Dynamic simulation model and virtual sensor implementation for elevator hoisting machinery

Abstract

The goal of this thesis was to create a dynamic simulation model of a KONE MX-series hoisting machinery in Simulink. The parametric simulation model can act as a part of the elevators digital twin, which is aimed to mirror all relevant properties, behavior and data of the elevator. A goal of the model was also to enable the extraction of such quantities from Simulink that cannot be measured with physical sensors. Lastly the model should also, if possible, be able to simulate in real time in order to eventually obtain all benefits that virtual sensors and digital twins have to offer.

Model is based on a simplified five degree-of-freedom mass-spring-damper -system. The degrees of freedom are stator vertical movement, stator rotational movement, rotor rotational movement, elevator car vertical movement and counterweight vertical movement. The equations of motion were derived using Lagrange’s method and modelled in Simulink, where the input used for the equations of motion was torque applied to the rotor. Also the input to the Simulink model is in a form of speed reference, in order to enable speed control.

Model verification was performed by comparing its response to measured data. The measured quantities were rotor angle and rotation speed as well as elevator car position and speed. The results were responses obtained from measuring the physical elevator with three different loading cases, as well as simulating the model responses with similar conditions. In addition to that all plots also include actual error from the reference signal.

Overall the Simulink model behaved as expected, it was able to follow the speed reference and the absolute error magnitude was minor compared to the movement trajectory. Also the model was able to output data that could not be measured from the physical elevator. In addition to that several improvement and additional development ideas were found for the model that can be used to improve its accuracy and suitability for various tasks.

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda dynaaminen simulaatiomalli KONE MX-sarjan hissikoneistosta Simulink-ympäristöön. Parametrinen simulaatiomalli voi toimia osana hissin digitaalista kaksosta, johon pyritään peilaamaan kaikki hissin oleelliset ominaisuudet, käyttäytyminen ja data. Mallin tavoitteena oli myös mahdollistaa sellaisten suureiden saaminen ulos Simulink-ympäristöstä, joita ei fyysisillä antureilla voida mitata. Lisäksi mallia tulisi mahdollisuuksien mukaan kyetä simuloimaan reaaliajassa, jotta virtuaaliantureiden ja digitaalisen kaksosen kaikki hyödyt olisivat myöhemmin saavutettavissa.

Malli perustuu yksinkertaistettuun viiden vapausasteen jousi-massa-vaimennin -systeemiin. Vapausasteet ovat staattorin pystysuuntainen liike, staattorin kulma-asennon muutos, roottorin pyörimisliike, hissikorin pystysuuntainen liike sekä vastapainon pystysuuntainen liike. Liikeyhtälöt johdettiin Lagrangen menetelmällä ja mallinnettiin Simulink-ympäristöön, jossa liikeyhtälöiden herätteenä käytettiin roottoriin vaikuttavaa vääntöä. Lisäksi Simulink-malliin tehtiin ohjaus nopeusreferenssin perusteella.

Mallin verifiointi suoritettiin vertaamalla sen vastetta mittauksista saatuun dataan. Mitatut suureet olivat roottorin kulma-asento ja pyörimisnopeus sekä hissikorin paikka ja nopeus. Tulokset olivat mittauksista saadut fyysisen hissin vasteet kolmella eri kuormituksella sekä mallin simuloidut vasteet saman herätteen vaikutuksesta. Lisäksi jokaiselle vasteelle piirrettiin käyrät todellisen virheen suuruudelle referenssistä.

Kokonaisuudessaan Simulink-malli toimi hyvin, liikereferenssin seuraaminen onnistui ja absoluuttinen virhe oli suuruusluokaltaan todella pientä koko liikerataan verrattuna. Lisäksi mallista saatiin ulos myös dataa jota ei fyysisestä hissistä päästä mittaamaan. Simulaatiomallille löytyi myös useita parannus- ja jatkokehitysehdotuksia joiden avulla sitä voidaan kehittää tarkemmaksi ja tiettyihin tarkoituksiin sopivaksi.