基于模糊控制的教室照明系統(tǒng)

郭勝輝 朱學(xué)莉 朱樹先

(1.蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215009;2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

1 引言

學(xué)校里照明用電是學(xué)?？傆秒娏康闹饕M成部分［1］。目前，教室照明燈具的控制多為教室使用者的自發(fā)控制，對(duì)教室使用者的道德水平依賴程度高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“長明燈”的現(xiàn)象，造成極大的浪費(fèi)。若是能設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)教室內(nèi)照度及人數(shù)自動(dòng)判斷是否滿足開啟燈具的條件而控制燈具的開啟或關(guān)閉，則可以解決這一問題，減少浪費(fèi)［2］。然而，教室內(nèi)照度及人數(shù)均是時(shí)變、非線性的，且具有較大的隨機(jī)性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使得利用經(jīng)典控制理論來實(shí)現(xiàn)其控制非常困難［3，4］。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法［5］。實(shí)際應(yīng)用中可以脫離精確的數(shù)學(xué)模型，模仿有經(jīng)驗(yàn)的管理人員進(jìn)行控制，達(dá)到滿意的控制效果。本文將模糊控制應(yīng)用于教室照明系統(tǒng)中，根據(jù)教室內(nèi)照度及人數(shù)的變化自動(dòng)改變教室內(nèi)燈具的開啟數(shù)量，實(shí)現(xiàn)教室照明節(jié)能控制。

2 系統(tǒng)的工作原理及組成

2.1 模糊控制原理

模糊控制可以在行為上模仿人的模糊推理和決策過程。該方法首先將傳感器測得的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，再根據(jù)操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊控制規(guī)則，然后將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，再經(jīng)去模糊化后，將推理后的輸出量輸出到執(zhí)行器上［6］。

2.2 控制系統(tǒng)組成

影響教室燈具開啟或關(guān)閉的因素主要包括兩方面:一是照度，當(dāng)自然光可以提供足夠的照度時(shí)，無需開啟燈具，只有自然光提供的照度過低時(shí)，才考慮開啟燈具補(bǔ)充照度;二是教室人數(shù)，當(dāng)教室人數(shù)過少或沒有人時(shí)，即使自然光不能提供足夠的照度，也應(yīng)根據(jù)人數(shù)合理地確定燈具開啟的數(shù)量或關(guān)閉全部燈具。

基于以上分析，設(shè)計(jì)如圖1所示模糊控制系統(tǒng)。首先由人員檢測模塊及照度檢測模塊來獲取教室的參數(shù)，而后分別與各自設(shè)定值比較后，形成兩個(gè)誤差輸入量。兩個(gè)誤差輸入量經(jīng)模糊化后變成模糊量，用模糊語言表示。然后經(jīng)模糊控制算法、模糊判決及去模糊化處理后，得到模糊控制的輸出量。

圖1 模糊控制系統(tǒng)Fig.1 Fuzzy control system

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

很明顯，模糊控制系統(tǒng)的核心部分即是模糊控制器，也是模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由圖1可知，它是一個(gè)兩輸入單輸出模糊控制器，輸入為教室人數(shù)和照度，輸出即為燈具的開啟數(shù)量。

3.1 輸入量的確定

輸入量是指系統(tǒng)中需要檢測的教室人數(shù)及照度。由于教室人數(shù)及照度分布的不均勻性和隨機(jī)性，首先應(yīng)研究檢測元件的分布。根據(jù)教室座位排列及采光面分布的不同將教室劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都配以一定數(shù)量的照度傳感器及人員檢測傳感器。以單側(cè)采光的教室為例，按照座位距離采光面 (窗戶)的遠(yuǎn)近將教室劃分為圖2(a)所示檢測區(qū)域?？紤]到教室大多裝有多媒體系統(tǒng)，為了其正常工作(環(huán)境照度不能太高)，同時(shí)進(jìn)一步克服教室人數(shù)不均勻性，可以將每列按距離講臺(tái)的遠(yuǎn)近再次劃分為多個(gè)區(qū)域。為了便于描述，本例中以前后兩個(gè)區(qū)域?yàn)槔鐖D2(b)所示。照明燈具的分布也可參考這一規(guī)律。

圖2 教室檢測區(qū)域劃分Fig.2 Detection zoning of classroom

3.1.1 人數(shù)x

教室是否有人及人數(shù)的多少是影響燈具開啟數(shù)量的首要因素。當(dāng)教室無人時(shí)，由燈具提供的照度則為浪費(fèi)。因此，必須檢測教室人數(shù)。在上述劃分的6個(gè)區(qū)域內(nèi)各自設(shè)置1個(gè)檢測元件，采用被動(dòng)式紅外檢測傳感器。若是某個(gè)區(qū)域沒有學(xué)生，則檢測元件輸出為低電平，否則為高電平。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的非人為的紅外線輻射干擾，可以在燈具開啟條件滿足后采用延時(shí)開啟的方式解決。將教室人數(shù)分為 7個(gè)模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少(SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多 (M)，很多(VM)。從而得到人數(shù)變化隸屬函數(shù)，如圖3所示。

圖3 人數(shù)隸屬函數(shù)Fig.3 Membership function of the number of people

3.1.2 照度y

當(dāng)某一區(qū)域有足夠的自然光照度時(shí)，應(yīng)充分利用自然光照明，減少燈具的開啟數(shù)量或關(guān)閉燈具。在劃分的區(qū)域內(nèi)各自設(shè)置1個(gè)檢測元件，考慮到光敏電阻的線性度較差，采用線性度良好的光電集成照度傳感器。教室內(nèi)平均照度在200lx以上，即可滿足閱讀照度。因此將照度以200lx為中心，分為5個(gè)模糊集:低 (L)，較低 (SL)，中 (M)，較高 (SH)，高(H)。從而得到照度變化隸屬函數(shù)，如圖4所示。

圖4 照度隸屬函數(shù)Fig.4 Membership function of illumination

3.2 輸出量的確定

系統(tǒng)的輸出量即是燈具的開啟數(shù)量，設(shè)置兩種工作模式。當(dāng)教室局部照度檢測值小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，說明可能只有局部需要燈具照明，此時(shí)燈具的開啟優(yōu)先順序是固定的，優(yōu)先選擇遠(yuǎn)離采光面、自然光提供照度低的內(nèi)側(cè)，此為模式一。模式二則是指當(dāng)教室全部照度檢測值均小于系統(tǒng)的設(shè)定值，說明此時(shí)需要全部依賴燈具照明，當(dāng)人數(shù)越多、照度越低時(shí)，則開啟的燈具數(shù)越多。在模式二下可以由教室使用者設(shè)定燈具的開啟優(yōu)先程度 (外側(cè)優(yōu)先或內(nèi)側(cè)優(yōu)先，前排優(yōu)先或后排優(yōu)先，這一優(yōu)先等級(jí)設(shè)定好以后，直至再次設(shè)置，將不再改變)。

將燈具開啟數(shù)量分為7個(gè)模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少 (SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多(M)，很多 (VM)。從而得到開啟燈具數(shù)量變化隸屬函數(shù)，如圖5所示。

3.3 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則采用查表離線計(jì)算法，制定過程中采用“if A and B then C”的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)管理人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)模糊控制規(guī)則如表1所示。根據(jù)該表經(jīng)仿真優(yōu)化后存入微處理器中，實(shí)際應(yīng)用中通過讀取表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制輸出，達(dá)到預(yù)期的目的。輸出量的去模糊化采用查表法，如表2所示。

圖5 燈具隸屬函數(shù)Fig.5 Membership function of lamps

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table

表2 去模糊化結(jié)果Table 2 Results of removing the fuzziness

4 Matlab仿真

為了直觀地檢驗(yàn)該模糊控制器的控制效果，利用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到圖6所示輸入輸出曲面圖。從圖6中可以明顯地看出，當(dāng)人數(shù)一定時(shí)，照度越高則開啟燈具數(shù)量越少或不開啟;當(dāng)照度低于預(yù)設(shè)值且固定不變時(shí)，人數(shù)越多則開啟燈具數(shù)量越多;而照度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，則根據(jù)人數(shù)開啟少量燈具或不開啟。這與管理人員的經(jīng)驗(yàn)基本是吻合的，說明該系統(tǒng)達(dá)到期望的控制效果。

圖6 輸入輸出曲面圖Fig.6 Input and output surface plot

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上原理性分析，采用S7-200 CPU 226 PLC作為控制核心，以MCGS組態(tài)軟件為人機(jī)交互界面，組成教室照明控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件不僅界面形象直觀，且方便操作，還可以同時(shí)完成信息及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集及輸出、參數(shù)設(shè)置及控制等。MCGS組態(tài)軟件在進(jìn)行界面組態(tài)前，需先進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，在通用串口父設(shè)備下選擇西門子_S7200PPI，根據(jù)需要再進(jìn)行通道設(shè)置，詳細(xì)過程可參見MCGS組態(tài)軟件說明資料。組態(tài)完畢后，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需將PC機(jī)與PLC通過PC/PPI線直接相連，即可由MCGS完成參數(shù)輸入、狀態(tài)輸出顯示等。畫面組態(tài)如圖7所示。

6 結(jié)論

圖7 MCGS組態(tài)畫面Fig.7 The configuration screen of MCGS

該系統(tǒng)引入模糊控制，省去建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的繁瑣，實(shí)現(xiàn)模仿有經(jīng)驗(yàn)管理人員的控制?？梢猿浞掷米匀还庹彰?，降低照明用電浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的目的，獲得良好的控制效果。

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