基于PWM在LED智能系統中的控制算法研究

齊芳平 石 曄 崔志威 王 輝 朱 澈

淮河能源集團煤層氣開發(fā)利用公司

0 引言

照明占世界總能源20%左右。商業(yè)和寫字樓占總能源使用量約71%，其中18%是用于照明。在典型的辦公建筑內，依據不同的地理位置，能耗總量已從100至1 000 kWh/m2，辦公能耗主要為空調能耗、照明能耗和插座負載等［1］。節(jié)約能源已經成為當今最重要的問題之一，浪費能源的最大因素是設備的低效使用。研究表明現代建筑節(jié)能潛力很大，電氣照明是節(jié)能減排過程中一個很大的關鍵點，有著高效的節(jié)能潛力，同時改造相對簡單。在辦公建筑中，已逐步使用照明節(jié)能系統，從而代替一些過時的照明系統，提高能源使用效率［2］。

智能照明系統通過集成傳感器在閉環(huán)控制系統中提供反饋數據來實現節(jié)能控制。通常使用人員檢測傳感器用于監(jiān)測用戶的行為狀態(tài)，通過判斷用戶是否在其環(huán)境中，從而對燈具進行有效的控制。但由于傳感器數據的輸入，特別是在控制系統未進行優(yōu)化或調整的情況下，會有顯著的不確定性，會造成用戶不健康的生理反應。

除此之外，通過日光采集和自動調光技術也可以提高能源節(jié)約潛力。日光收集利用了建筑物光圈的自然光，以配合燈具的人工照明，以減少達到一定照度所需的亮度。當辦公空間內獲得足夠的日光時，光照節(jié)能控制系統能夠很有效地進行控制節(jié)能。據報道，光照節(jié)能控制系統對于燈具的節(jié)能率通常在40%以上；然而，節(jié)能有效性是高度依賴于多種因素，包括：高度和方向，窗口特性，陰影裝置，表面反射，天花板高度和隔斷高度。結果表明，日光采集系統的真實數據比仿真數據在節(jié)能效果中要低很多［3-4］。

通常，提高節(jié)能性能可以通過組合多個節(jié)能技術實現一個節(jié)能控制系統。在節(jié)能系統中，要考慮到用戶的使用情況和對日光的使用效率。因此，很有必要驗證節(jié)能系統在真實環(huán)境下的節(jié)能效果，而不是僅僅通過仿真得到不同環(huán)境下的節(jié)能數據。此外，通過優(yōu)化和校準控制器，確保系統性能最優(yōu)［5-6］。

對于控制器的優(yōu)化是保證系統性能的重要步驟。在工業(yè)過程控制系統和電力系統平衡模型中通常采用模型預測控制。這種控制方法優(yōu)化了有限時間范圍，而只執(zhí)行當前時隙。在這方面的研究包括對于開環(huán)穩(wěn)定系統提高模型預測控制器的穩(wěn)定性和基于FPGA 實現模型預測控制器，提高實時計算性能［7-8］。另一種常用的優(yōu)化方法是爬山優(yōu)化算法，它是一種迭代算法，每次迭代期間遞增的更改單個元素尋找最優(yōu)解。爬山算法能相對簡單地在搜索空間中找到一個局部最優(yōu)解。研究表明，隨機爬山優(yōu)化算法在照明控制中是非常有效的［9］。

為了實現更大的能源節(jié)約，本文采用多種節(jié)能技術，實現和優(yōu)化照明節(jié)能控制器。利用一種智能控制算法，實現了控制器控制性能的優(yōu)化，能有效提高電力節(jié)能。

1 LED節(jié)能控制系統設計

為建筑節(jié)能提供一個好的技術，設計了一種LED節(jié)能控制系統，并通過更大程度的控制方式能夠節(jié)約大量的電能。在節(jié)能控制系統中，選擇ARM系列中STM32單片機作為控制核心，使用PIR紅外傳感器測量人員是否在燈光范圍內的紅外光輻射反饋信息和使用TEMT6000 光敏傳感器用于檢測燈光范圍內的光照強度，使用ATT7053BU 電表芯片監(jiān)測LED 燈的電能參數。節(jié)能控制器的框架圖見圖1。

圖1 節(jié)能控制器的框架圖

使用PIR 紅外傳感器，當一個人經過傳感器的檢測范圍內，傳感器將變化的紅外輻射信號轉化為電壓信號，傳輸到控制核心中，從而判斷人員的行為。如果人員在傳感器的檢測范圍內，傳感器返回邏輯高信號；如果人員不在傳感器檢測范圍，可以設置一個延時τ，讓光源輸出降到0。一個合適的延時τ，能節(jié)約大量的電能。

使用TEMT6000 光敏傳感器檢測環(huán)境內的光照強度，它由一個高靈敏可見光光敏（NPN型）三極管構成，可以將捕獲的微小光線變化并放大100 倍左右，并進行AD 轉換為電壓信號。TEMT6000 對可見光照度的反應特性與人眼的特性類似，可以模擬人對環(huán)境光線的強度的判斷，從而方便做出與人友好互動的應用［10］。如圖2 所示，TEMT6000 環(huán)境光傳感器，可以測量入射照度達1 000 lux的峰值靈敏度在570 nm，與光照靈敏度曲線相適應的匹配人眼的反應性。白天，人員可選擇將窗簾打開，讓陽光照亮房間。在這種情況下，人工照明可能是多余的，因為室內有足夠多的環(huán)境光來照亮工作空間。我們可以利用周圍的光線來補充現有的照明，這是一種日光收集的技術。這樣可以避免燈具不需要啟動到最大亮度，從而節(jié)約大量的電能。

圖2 TEMT6000環(huán)境光傳感器在可見光區(qū)域的相對光譜響應

2 系統的控制流程與算法

通過PIR 傳感器監(jiān)測用戶行為，同時需要監(jiān)測工作環(huán)境中的光照是否滿足人體舒適，實現了一個基于傳感器反饋的自動調節(jié)燈具狀態(tài)的控制系統。節(jié)能控制系統運行流程見圖3。

圖3 節(jié)能控制系統運行流程圖

通過用戶輸入到控制系統的目標亮度(SP)、增益(K)、滯后(H)、延時(τ)、采樣周期(T)和傳感器檢測參數以及輸入到控制系統中用戶狀態(tài)M(t)和測得的亮度PV(t)來控制系統達到最優(yōu)狀態(tài)。表1 為節(jié)能控制系統的輸入參數。

表1 控制系統參數輸入表

目標亮度SP 是隨用戶設定的固定值，并存儲在單片機中。基于輸入信號參數控制器調整PWM信號d(t)，并將其發(fā)送給PWM 驅動器。為了防止LED 色譜偏移和燈光閃爍，PWM 調光式選擇恒流源調光［11-13］。通過改變PWM信號的占空比d(t)，控制器可以調節(jié)LED燈串的電流，使LED燈照明達到目標亮度。控制器測量占空比為一個8位無符號整數（0～255）。PWM 的頻率必須達到200 Hz 以上，不然會造成燈光的閃爍，引發(fā)用戶頭疼、惡心等生理反應。

節(jié)能控制系統在控制過程中需要達到最小誤差H的范圍內，其誤差計算

從式(2)中，可以看出用戶的行為M(t)對控制系統的狀態(tài)影響最大。對占空比的上升時間是依賴于增益(K)，系統的容差依靠控制系統遲滯誤差(H)。速度的變化是依賴于用戶定義的采樣周期（T）。該系統的控制算法見表2,響應時序圖如圖4所示。該系統的時鐘速度為16 MHz，系統的響應在時鐘信號的上升沿和下降沿。在測試中，每個信號的邊緣可能會有一個小的上升時間和下降時間，各種傳感器的數據采集與傳輸頻率都依賴于控制系統的采樣周期。

表2 節(jié)能控制算法偽代碼

圖4 傳感器監(jiān)測與燈光輸出時序圖

3 控制器參數優(yōu)化

在控制系統中，能夠通過調整某些輸入參數來優(yōu)化控制器，如增益(K)、誤差范圍(H)和采樣周期(T)［14］。改變這些參數中的任何一個都會影響控制系統的響應。在實驗中，通過研究控制系統的響應如何影響控制器，分別對三個輸入參數進行優(yōu)化測試。首先設定一個初始情況，其中K=1，H=SP/20，T=200 ms，SP=1 200 LX，燈源距工作桌面0.8 m。單獨測試K、H和T的變化，并測量燈源輸出功率，直到控制器響應穩(wěn)定。

首先，僅改變采樣周期T，如圖5 所示，隨著采樣周期T 的提高，控制器系統到達穩(wěn)態(tài)的時間逐漸提高。當T=200 ms 時，控制器需要30 ms 到達穩(wěn)態(tài)；當T=800 ms 時，控制器則需要2 min 到達穩(wěn)態(tài)。但較高的采樣周期會導致燈具不斷閃爍，使用戶影響生理反應，而較低采樣周期會對控制系統帶來更大的負荷。

圖5 采樣時間T對系統的影響

其次，僅改變增益K，如圖6 所示，隨著增益K的不斷增大，控制器的響應時間增加，控制器系統到達穩(wěn)態(tài)的時間則逐漸減小。當K=1時，控制器則需要30 s到達穩(wěn)態(tài)。當K=10時，控制器則需要2 s到達穩(wěn)態(tài)，但當誤差H 很小的時候，會產生超調量。當系統有超調量時，可以降低占空比來校正。但這樣不穩(wěn)定，會導致燈光產生閃爍的現象。

圖6 增益K對系統的影響

最后，僅改變誤差范圍H，如圖7 所示，隨著誤差范圍H的增大，控制器到達目標亮度的偏差隨之增大。當H=SP/20時，控制器到達目標光照與實際值基本一致；當H=SP/5時，控制器控制的光照與實際值偏差很大。誤差H對系統的影響見圖7。

4 節(jié)能分析與結果

根據分析結果，對控制器采用K = 2，H = SP/ 20，T = 200 ms 能達到最優(yōu)化控制。在實驗中，選擇靠近窗戶的工作臺，將TEMT6000光敏傳感器放在工作臺上用于檢測工作環(huán)境光照。對于工作臺上的光照為SP=600 Lx 時，用戶感覺到最舒適［15］。人員使用兩臺30 W 的LED 燈，燈1 不作任何改變，燈2 安裝節(jié)能控制系統。檢測時間為下午14:00-20:00，通過6 個小時測試時間，對燈1 與燈2 的功率作比較。

節(jié)約電能的計算式見式(3)：

其中：P0——燈1的功率；

Pc——燈2的功率。

燈具的節(jié)能率計算公式見式(4)：

實驗測試結果如圖8 所示，隨著時間推移，工作臺上的日照光線逐漸變暗，燈具的用電功率在提升。用戶短時間離開過工作區(qū)間數次，燈2 的功率降低，而燈1 的功率則未變。在晚上19:00 左右日落之后，燈2 的功率達到最大值并幾乎保持不變。在測試期間，燈2 與燈1 的用電量分別為108 Wh 和236 Wh，節(jié)約了128 Wh，節(jié)約了45%左右的電能。

圖8 燈1和與燈2的功率圖

5 結論

本文設計的一種LED 節(jié)能控制系統利用各種傳感器提供反饋信息，并通過智能算法對LED燈進行智能調控。在控制算法中，對不同的輸入參數進行分析比較，選擇最優(yōu)的輸入參數能夠更加高效地調控LED 燈。該控制系統通過算法智能調節(jié)工作區(qū)的最優(yōu)光照環(huán)境，并實現了45%左右的能源節(jié)約，為建筑節(jié)能技術提供了一個更好的基礎。