孫淑婷

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

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智能LED燈光系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

孫淑婷

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

提出了一種基于凸優(yōu)化的智能LED燈光系統(tǒng)控制算法。在滿足最低照度及用戶需要的條件下，該算法能夠計(jì)算出陣列中每一個(gè)LED的最優(yōu)調(diào)光等級(jí)(Optimum dimming level)，進(jìn)而最小化了整個(gè)照明系統(tǒng)的能源消耗。

凸優(yōu)化；LED控制；算法

在當(dāng)今的照明系統(tǒng)中，能源消耗無疑是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。但減少能源消耗并不意味著可以降低照明質(zhì)量或者減少用戶舒適度。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，除了高效率的光源，智能的控制算法也是非常必要的。作為新一代的光源，LED無論是光效和壽命均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的白熾燈和熒光燈[1]；同時(shí)可調(diào)光LED(Dimmable LED)允許用戶通過控制其調(diào)光等級(jí)(Dimming Level)來控制其照明亮度，所以我們選取可調(diào)光LED作為本文的主要研究對(duì)象。

目前國內(nèi)大多數(shù)的燈光系統(tǒng)仍然是傳統(tǒng)的人工管理，這樣不但增加了運(yùn)營成本，而且很難發(fā)揮出整個(gè)照明系統(tǒng)的最優(yōu)性能。因此我們希望設(shè)計(jì)一種智能的控制算法來取代傳統(tǒng)的人工管理來最小化整個(gè)照明系統(tǒng)的能量消耗。另一方面來說，在優(yōu)化能量消耗的同時(shí)，我們還必須要考慮整個(gè)照明系統(tǒng)給用戶帶來的照明舒適度，不能為了減少能量消耗而無限制地降低表面照度以至于降低照明系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。

1　LED的光束模型

為了實(shí)現(xiàn)LED的智能控制，我們必須對(duì)LED的燈光光束進(jìn)行正確的數(shù)學(xué)描述。對(duì)于LED的光束，目前最為普遍使用和廣泛接受的數(shù)學(xué)模型是廣義的Lambertian模型[2]。也就是說，對(duì)于給定的LED，可以根據(jù)公式(1)計(jì)算出某一點(diǎn)的照度(勒克斯)，其中d，h分別為LED到該點(diǎn)的垂直和水平距離(米)；m，I0是該LED的Lambertian常數(shù)與光通量(流明)。m是一個(gè)大于0的常數(shù)，用來描述LED的光束寬度。

(1)

對(duì)一個(gè)LED陣列來說，被照明表面某一點(diǎn)的照度是該陣列中所有LED提供照度的加權(quán)和，權(quán)重為每個(gè)LED的調(diào)光等級(jí)，即：

x=WTI.

(2)

其中，W={w1，w2，…，wL}T是該LED陣列的調(diào)光等級(jí)向量，0≤wl≤1是第l個(gè)LED的調(diào)光等級(jí)，L是整個(gè)LED陣列所包含的LED數(shù)量；I={I1，I2，…，IL}T是該LED陣列對(duì)該點(diǎn)可提供的最大照度向量，Il是第l個(gè)LED對(duì)該點(diǎn)可提供的最大照度，可由公式(1)計(jì)算得到。

2　LED的最優(yōu)調(diào)光等級(jí)向量

為了得到LED陣列的最優(yōu)調(diào)光等級(jí)向量WOpt，我們首先把被照射表面分成N個(gè)子表面，每個(gè)子表面都應(yīng)足夠小，使得其照度可被視為一個(gè)常數(shù)，于是我們有：

WOpt=arg minWTP

subject toX≥Xr

0≤W≤1 .

(3)

其中，P={P1，P2，…，PL}T是該LED陣列的功率向量，Pl是第l個(gè)LED的額定功率；X={x1，x2，…，xN}T與Xr={xr1，xr2，…，xrN}T分別為被照射表面的照度向量與所需最低照度向量，xn與xrn分別為子表面的照度與所需最低照度。因?yàn)楣?3)中的目標(biāo)函數(shù)為一凸函數(shù)，所以公式(3)是一個(gè)帶有限制條件的凸優(yōu)化問題。于是利用CVX，一個(gè)基于Matlab的解凸優(yōu)化問題的工具包，我們就可以得到該LED陣列的最優(yōu)調(diào)光等級(jí)向量WOpt。這樣我們不僅最小化了整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗，而且保證了用戶的照明舒適度。

3　例子及討論

在這一節(jié)我們利用公式(3)對(duì)一個(gè)實(shí)際例子進(jìn)行優(yōu)化：對(duì)于一個(gè)容納三個(gè)辦公人員，并且每個(gè)辦公人員有一張

0.75 m×1.5 m×1 m辦公桌的辦公室(7 m×3 m×2.6 m)，我們首先將被照射表面分割為2 100個(gè)0.1 m×0.1 m的子表面；然后根據(jù)照明標(biāo)準(zhǔn)確定每個(gè)子表面的所需最低照度(如圖1所示)；最后解公式(3)，可獲得最優(yōu)調(diào)光等級(jí)向量WOpt及相應(yīng)的表面照度XOpt(如圖2所示)。如果我們假設(shè)每只LED每天工作11個(gè)小時(shí)，那么優(yōu)化之前(所有LED均以最大功率進(jìn)行照明)每天照明系統(tǒng)的能量消耗為8.62 kW/h(千瓦時(shí))，而優(yōu)化之后每天的能量消耗僅為2.45 kW/h(千瓦時(shí))。由此可見，本文所提出的LED優(yōu)化算法可以顯著地減少照明系統(tǒng)的能量消耗。

圖1　所需最低照度向量Xr

圖2最優(yōu)表面照度XOpt所選光源為Philips MASTER LEDspot D 7-50W 4000K PAR20 25D，每兩只LED之間距離為0.45 m。

[1]毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[J].中國照明,2008(11):103-103.

[2]王聲學(xué)，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應(yīng)用[J].燈與照明,2006,30(4):32-35.

Control Design of Intelligent LED Lighting System

Sun Shuting

(TaiyuanInstituteofTechnology,TaiyuanShanxi030008,China)

In current lighting applications, energy efficiency is an essential requirement. Significant energy can be saved via the intelligent light control. To determine the optimum light setting, a method based on convex optimization is proposed to control the dimming vector of a dimmable LED array so that the expected light pattern can be implemented with minimum energy consumption.

convex optimization; control by dimmable LED array; algorithm

2016-03-16

孫淑婷(1962- )，女，副教授，本科，主要從事CAD/CAM研究。

1674- 4578(2016)04- 0006- 01

TP273；TM923.34

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