郭勝輝 朱學(xué)莉 朱樹(shù)先

(1.蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215009;2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

1 引言

學(xué)校里照明用電是學(xué)校總用電量的主要組成部分［1］。目前，教室照明燈具的控制多為教室使用者的自發(fā)控制，對(duì)教室使用者的道德水平依賴(lài)程度高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“長(zhǎng)明燈”的現(xiàn)象，造成極大的浪費(fèi)。若是能設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)教室內(nèi)照度及人數(shù)自動(dòng)判斷是否滿足開(kāi)啟燈具的條件而控制燈具的開(kāi)啟或關(guān)閉，則可以解決這一問(wèn)題，減少浪費(fèi)［2］。然而，教室內(nèi)照度及人數(shù)均是時(shí)變、非線性的，且具有較大的隨機(jī)性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使得利用經(jīng)典控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制非常困難［3，4］。模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法［5］。實(shí)際應(yīng)用中可以脫離精確的數(shù)學(xué)模型，模仿有經(jīng)驗(yàn)的管理人員進(jìn)行控制，達(dá)到滿意的控制效果。本文將模糊控制應(yīng)用于教室照明系統(tǒng)中，根據(jù)教室內(nèi)照度及人數(shù)的變化自動(dòng)改變教室內(nèi)燈具的開(kāi)啟數(shù)量，實(shí)現(xiàn)教室照明節(jié)能控制。

2 系統(tǒng)的工作原理及組成

2.1 模糊控制原理

模糊控制可以在行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程。該方法首先將傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，再根據(jù)操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊控制規(guī)則，然后將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，再經(jīng)去模糊化后，將推理后的輸出量輸出到執(zhí)行器上［6］。

2.2 控制系統(tǒng)組成

影響教室燈具開(kāi)啟或關(guān)閉的因素主要包括兩方面:一是照度，當(dāng)自然光可以提供足夠的照度時(shí)，無(wú)需開(kāi)啟燈具，只有自然光提供的照度過(guò)低時(shí)，才考慮開(kāi)啟燈具補(bǔ)充照度;二是教室人數(shù)，當(dāng)教室人數(shù)過(guò)少或沒(méi)有人時(shí)，即使自然光不能提供足夠的照度，也應(yīng)根據(jù)人數(shù)合理地確定燈具開(kāi)啟的數(shù)量或關(guān)閉全部燈具。

基于以上分析，設(shè)計(jì)如圖1所示模糊控制系統(tǒng)。首先由人員檢測(cè)模塊及照度檢測(cè)模塊來(lái)獲取教室的參數(shù)，而后分別與各自設(shè)定值比較后，形成兩個(gè)誤差輸入量。兩個(gè)誤差輸入量經(jīng)模糊化后變成模糊量，用模糊語(yǔ)言表示。然后經(jīng)模糊控制算法、模糊判決及去模糊化處理后，得到模糊控制的輸出量。

圖1 模糊控制系統(tǒng)Fig.1 Fuzzy control system

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

很明顯，模糊控制系統(tǒng)的核心部分即是模糊控制器，也是模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由圖1可知，它是一個(gè)兩輸入單輸出模糊控制器，輸入為教室人數(shù)和照度，輸出即為燈具的開(kāi)啟數(shù)量。

3.1 輸入量的確定

輸入量是指系統(tǒng)中需要檢測(cè)的教室人數(shù)及照度。由于教室人數(shù)及照度分布的不均勻性和隨機(jī)性，首先應(yīng)研究檢測(cè)元件的分布。根據(jù)教室座位排列及采光面分布的不同將教室劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都配以一定數(shù)量的照度傳感器及人員檢測(cè)傳感器。以單側(cè)采光的教室為例，按照座位距離采光面 (窗戶)的遠(yuǎn)近將教室劃分為圖2(a)所示檢測(cè)區(qū)域?？紤]到教室大多裝有多媒體系統(tǒng)，為了其正常工作(環(huán)境照度不能太高)，同時(shí)進(jìn)一步克服教室人數(shù)不均勻性，可以將每列按距離講臺(tái)的遠(yuǎn)近再次劃分為多個(gè)區(qū)域。為了便于描述，本例中以前后兩個(gè)區(qū)域?yàn)槔?，如圖2(b)所示。照明燈具的分布也可參考這一規(guī)律。

圖2 教室檢測(cè)區(qū)域劃分Fig.2 Detection zoning of classroom

3.1.1 人數(shù)x

教室是否有人及人數(shù)的多少是影響燈具開(kāi)啟數(shù)量的首要因素。當(dāng)教室無(wú)人時(shí)，由燈具提供的照度則為浪費(fèi)。因此，必須檢測(cè)教室人數(shù)。在上述劃分的6個(gè)區(qū)域內(nèi)各自設(shè)置1個(gè)檢測(cè)元件，采用被動(dòng)式紅外檢測(cè)傳感器。若是某個(gè)區(qū)域沒(méi)有學(xué)生，則檢測(cè)元件輸出為低電平，否則為高電平。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的非人為的紅外線輻射干擾，可以在燈具開(kāi)啟條件滿足后采用延時(shí)開(kāi)啟的方式解決。將教室人數(shù)分為 7個(gè)模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少(SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多 (M)，很多(VM)。從而得到人數(shù)變化隸屬函數(shù)，如圖3所示。

圖3 人數(shù)隸屬函數(shù)Fig.3 Membership function of the number of people

3.1.2 照度y

當(dāng)某一區(qū)域有足夠的自然光照度時(shí)，應(yīng)充分利用自然光照明，減少燈具的開(kāi)啟數(shù)量或關(guān)閉燈具。在劃分的區(qū)域內(nèi)各自設(shè)置1個(gè)檢測(cè)元件，考慮到光敏電阻的線性度較差，采用線性度良好的光電集成照度傳感器。教室內(nèi)平均照度在200lx以上，即可滿足閱讀照度。因此將照度以200lx為中心，分為5個(gè)模糊集:低 (L)，較低 (SL)，中 (M)，較高 (SH)，高(H)。從而得到照度變化隸屬函數(shù)，如圖4所示。

圖4 照度隸屬函數(shù)Fig.4 Membership function of illumination

3.2 輸出量的確定

系統(tǒng)的輸出量即是燈具的開(kāi)啟數(shù)量，設(shè)置兩種工作模式。當(dāng)教室局部照度檢測(cè)值小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明可能只有局部需要燈具照明，此時(shí)燈具的開(kāi)啟優(yōu)先順序是固定的，優(yōu)先選擇遠(yuǎn)離采光面、自然光提供照度低的內(nèi)側(cè)，此為模式一。模式二則是指當(dāng)教室全部照度檢測(cè)值均小于系統(tǒng)的設(shè)定值，說(shuō)明此時(shí)需要全部依賴(lài)燈具照明，當(dāng)人數(shù)越多、照度越低時(shí)，則開(kāi)啟的燈具數(shù)越多。在模式二下可以由教室使用者設(shè)定燈具的開(kāi)啟優(yōu)先程度 (外側(cè)優(yōu)先或內(nèi)側(cè)優(yōu)先，前排優(yōu)先或后排優(yōu)先，這一優(yōu)先等級(jí)設(shè)定好以后，直至再次設(shè)置，將不再改變)。

將燈具開(kāi)啟數(shù)量分為7個(gè)模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少 (SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多(M)，很多 (VM)。從而得到開(kāi)啟燈具數(shù)量變化隸屬函數(shù)，如圖5所示。

3.3 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則采用查表離線計(jì)算法，制定過(guò)程中采用“if A and B then C”的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)管理人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)模糊控制規(guī)則如表1所示。根據(jù)該表經(jīng)仿真優(yōu)化后存入微處理器中，實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)讀取表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制輸出，達(dá)到預(yù)期的目的。輸出量的去模糊化采用查表法，如表2所示。

圖5 燈具隸屬函數(shù)Fig.5 Membership function of lamps

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table

表2 去模糊化結(jié)果Table 2 Results of removing the fuzziness

4 Matlab仿真

為了直觀地檢驗(yàn)該模糊控制器的控制效果，利用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到圖6所示輸入輸出曲面圖。從圖6中可以明顯地看出，當(dāng)人數(shù)一定時(shí)，照度越高則開(kāi)啟燈具數(shù)量越少或不開(kāi)啟;當(dāng)照度低于預(yù)設(shè)值且固定不變時(shí)，人數(shù)越多則開(kāi)啟燈具數(shù)量越多;而照度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，則根據(jù)人數(shù)開(kāi)啟少量燈具或不開(kāi)啟。這與管理人員的經(jīng)驗(yàn)基本是吻合的，說(shuō)明該系統(tǒng)達(dá)到期望的控制效果。

圖6 輸入輸出曲面圖Fig.6 Input and output surface plot

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上原理性分析，采用S7-200 CPU 226 PLC作為控制核心，以MCGS組態(tài)軟件為人機(jī)交互界面，組成教室照明控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件不僅界面形象直觀，且方便操作，還可以同時(shí)完成信息及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集及輸出、參數(shù)設(shè)置及控制等。MCGS組態(tài)軟件在進(jìn)行界面組態(tài)前，需先進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，在通用串口父設(shè)備下選擇西門(mén)子_S7200PPI，根據(jù)需要再進(jìn)行通道設(shè)置，詳細(xì)過(guò)程可參見(jiàn)MCGS組態(tài)軟件說(shuō)明資料。組態(tài)完畢后，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需將PC機(jī)與PLC通過(guò)PC/PPI線直接相連，即可由MCGS完成參數(shù)輸入、狀態(tài)輸出顯示等。畫(huà)面組態(tài)如圖7所示。

6 結(jié)論

圖7 MCGS組態(tài)畫(huà)面Fig.7 The configuration screen of MCGS

該系統(tǒng)引入模糊控制，省去建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的繁瑣，實(shí)現(xiàn)模仿有經(jīng)驗(yàn)管理人員的控制。可以充分利用自然光照明，降低照明用電浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的目的，獲得良好的控制效果。

［1］李應(yīng)生，龐建麗.學(xué)校智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 ［J］.電源技術(shù)，2012，36(3):396～398.

［2］馮平，周聰.智能照明系統(tǒng)的模糊控制探討 ［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，20(1):19～22.

［3］丁金婷，吳國(guó)忠.基于PLC的交通十字路口模糊控制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(z3):1927～1930.

［4］吳春澤，朱思莉，林燕丹等.室內(nèi)照明自然采光的模糊控制 ［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(2):24～28.

［5］吳瑤，姜建國(guó).基于模糊控制的節(jié)電照明控制系統(tǒng)［J］.工礦自動(dòng)化，2005，(6):82～85.

［6］劉金琨.智能控制 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.