基于變論域模糊PID控制和KNX技術(shù)的LED照明系統(tǒng)

吳起行，王 凱

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子技術(shù)系，杭州 310053；2.浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310053)

節(jié)能環(huán)保和智能控制是城市智慧照明的發(fā)展趨勢，近年來此領(lǐng)域研究取得了極大進(jìn)展。張立萍等[1]將蟻群控制策略應(yīng)用于大規(guī)模LED燈通信組網(wǎng)的研究，既提高了城市照明的節(jié)能效率，又降低了大型系統(tǒng)的管控成本，形成良好的社會效應(yīng)。林海軍等[2]提出一種基于約束條件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于LED燈的光照強(qiáng)度控制，其模型誤差小，泛化能力強(qiáng)，但需要收集大量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，不夠便捷。模糊自適應(yīng)PID控制因具有較高控制精度，且不需要訓(xùn)練過程，因而逐漸被廣泛應(yīng)用，如陳佳洲等[3]基于該策略研發(fā)了LED舞臺燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)光響應(yīng)快，穩(wěn)定性高。但模糊控制的本質(zhì)是一種非線性控制，無法徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差，且控制時(shí)只對PID參數(shù)進(jìn)行間歇性調(diào)整，因此還會出現(xiàn)控制死區(qū)。為解決這一難題，李洪興[4]提出了變論域自適應(yīng)模糊控制理論，根據(jù)誤差大小調(diào)變論域范圍，確保在誤差零點(diǎn)附近的規(guī)則足夠多，從而消除控制死區(qū)。該理論被提出后，先后被應(yīng)用于電機(jī)控制[5-6]、光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[7]、機(jī)器人控制[8-9]等精密控制領(lǐng)域，在控制復(fù)雜程度沒有顯著增加的前提下，大大提高了系統(tǒng)控制精度。

KNX總線協(xié)議先后被美國、中國等批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)[10]，夏長鳳[11]應(yīng)用KNX技術(shù)設(shè)計(jì)一套智能家居控制系統(tǒng)，對燈光、窗簾、安防等進(jìn)行綜合組網(wǎng)，信號傳輸較無線通信技術(shù)更加穩(wěn)定，控制便捷。卜軍[12]基于KNX現(xiàn)場總線成功研發(fā)圖書館照明智能控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了KNX技術(shù)在樓宇集中監(jiān)控、照明節(jié)能控制上的顯著優(yōu)勢。本研究結(jié)合變論域模糊PID控制策略和KNX技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種變論域模糊PID調(diào)光控制器用于恒照度控制，以KNX技術(shù)實(shí)現(xiàn)照度數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)通信控制。

圖1 系統(tǒng)平面布局Fig.1 System layout plan

1 系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用于面積6 m×8 m，層高3.8 m的會議室，10路LED燈(L1，L2，…，L10)如圖1所示，照明監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)置照度設(shè)定值300 lx。照度傳感器在會議室四壁的中線及四角處離地0.75 m位置各裝1只(S1，S2，…，S8)，并將室內(nèi)照度數(shù)據(jù)通過KNX總線發(fā)送到主控器。

2 LED驅(qū)動器硬件設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

圖2 LED驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of LED drive unit

指標(biāo)數(shù)值輸入交流電壓/V90～265輸出直流電壓/V27～30每路輸出電流/A1輸出路數(shù)10輸出功率/W300功率因數(shù)>0.95能效/%≥90

2.1 AC/DC變換單元

AC/DC變換單元由boost型APFC模組、半橋LLC諧振模組及10路可調(diào)光恒流輸出模組構(gòu)成。

2.1.1 boost型APFC模組

提高設(shè)備功率因數(shù)有助于減小輸電線能量損耗，改善設(shè)備的電流品質(zhì)。APFC技術(shù)諧波抑制效果好，可為設(shè)備提供寬輸入電壓范圍及寬工作頻帶?，F(xiàn)設(shè)計(jì)工作在CCM模式的boost型APFC模組如圖3所示，控制芯片PFS7628H是PI公司最新款boost型APFC電路單芯片解決方案，供電電壓為直流12 V，最大持續(xù)輸出功率350 W，功率因數(shù)大于0.95，額定輸入電壓下10 %至100 %負(fù)載間能效均超95%[13]。

圖3 boost型APFC模組Fig.3 boost type APFC module

2.1.2 半橋LLC諧振模組

半橋LLC諧振模組如圖4所示，以軟開關(guān)方式降壓至直流40 V給恒流模組。半橋LLC諧振模組的控制芯片選用PI公司的LCS705HG，內(nèi)置LLC控制器及2個(gè)功率MOSFET及驅(qū)動，由12 V直流穩(wěn)壓電源供電，最大輸出功率350 W[14]。半橋LLC諧振模組的原副邊電路間通過光耦LTV817A作反饋。

圖4 半橋LLC諧振模組Fig.4 Half bridge LLC resonant module

采用FHA模型[15]設(shè)計(jì)LLC諧振槽參數(shù)。

1)前級APFC模組輸入到半橋LLC諧振模組的電壓Ui_LLC最小值取300 V，最大值取420 V，半橋LLC諧振模組輸出電壓Uo_LLC取40 V，輸出功率300 W，能效為0.96。

3)諧振頻率fr取250 kHz，LCS705HG引腳DT/BF外分壓器電阻設(shè)計(jì)為6.8 kΩ和62 kΩ(即脈沖模式閾值設(shè)為2)，此時(shí)該引腳灌電流約為325 μA，查詢LCS705HG數(shù)據(jù)表得：此時(shí)芯片理想最大工作頻率被設(shè)為800 kHz，半橋死區(qū)時(shí)間TD=270 000/800=338 ns，半橋MOSFET寄生電容Coss取150 pF。

4)使用第一種求法，當(dāng)輸入電壓最小，輸出滿載時(shí)，求得最大品質(zhì)因數(shù)Qmax1(Mmax和Mmin為直流電壓增益上下限值)：

得到兩種求法中的較小值，乘以0.95作為品質(zhì)因數(shù)Q估算值。

將以上參數(shù)帶入FHA模型得到的結(jié)果見表2。

表2 半橋LLC諧振模組設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Parameters of half bridge LLC resonant module

2.1.3 12 V直流穩(wěn)壓電源模組

圖5 12 V直流穩(wěn)壓電源模組Fig.5 12 V DC regulated power supply module

基于離線式開關(guān)芯片LNK302DG的12 V直流穩(wěn)壓電源電路如圖5所示，變壓器匝比5∶1∶1，芯片反饋引腳FB從2號副繞組采樣，隔離主電路與12 V穩(wěn)壓電源。

2.1.4 PWM調(diào)光的恒流輸出模組

PWM調(diào)光的恒流輸出模組如圖6所示，共10路，各路都選用TI公司的Buck型芯片TPS92515HV驅(qū)動LED，其輸入直流電壓范圍5.5～65 V，最大輸出平均電流2 A，滿足設(shè)計(jì)要求[16]。模組采用PWM調(diào)光方式，調(diào)光精度高、范圍寬，無LED色偏。PWM信號由STM32經(jīng)高速光耦6N137隔離，提供給TPS92515HV，進(jìn)行模糊調(diào)光控制。TPS92515HV的VCC引腳可輸出穩(wěn)定的直流5 V，為6N137供電。

圖6 可調(diào)光恒流輸出模組Fig.6 Adjustable optical constant current output module

2.2 KNX通信單元

KNX通信介質(zhì)使用雙絞線TP1，總線收發(fā)器選用NCN5120芯片，通信控制器選用STM32F103C8T6。NCN5120芯片是OS公司的KNX收發(fā)器芯片，由KNX總線供電，內(nèi)置DC/DC轉(zhuǎn)換器提供3.3 V固定輸出電壓[17]。STM32F103C8T6(以下簡稱STM32)是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位MCU，其供電電壓2～3.6 V[18]。如圖7所示，NCN5120與STM32間以SPI方式通信，NCN5120作為SPI主機(jī)，STM32作為SPI從機(jī)。NCN5120為STM32提供3.3 V供電電壓及16 MHz同步時(shí)鐘信號。

圖7 KNX通信單元電路圖Fig.7 KNX communication unit circuit diagram

3 帶KNX通信的照度傳感器設(shè)計(jì)

帶KNX通信的照度傳感器如圖8所示，由KNX收發(fā)器NCN5120、通信控制器STM8S105K4和照度傳感器芯片BH1750FVI組成。STM8S105K4(以下簡稱STM8)屬于8位MCU，其RAM為2 KB，flash存儲器為16 KB，供電電壓2.95～5.5 V[19]。NCN5120與STM8間以SPI通信。BH1750FVI內(nèi)部集成16位ADC，直接將光照度轉(zhuǎn)變?yōu)?6位數(shù)字信號，由STM8用I2C通信來驅(qū)動，選擇H-resolution Mode方式工作，分辨率為1 lx。傳感器3.3 V電源由KNX總線通過NCN5120提供。

圖8 帶KNX通信的照度傳感器Fig.8 Illuminance sensor with KNX communication

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的通信配置與照度監(jiān)控由PC上位機(jī)使用ETS3軟件完成，使用EITT3軟件[20]完成在線調(diào)控。LED驅(qū)動器及照度傳感器使用Keil C語言環(huán)境編程，實(shí)現(xiàn)KNX通信功能以及變論域PID恒照度控制功能。照度傳感器每隔5 s自動給LED驅(qū)動器發(fā)送1次照度采樣數(shù)據(jù)。

4.1 KNX協(xié)議棧設(shè)計(jì)

KNX協(xié)議棧程序的功能是實(shí)現(xiàn)與KNX總線間的通信(圖9)，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層5個(gè)層級。其中，應(yīng)用層通信對象包括10個(gè)開關(guān)通信對象，10個(gè)遠(yuǎn)程照度設(shè)置通信對象，8個(gè)照度數(shù)據(jù)采集通信對象。

圖9 KNX報(bào)文的解析與裝配Fig.9 Analysis and assembly of KNX message

4.2 變論域PID恒照度調(diào)光控制器設(shè)計(jì)

經(jīng)典PID控制理論在數(shù)字式控制系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，需進(jìn)行離散化，設(shè)計(jì)為增量式PID控制，以節(jié)省計(jì)算資源，減小超調(diào)量，其中Δu(n)為當(dāng)前控制器輸出量，l(n)為當(dāng)前誤差，l(n-1)為上一次采樣時(shí)誤差，l(n-2)為上兩次采樣時(shí)誤差。

Δu(n)=kp[l(n)-l(n-1)]+kil(n)+kd[l(n)-2l(n-1)+l(n-2)]

變論域PID控制策略如圖10所示，以經(jīng)典PID控制為基礎(chǔ)，對比例、積分、微分3個(gè)控制參數(shù)(kp、ki、kd)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整：

圖10 變論域PID控制器Fig.10 Variable-universe fuzzy PID controllor

設(shè)計(jì)變論域PID控制的輸入量為照度誤差l及誤差變化率lc，其模糊化后得到模糊變量L與LC，輸出模糊變量U=ΔKp,i,d，去模糊化后得到精確輸出量u包含kp、ki、kd的自適應(yīng)調(diào)整值Δkp，Δki和Δkd，輸入與輸出量論域范圍見表3，劃為{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}7個(gè)子集，輸入輸出量的隸屬函數(shù)都為等腰三角形函數(shù)。

表3 輸入與輸出量論域范圍Table 3 Universe range of input and output

變論域PID控制原理如圖11所示，輸入與輸出量基本論域及模糊化后的初始模糊論域范圍見表3。可以隨誤差量變小實(shí)時(shí)收縮模糊論域范圍，相對增加誤差零點(diǎn)附近控制規(guī)則數(shù)目，以消除控制死區(qū)，增加控制精度。設(shè)計(jì)比例型伸縮因子α(l)如下，其中l(wèi)為照度誤差，E取300，τ取0.8。

α(l)=(l/E)τ。

圖11 輸入輸出量隸屬函數(shù)Fig.11 Membership function of the input and output

模糊控制規(guī)則，即如果l=Li且lc=LCj，則u=Uij，其中模糊量Li，LCj，Uij?{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，同一組(l,lc)可隸屬于不同的(Li,LCj)組合，對應(yīng)到不同的輸出模糊量Uij。設(shè)定如下(表4～6)：

表4 Δkp模糊控制規(guī)則Table 4 Fuzzy control rules of Δkp

表5 Δki模糊控制規(guī)則Table 5 Fuzzy control rules of Δki

表6 Δkd模糊控制規(guī)則Table 6 Fuzzy control rules of Δkd

按照Mamdani法的Max-Min法則作模糊推理：

(1)

式(1)中：μLi為Li的隸屬度函數(shù)；μLCj為LCj的隸屬度函數(shù)；μUij為Uij的隸屬度函數(shù)；μU為綜合各個(gè)μUij后推理得到的輸出量隸屬度函數(shù)。

由重心法去模糊化得：

設(shè)計(jì)使用Matlab2016的模糊編輯器計(jì)算出l與lc在[-3，3]上Δkp、Δki和Δkd各自的清晰值曲面，然后離散化建立數(shù)據(jù)表存入STM32，輸入不同組合的l與lc查表實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。

5 測試數(shù)據(jù)及分析

5.1 基于KNX通信的照明監(jiān)控功能測試

KNX通信功能測試的線路結(jié)構(gòu)如圖12所示，KNX電源選用臺灣明緯公司開發(fā)的KNX-20E-640。首先在PC上位機(jī)上使用ETS3軟件設(shè)置各元件物理地址和各通信對象的關(guān)聯(lián)組地址，然后在EITT3軟件中測試各元件間照度數(shù)據(jù)采集報(bào)文及遠(yuǎn)程照度設(shè)置報(bào)文的收發(fā)，并在EST3中進(jìn)行在線監(jiān)控，各報(bào)文收發(fā)均正常，這說明系統(tǒng)的KNX通信及照明監(jiān)控功能運(yùn)行成功，并得到KNX通信單元性能測試數(shù)據(jù)(表7)。

圖12 KNX通信功能測試的系統(tǒng)線路Fig.12 System diagram of KNX communication function test

性能指標(biāo)數(shù)值傳輸速率/(bit·s-1)9 600單字符傳輸時(shí)間/ms1.35總線供電電壓/V30KNX通信單元運(yùn)行功耗/mW203

5.2 LED驅(qū)動器性能測試

使用10組30 Ω功率電阻替代LED燈，在不同輸入電壓Ui條件下，分半載和滿載兩種情況測試驅(qū)動器樣機(jī)，得到能效與功率因數(shù)數(shù)據(jù)如圖13所示。根據(jù)現(xiàn)行的GB/T 24825-2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》[21]可知，該LED驅(qū)動器在半載時(shí)，功率因數(shù)仍能達(dá)到95%以上，滿足國標(biāo)要求，而能效仍能達(dá)到90%以上，能效等級為1級，達(dá)到最高等級。圖14為輸入220 V滿載時(shí)，由示波器直接讀取的半橋LLC諧振模組及恒流驅(qū)動模組輸出電壓波形圖，橫軸為時(shí)間軸，每格100 μs，縱軸為電壓軸，每格20 V，下方曲線為LLC諧振模塊輸出給恒流模組的電壓波形Uo_LLC，上方曲線為恒流模組輸出給LED燈的電壓波形Uo_LED。

圖13 兩種負(fù)載時(shí)LED驅(qū)動器性能曲線Fig.13 LED Drive performance curves under two kinds of loads

圖14 半橋LLC諧振模組及恒流驅(qū)動模組輸出電壓試驗(yàn)波形圖Fig.14 Experimental waveforms of output voltage of half bridge LLC resonant module and constant current output module

5.3 變論域PID恒照度控制測試

在輸入交流電壓220 V下，分別采用變論域PID控制和論域固定的模糊PID控制進(jìn)行10路LED燈恒照度控制測試，環(huán)境照度設(shè)置值為300 lx，得到不同自然光亮度下會議室內(nèi)平均照度誤差(表8)。由表8測試數(shù)據(jù)可知，在不同的自然光照度下，系統(tǒng)使會議室內(nèi)平均照度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。當(dāng)自然光照度接近300 lx時(shí)，變論域PID照度控制的誤差比論域固定的模糊PID更小，性能更優(yōu)。當(dāng)自然光照度已超過預(yù)設(shè)照度，則都能自動關(guān)燈。

6 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)在LED驅(qū)動器硬件上采用boost型APFC電路結(jié)合半橋LLC諧振電路與PWM調(diào)光的恒流輸出電路，實(shí)現(xiàn)高能效和高功率因數(shù)，并通過KNX通信連接上位機(jī)、驅(qū)動器與照度傳感器，采用數(shù)字式變論域PID技術(shù)進(jìn)行照度控制，效果穩(wěn)定精確，系統(tǒng)開放性良好，未來可通過KNX組網(wǎng)機(jī)器視覺等技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。