單神經元自適應算法在LED照明控制中的應用

摘要：為實現(xiàn)LED照明的恒照度控制，首先建立了LED的照度模型，然后采用單神經元自適應算法設計LED的照度控制器。仿真結果表明，單神經元自適應控制器能夠實現(xiàn)LED照度的穩(wěn)定控制，取得了較為理想的控制效果。

關鍵詞：單神經元自適應算法LED照明

1 概述

在環(huán)境污染日益嚴重的今天，LED以其低碳環(huán)保、體積小而壽命長等優(yōu)點而受到各國政府、大中型企業(yè)與科研機構的重視[1]。由于LED燈具有半導體的非線性、滯后性等特點，因此使用各種智能控制算法，對LED照明系統(tǒng)的各項性能參數進行動態(tài)控制，有著較為深遠的理論與實際意義。

2 LED燈具照度模型和控制方案

2.1 LED燈具照度模型 使用容量估算法可建立LED燈具在某區(qū)域內平均照度Eav的模型[6]：

Eav=(f創(chuàng)N CU錘MK) A（1）

式（1）中，f為光通量，N為燈具數量，CU為利用系數，一般取值為0.3~0.4。MK為維護系數，一般取值為0.7~0.8。A為照射區(qū)域面積。

光通量f可通過下式來求出：

f=2p創(chuàng)I (1-cos■) （2）

式（2）中，I表示發(fā)光強度，單位cd；α為發(fā)散角度。LED的發(fā)光強度I與電致發(fā)光的正向電流IF的聯(lián)系是

IF=q創(chuàng)AP (LN+LP)創(chuàng)b（3）

式（3）中，q表示單位電子電量，AP為LED二極管的P-N結面積，b為量子產額，LN和LP分別表示電子和空穴的擴散長度。

從以上各式可看到，LED燈具照度與電燈發(fā)光的正向電流密切相關。據此可設定控制方案。

2.2 LED燈具照度控制方案 LED燈具的恒照度控制系統(tǒng)由光照度傳感器、恒流驅動模塊、智能控制模塊以及LED燈具等組成。光照度傳感器檢測工作區(qū)域內的照度，向智能控制模塊發(fā)送所測數據。本文采用單神經元控制器來控制LED燈具的光照度。首先得到實際照度E與設定照度Er的偏差DE，以此為輸入參量來對恒流驅動模塊進行PWM控制。圖1為控制原理框圖。

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3 單神經元自適應控制器設計

單神經元自適應控制算法屬于最優(yōu)控制算法的一個分支，其思想來源是人工智能領域的“強化學習”思想[7]。該算法基本原理是監(jiān)督學習，即通過逐步調整神經元的輸入權值，減小實際輸出與期望輸出之間的差異。因為無需求解復雜的系統(tǒng)方程，所以該算法在非線性系統(tǒng)控制中展示出極大的潛力。算法的結構如圖2所示。

圖2中，K為神經元的比例系數，3個狀態(tài)變量，x1=e，x2=De，x3=D2e。

人工神經元通過對連接權值w的不斷調整來實現(xiàn)自組織、自學習的功能。其學習算法為

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=K■ωi(k)·xi(k) （4）

連接權值w的調整按有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則來實現(xiàn)，因此加入監(jiān)督項z(k)。連接權值w的學習算法為

Δω1(k)=ω1(k)-ω1(k-1)

=η·z(k)·u(k)·x1(k)（5）

Δω2(k)=ω2(k)-ω2(k-1)

=η·z(k)·u(k)·x2(k)（6）

Δω3(k)=ω3(k)-ω3(k-1)

=η·z(k)·u(k)·x3(k)（7）

在式（5）~（7）中，z(k)=e(k)，h為神經元的學習率?？刂颇繕耸菍ふ页鲆粋€控制動作u，最終將狀態(tài)x控制到 x=0，■=0的平衡點。

K值與h值的選擇十分重要。K越大，則系統(tǒng)響應越快，但也會使超調量增大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。K值過小，則系統(tǒng)快速性變差。

4 仿真研究與結果

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立LED燈具恒照度控制系統(tǒng)的仿真界面，仿真的對象是LED燈具在某個工作區(qū)域內的光照度，假設其初始值為300lx。LED燈具從開始調整到工作狀態(tài)穩(wěn)定，要求將其光照度控制在353lx。兩種控制策略都可使LED燈具光照度從300lx到穩(wěn)定于設定值353lx，但單神經元自適應控制算法在超調量和調節(jié)時間等性能指標方面要優(yōu)于常規(guī)PID控制算法，不足之處是上升時間較長。

5 結論

本文針對LED燈具光照度的機理模型，設計了一個以單神經元自適應算法為核心的恒照度控制器，控制仿真結果表明，該控制器其性能可媲美傳統(tǒng)的PID控制器，能滿足LED燈具光照度控制的精度要求，超調量小，調節(jié)時間短，動態(tài)性能良好。在非線性復雜系統(tǒng)控制中，人工神經元自適應算法設計的控制器具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]毛興武等.LED照明驅動電源與燈具設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2]李春茂.LED結構原理與應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]房海明，肖旭華.LED照明設計及工程案例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

基金項目：2013欽州學院科研項目(編號：2013XJKY-12B)

作者簡介：黃際樂（1979-），男，廣西巴馬人，碩士，欽州學院教師，研究方向：智能優(yōu)化控制與智能信息處理。