基于PID算法的市政照明集中控制系統(tǒng)設計

摘 要：【目的】為提高市政照明系統(tǒng)智能化程度，滿足實際的環(huán)境需求，設計一款基于PID算法的市政照明集中控制系統(tǒng)?！痉椒ā窟x用PLC-XX800型號的集中控制器、WS-2000型號的光照傳感器作為系統(tǒng)主要硬件。在關鍵路段安裝光照傳感器，用于采集市政光照數據，根據實時采集到的光照數據，通過PID算法自動調節(jié)照明設備亮度，以保持恒定的光照水平。引入自適應調整機制，根據環(huán)境光照強度的變化動態(tài)調整系數，從而實現市政照明的集中控制?！窘Y果】基于PID算法的市政照明集中控制系統(tǒng)能實現對照明過程中亮度的自適應調節(jié)，滿足不同時段的環(huán)境照明需求。【結論】該系統(tǒng)不僅能提高城市照明的效率和質量，還能降低能耗和維護成本，提升城市形象，改善居民生活質量。

關鍵詞：PID算法；市政照明；集中控制系統(tǒng)；集中控制器；光照傳感器

中圖分類號：TP393" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）03-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.002

Design of Centralized Control System for Municipal Lighting Based on PID Algorithm

LI Qing

（Liaoning Urban Construction Design Institute Co.， Ltd.， Fushun 113000， China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the intelligence of municipal lighting system and make it meet the actual environmental requirements， PID algorithm is introduced to design the centralized control system of municipal lighting. [Methods] This paper selects PLC-XX800 centralized controller and WS-2000 illumination sensor as the main hardware of the system. In the process of software design， lighting sensors are installed at key sections to collect municipal lighting data. According to the real-time lighting data， PID algorithm is introduced to automatically adjust the brightness of lighting equipment to maintain a constant lighting level. The adaptive adjustment mechanism is introduced to dynamically adjust the coefficient according to the change of ambient light intensity， so as to realize centralized control of municipal lighting. [Findings] The designed centralized control system of municipal lighting based on PID algorithm can realize the adaptive adjustment of illumination in the lighting process and meet the environmental lighting demand in different periods. [Conclusions] The system can not only improve the efficiency and quality of urban lighting， but also reduce energy consumption and maintenance costs， enhance the image of the city and improve the quality of life of residents.

Keywords： PID algorithm; municipal lighting; centralized control system; centralized controller; illumination sensor

0 引言

隨著城市化進程加快，市政照明系統(tǒng)作為城市基礎設施的重要組成部分，其能耗和管理效率受到越來越多的關注?，F有的市政照明系統(tǒng)大多依賴人工控制或簡單的定時控制，缺乏根據環(huán)境光照變化而自動調節(jié)亮度的能力，不僅浪費大量能源，還可能引發(fā)光污染、照明不足或過度照明等問題，影響城市形象和居民生活質量。

王路等［1］利用DALI協(xié)議對照明設備實現數字化控制和管理，通過精確調光、分組控制等功能，提高照明系統(tǒng)的靈活性和節(jié)能性。通過DALI系統(tǒng)對指揮調度大廳內的照明燈具進行高效管理，實現燈具的獨立尋址、編程和分組控制，但DALI系統(tǒng)的安裝和調試過程相對復雜，需要由專業(yè)技術人員進行操作，不易推廣。王強［2］通過AI技術對現代建筑照明系統(tǒng)進行智能化改造，對照明設備實現精準控制和高效管理。該系統(tǒng)利用AI算法對室內環(huán)境進行實時監(jiān)測和分析，創(chuàng)造出更加舒適、節(jié)能的照明環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還具有自我學習和優(yōu)化功能，能根據用戶的使用習慣和需求不斷調整和優(yōu)化照明策略，進一步提升用戶體驗。但AI系統(tǒng)的開發(fā)和維護成本較高，對硬件和軟件資源的要求也相對較高。并且AI技術的復雜性和不確定性，導致該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性仍要進一步驗證和優(yōu)化。為提高照明控制的智能化水平，本研究引入PID算法，對市政照明集中控制系統(tǒng)進行設計。

1 市政照明集中控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 集中控制器選型

在市政照明集中控制系統(tǒng)中，集中控制器是整個系統(tǒng)核心部分，負責接收傳感器數據、處理數據、執(zhí)行PID控制算法，并向各個路燈發(fā)送控制指令［3］。因此，選擇高性能工業(yè)級控制器作為該系統(tǒng)的集中控制器，技術參數見表1。

集中控制器應選擇干燥、通風、易于維護的位置進行安裝，避免陽光直射和雨淋。使用膨脹螺絲或其他合適的固定件，將集中控制器固定在選定位置，安裝完成后，對集中控制器進行調試，確保其能正常工作。

1.2 光照傳感器選型

光照傳感器需要具備高精度和長期穩(wěn)定性，確保測量數據的準確性。同時，市政照明環(huán)境復雜多變，傳感器還應具備良好的防水、防塵、耐候性等特性。因此，對光照傳感器進行選型時可參照表2。

傳感器應安裝在能充分反映照明區(qū)域光照強度的位置，避免被遮擋或受其他光源干擾，通過支架或固定夾將傳感器牢固地安裝在路燈桿、建筑物外墻等合適的位置。

2 市政照明集中控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 市政光照數據采集

根據城市規(guī)劃和照明需求，在關鍵路段、公共場所、居民區(qū)等區(qū)域設置采集點。在采集點安裝光照傳感器、氣象傳感器等設備，用于實時監(jiān)測光照強度、照度、天氣條件等參數［4］。配置采集設備的采樣頻率、數據記錄格式等參數，采集市政光照數據樣本。根據傳感器反饋的數據，計算測點光照強度見式（1）。

[Z=?A] （1）

式中：[Z]為光照強度；[?]為平均光通量；[A]為受光面積。

在此基礎上，根據光照強度繪制照度分布圖，在考慮光源位置、方向、強度及周圍環(huán)境反射等因素的基礎上，計算燈具照明效率見式（2）。

[η=Z?1?2] （2）

式中：[η]為燈具照明效率；[?1]為燈具發(fā)出的有效光通量；[?2]為燈具輸入的光通量。通過實時監(jiān)測、采集光照強度和燈具等參數，從而全面、準確分析市政照明情況。

2.2 基于PID算法的恒光集中調節(jié)

在完成上述設計后，引進PID算法，根據實時采集的光照數據，自動調節(jié)照明設備亮度，以保持恒定的光照水平［5］。在此過程中，根據目標光照強度（設定值）和實際光照強度（測量值）之間的偏差來計算控制信號。光照強度偏差的計算見式（3）。

[e（t）=I1-I2（t）η] （3）

式中：[e（t）]為光照強度偏差（控制信號偏差）；[I1]為目標光照強度；[I2]為實際測量的光照強度。

在此基礎上，PID控制器通過調整比例（[p]）、積分（[i]）和微分（[d]）的系數，對照明設備亮度進行精確調節(jié)。參數調整過程見式（4）。

[U（t）=Kp?e（t）+Ki?0te（t）dt+Kd?de（t）dt] （4）

式中：[U（t）]為參數調整函數；[Kp]、[Ki]、[Kd]分別為調節(jié)的[p]、[i]、[d]參數量。

根據調節(jié)后的參數對照明設備進行恒光集中調節(jié)，調節(jié)過程見式（5）。

[L=L1+ΔL=L1+U（t）?ΔLmaxUmax（t）] （5）

式中：[L]為恒光集中調節(jié)；[L1]為調節(jié)前亮度值；[ΔL]為亮度調節(jié)量；[ΔLmax]為[ΔL]的最大值；[Umax（t）]為[U（t）]輸出的最大值。

在實際調節(jié)中，考慮到照明設備的物理特性和響應時間，需要引入一定的延遲或濾波機制，以免頻繁的亮度調節(jié)對設備造成損害或影響照明效果。

2.3 照明亮度自適應控制

在標準的PID控制算法基礎上，引入自適應調整機制，根據環(huán)境光照強度變化動態(tài)調整系數。結合用戶設定的光照需求、當前時間、環(huán)境光照強度，計算自適應亮度調節(jié)值見式（6）。

[L'=fL+α?H] （6）

式中：[L']為自適應亮度調節(jié)值； [f]為光照需求；[α]為基礎亮度值；[H]為光照需求的權重系數。

根據計算結果，結合自適應系數，將最佳的照明效果和節(jié)能效果作為控制目標，按照式（7）進行照明亮度的自適應控制。

[M=1L'2+χ+12] （7）

式中：[M]為自適應調節(jié)；[χ]為調節(jié)系數。實時監(jiān)控照明亮度，以此實現對照明亮度的自適應控制。

3 實驗

3.1 實驗準備

本次實驗選取位于中部省份的歷史文化名城作為市政照明工程研究試點。近年來，隨著城市化進程加快，該城市的市政照明工程得到顯著發(fā)展。

截至最近統(tǒng)計，該城市中心城區(qū)已有上百條道路，路燈共計數千桿，配備有數十臺控制箱和箱變。同時，該城市曾開展大規(guī)模的LED節(jié)能改造項目，對多條道路、數千盞燈頭進行更換，應用占比極高。這些路燈在滿足城市交通安全和居民夜間出行需求的同時，還通過智能化和節(jié)能化改造，大幅提高城市照明質量和能效水平。本次實驗采集市政照明的相關數據作為樣本數據，具體見表3。

3.2 實驗步驟

實驗過程中，確保所有市政照明設備（如路燈、傳感器、控制器等）均安裝正確，并連接至集中控制系統(tǒng)。同時，檢查電源、通信線路等基礎設施是否完好。安裝并配置PID算法控制軟件，確保軟件與硬件設備兼容。此外，還要準備測試用的計算機、數據采集設備等。在此基礎上，進行實驗環(huán)境設置見表4。

本次實驗引入王路等［1］提出的基于DALI調光的照明控制方法、王強等［2］提出的基于AI的照明控制方法，將二者作為對照組，與本研究提出的方法進行對比。設置不同時段下照度值，在測試環(huán)境條件下，對系統(tǒng)性能進行測試，檢驗3種方法對市政照明的集中控制效果。

3.3 實驗結果與分析

選擇某時段對市政照明集中控制系統(tǒng)進行測試，實驗設定12：00—17：00照度為8 000～10 000 lx，17：00后路面變暗。因此，17：00—23：00照度調整為10 000～14 000 lx，23：00后路面行車與行人減少，為節(jié)約電量，照度調整為6 000～8 000 lx。以此為依據，對上述三種方法的市政照明控制效果進行分析，結果如圖1至圖3所示。

由圖1可知，應用本研究提出的方法后，12：00—17：00的照度為8 000～10 000 lx、17：00—23：00的照度為10 000～14 000 lx、23：00后的照度為6 000～8 000 lx。

由圖2可知，基于DALI調光的照明控制方法［1］雖能將對應時段的照度控制在大致預期范圍內，但照度變化范圍較大，部分時段存在照明“忽亮忽暗”的問題。

由圖3可知，基于AI的照明控制方法［2］對照度調節(jié)的幅度較小，大部分時段未能達到設計的照度范圍，控制效果不佳。

綜上所述，此次設計的照明集中控制系統(tǒng)應用效果良好，該系統(tǒng)能實現對照明過程中照度的自適應調節(jié)，以此調整道路照明亮度，保障不同時段的環(huán)境照明需求。

4 結語

將PID算法應用于市政照明集中控制系統(tǒng)中，可根據多種因素自動調節(jié)路燈亮度，實現節(jié)能、環(huán)保、舒適的目標。通過集中管理，可及時發(fā)現并處理路燈故障，減少因照明不足引發(fā)的交通事故和安全隱患，提高城市形象?，F已有基于PID算法的研究和應用案例，如智能溫室控制系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等，但針對市政照明系統(tǒng)的集中控制，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性、安全性等因素以及如何與現有城市基礎設施進行無縫對接等問題。因此，本研究通過市政光照數據采集、恒光集中調節(jié)、照明亮度自適應控制，完成此次設計，通過智能控制算法和先進的信息技術，實現對市政照明系統(tǒng)的精準調節(jié)和高效管理，為城市照明系統(tǒng)的智能化改造提供新的思路和技術支持。

參考文獻：

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