根据权利要求1.2所述的一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于，基于单相 异步直线电机电磁感应原理，可控制直线电机沿垂直轨道模拟磁悬浮电梯匀速、加减速和 悬停运行，用于磁悬浮电梯控制原理演示。3. 根据权利要求1.2所述的一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于，控制处理 单元19将仿真轿厢运行数据存储在数据存储部20,存储方式可以是SD卡、硬盘存储、云端存 储。数据存储部20与控制处理单元19的接口可以是串口、以太网口等所有可进行数据传输 的端口。4. 根据权利要求1.2所述的一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于，控制处理 单元19可以是单片机或ARM等运算处理单元及其相关外围电路。5. 根据权利要求1.2所述的一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于，通过控制 处理模块13的核心组件控制算法评估部22,可对不同控制算法性能进行评估。控制算法的 评估指标可以是控制精度J。，悬停精度J end，控制舒适度Ja。以下分别定义Jc、Jend和J a: Jend - Sn-Sr(end) ?其中，t表示仿真轿厢运行过程的时间变量，1，2...n表示运行全过程所用时间，Vt和St 表示运行速度和运行位移，Vr和Sr表示目标运行速度和目标运行位移，事先可以由运行曲线 给出。Jc表示控制精度，包括速度跟踪精度J cl和位移跟踪精度Jc2。Sn表示实际运行末端悬停 位置，Si^nd)表示目标末端悬停位置，Jend表示末端的悬停精度。aonft模拟人体舒适加速度， 既不能太大也不能过小，太小会使运行时间过长，at表示实际控制加速度，J a反映了仿真电 梯的控制舒适度。6. 根据权利要求1.2所述的一种多功能磁悬浮电梯控制示教仪，其特征在于，控制算法 程序可以上传至控制处理模块13。控制处理模块13的核心组件控制算法设计部21结合加速 度(速度）、位置信息以及仿真轿厢载重信息，以及权利5中的控制指标，完成控制算法的控 制结构与参数设计。
【文档编号】G09B23/18GK105869482SQ201610310924
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】王呈, 谢佳诚, 明坤, 吴世杰, 王宪, 冒佳仪, 陈巧媛, 苗炳祺
【申请人】江南大学