照明系統(tǒng)控制策略的研究與實現(xiàn)

王鐵成

摘 要：目前的智能照明系統(tǒng)的控制策略主要是根據(jù)人為經(jīng)驗進行設(shè)定，而不是根據(jù)燈具的實際用電情況進行合理規(guī)劃，因此智能照明系統(tǒng)需進一步提高其效能.利用模糊控制算法確定百葉窗的開度，最大限度的利用自然光，同時粒子群算法通過對多傳感器采集的照度信息進行尋優(yōu)處理，確定照明設(shè)備的最佳亮度組合.經(jīng)過測試，系統(tǒng)在滿足舒適性的同時，具有很好的節(jié)能效果，能夠?qū)崿F(xiàn)舒適性和節(jié)能性的綜合最優(yōu).

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)；控制；措施

1導(dǎo)言

目前全球經(jīng)濟正朝著一體化靠攏。歐美發(fā)達國家本身經(jīng)濟的停滯不前，短期內(nèi)很難有大型的品牌照明企業(yè)出現(xiàn)。并且環(huán)境保護成為全球化目標后，全世界的各個國家，特別是科學技術(shù)先進的地區(qū)，對于照明節(jié)能的需求將更為強烈，照明節(jié)能對于節(jié)約能源、保護生態(tài)系統(tǒng)、推動社會進步具有極其重要的意義。

2照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

照明系統(tǒng)主要由傳感網(wǎng)、應(yīng)用控制器、驅(qū)動器、燈具節(jié)點組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.傳感網(wǎng)包括亮度傳感器和照度傳感器，亮度傳感器用來采集百葉窗外環(huán)境的亮度，作為計算百葉窗開度時其中一個輸入變量；照度傳感器收集室內(nèi)作業(yè)區(qū)域的照度值，用來約束判斷是否滿足照明環(huán)境的舒適性要求.將傳感器信息傳送到應(yīng)用控制器，控制器執(zhí)行照明控制策略，確定每一個燈具的最優(yōu)亮度值，實現(xiàn)照明區(qū)域內(nèi)舒適性與節(jié)能性的綜合最優(yōu).

3智能照明控制的工作原理

電子感應(yīng)技術(shù)和利用電磁原理的調(diào)壓技術(shù)是智能照明控制系統(tǒng)的主要技術(shù)支撐，實時跟蹤系統(tǒng)的供電情況，對電路的電流值等進行自動調(diào)節(jié)，改善電路情況，從根本上提高功率因數(shù)，從而達到照明節(jié)能降耗的目的。在目前國際公認較為成熟的智能照明系統(tǒng)中，ABB公司的i-bus系統(tǒng)較為成熟，采用國際通用的EIB/KNX標準。采用總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，是i-bus系統(tǒng)的主要工作原理，這使得系統(tǒng)具有10Mbit的通訊數(shù)率。使用線路耦合器對支線中的信號進行過濾，過濾后的信號進入主線，進而增加干線速率。因為IP局域網(wǎng)接口和EIB/KNX使用，所以使得數(shù)據(jù)可以在兩者間進行傳遞。IP網(wǎng)關(guān)可以高效地在KNX/EIB系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)的交換。I-bus總線不能接地，其具有屏蔽能力。開關(guān)控制模塊具有帶電檢測功能，可以檢測燈光回路的運行情況，并且在故障時進行報警。主要應(yīng)用領(lǐng)域為智能樓宇環(huán)境控制系統(tǒng)和智能家居控制系統(tǒng)，其主要控制功能為光控制、中央控制、電動窗簾控制、家居安防控制、溫度控制、AV控制系統(tǒng)信號監(jiān)視等。

4照明系統(tǒng)控制策略的研究與實現(xiàn)

4.1模糊控制器的百葉窗開度控制策略

自然光一直是人類最習慣、感覺最舒適的光源，同時為了充分利用自然資源，實現(xiàn)節(jié)能，本系統(tǒng)在避免直射造成人員眩暈的前提下，通過調(diào)節(jié)百葉窗開度最大限度的利用自然光實現(xiàn)照明需求.百葉窗開度與太陽高度角、天空光模式等因素有關(guān).其中，天空模式很難用一個精確量來描述，而模糊控制對這類問題往往可以得到較好的控制效果，因此本系統(tǒng)采用了模糊控制策略，其過程如下：確定輸入輸出變量，模糊化處理

本系統(tǒng)模糊控制器主要是根據(jù)太陽高度角以及天空光模式來確定百葉窗的開度.太陽高度角是太陽直射光線與地球水平面的夾角，計算公式：

（1）

式（1）中：H為太陽高度角；φ為當?shù)鼐暥龋臑樘栔鄙潼c的緯度；t表示時角，正午時刻t=0，每小時變化15°.以西安為例，論域取[0，80°].百葉窗的開度可以定義為百葉窗的葉片與豎直方向形成的夾角，夾角為0時，開度最小，夾角為90°時，開度最大，百葉窗開度的論域為[0，90°].

4.2節(jié)能控制策略

用戶可以根據(jù)實際情況設(shè)定照明系統(tǒng)用電量的預(yù)警值，當能耗檢測值達到用電量預(yù)警值并且處于節(jié)能模式時，系統(tǒng)會根據(jù)節(jié)能控制策略依次按4、3、2優(yōu)先級的照明設(shè)備進行調(diào)低照度或關(guān)燈操作，最低優(yōu)先級的場景模式照明回路則不作節(jié)能處理，以保證其正常工作.節(jié)能控制策略流程如圖2所示，圖中的各級處理定義如下：

1級處理：關(guān)閉優(yōu)先級為4的景觀照明回路，對優(yōu)先級為3的公共區(qū)域照明設(shè)備內(nèi)的可調(diào)光照明回路進行降低照度處理.

2級處理：關(guān)閉優(yōu)先級為3的公共區(qū)域內(nèi)的所有照明設(shè)備.

3級處理：關(guān)閉優(yōu)先級為2的工作照明區(qū)域的輔助型照明回路，根據(jù)能耗預(yù)測的結(jié)果采用貪婪遺傳算法求達到能耗要求所需關(guān)掉的最少回路，并根據(jù)計算結(jié)果關(guān)閉優(yōu)先級為2的工作照明區(qū)域內(nèi)的部分功能型的照明回路.

4.3建立模糊規(guī)則庫

規(guī)則庫是模糊控制的核心，定義了輸入與輸出變量間的模糊關(guān)系.在燈具關(guān)閉的情況下，通過照度傳感器，確定不同作業(yè)面的照度分布，選取照度最大的作業(yè)面作為基準面，在避免直射的前提下，根據(jù)基準面的照度需求不斷地更新規(guī)則庫，直到能夠最大限度地滿足人的舒適性.

4.4i-bus的應(yīng)用

4.4.1兼容性：控制系統(tǒng)采用的是國際通用的EIB/KNX標準，可以滿足使用者對不同功能的需求。電氣安裝總線采用大跨度框架及開放式的結(jié)構(gòu)，可以使使用者便捷而迅速地調(diào)整建筑物的使用功效或者再一次規(guī)劃建筑平面。極強的兼容性是該系統(tǒng)的優(yōu)點，對于不同廠家的軟件和元器件，在本系統(tǒng)的通訊中可以達到兼容，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。系統(tǒng)內(nèi)部的各個模塊都是一個獨立的個體，具有獨自運行能力，不受其他器件的約束。

無論任何的模塊損壞或者損毀都不會影響到其他模塊的正常運行，這種獨立的運行模式使得系統(tǒng)維修保養(yǎng)方便，在對系統(tǒng)進行定期升級或者定期更換元器件時，整個系統(tǒng)仍然可以正常地運行下去。系統(tǒng)的可擴展性也是本系統(tǒng)的一大優(yōu)點，如果想進行回路的增加，只需要直接添加相應(yīng)模塊，對于系統(tǒng)整體無需進行大改動。

4.4.2安全性：系統(tǒng)只運用一條i-bus總線，沒有過多的電纜線路，更沒有復(fù)雜的線路鋪設(shè)。在現(xiàn)場只需要總線進行連接，24V的安全低電壓連接保證了系統(tǒng)的安全，控制模塊不需要復(fù)雜的布置，可以安裝在配電箱內(nèi)。

4.4.3靈活性：功能的調(diào)整和控制結(jié)構(gòu)的修改十分靈活，對小部分程序進行修改即可完成目標，不需要對布線進行調(diào)整。通過物理信息的采集，自動剛系統(tǒng)設(shè)置為最優(yōu)運行狀態(tài)，方便管理并且節(jié)約能源。所有設(shè)備均為標準設(shè)備，模數(shù)化產(chǎn)品采用35mm導(dǎo)軌安裝，現(xiàn)在設(shè)備才有86盒墻裝，各種面板的探測器可以互換，實際應(yīng)用十分靈活。

4.4.4經(jīng)濟性：系統(tǒng)能夠大量減少維護人員，從而節(jié)約大量的維護費用，在節(jié)約費用的同時，提高了整體系統(tǒng)的工作效率。i-bus系統(tǒng)采用紅外線傳感器、定時開關(guān)技術(shù)、亮度傳感器調(diào)光技術(shù)，這些智能化的應(yīng)用使得系統(tǒng)可以節(jié)約大量的電力能源，從而極大地節(jié)約了資源。比傳統(tǒng)照明節(jié)約25%左右電能，投資成本三年內(nèi)即可收回。

4.4.5長期性：軟啟動、軟關(guān)斷技術(shù)的使用是i-bus系統(tǒng)的又一個亮點，對于各個回路進行緩慢的啟動，在一定時間內(nèi)關(guān)斷，這樣有效減少了沖擊電壓對器件的損害，極大地延長了燈具的使用壽命。系統(tǒng)可以和消防報警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、閉路監(jiān)視系統(tǒng)一起來構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。同時采用ABB照明系統(tǒng)和BA系統(tǒng)的大廈，將大幅度提高大廈的智能化程度，增加該物業(yè)的亮點，提高大廈的出售和出租率，這些無疑都獲得了許多長期的、可觀的、潛在的收益。

結(jié)束語

綜上所述，本文對照明系統(tǒng)的控制策略進行改進，通過基于模糊控制器的百葉窗開度的控制策略，實現(xiàn)了最大限度的利用自然光來滿足照明需求，我國是一個發(fā)展中國家，提高能源利用率必將大力推進我國經(jīng)濟建設(shè)和社會建設(shè)。智能照明控制系統(tǒng)在實際工程中的節(jié)能設(shè)計，將從根本上進行建筑節(jié)能。該領(lǐng)域?qū)⒊蔀榇龠M我國未來發(fā)展的重要領(lǐng)域。未來我國將成為節(jié)能設(shè)計及節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)的最大受益者。

參考文獻：

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