王鐵成

摘 要：目前的智能照明系統(tǒng)的控制策略主要是根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，而不是根據(jù)燈具的實(shí)際用電情況進(jìn)行合理規(guī)劃，因此智能照明系統(tǒng)需進(jìn)一步提高其效能.利用模糊控制算法確定百葉窗的開(kāi)度，最大限度的利用自然光，同時(shí)粒子群算法通過(guò)對(duì)多傳感器采集的照度信息進(jìn)行尋優(yōu)處理，確定照明設(shè)備的最佳亮度組合.經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)在滿(mǎn)足舒適性的同時(shí)，具有很好的節(jié)能效果，能夠?qū)崿F(xiàn)舒適性和節(jié)能性的綜合最優(yōu).

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)；控制；措施

1導(dǎo)言

目前全球經(jīng)濟(jì)正朝著一體化靠攏。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家本身經(jīng)濟(jì)的停滯不前，短期內(nèi)很難有大型的品牌照明企業(yè)出現(xiàn)。并且環(huán)境保護(hù)成為全球化目標(biāo)后，全世界的各個(gè)國(guó)家，特別是科學(xué)技術(shù)先進(jìn)的地區(qū)，對(duì)于照明節(jié)能的需求將更為強(qiáng)烈，照明節(jié)能對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步具有極其重要的意義。

2照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

照明系統(tǒng)主要由傳感網(wǎng)、應(yīng)用控制器、驅(qū)動(dòng)器、燈具節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.傳感網(wǎng)包括亮度傳感器和照度傳感器，亮度傳感器用來(lái)采集百葉窗外環(huán)境的亮度，作為計(jì)算百葉窗開(kāi)度時(shí)其中一個(gè)輸入變量；照度傳感器收集室內(nèi)作業(yè)區(qū)域的照度值，用來(lái)約束判斷是否滿(mǎn)足照明環(huán)境的舒適性要求.將傳感器信息傳送到應(yīng)用控制器，控制器執(zhí)行照明控制策略，確定每一個(gè)燈具的最優(yōu)亮度值，實(shí)現(xiàn)照明區(qū)域內(nèi)舒適性與節(jié)能性的綜合最優(yōu).

3智能照明控制的工作原理

電子感應(yīng)技術(shù)和利用電磁原理的調(diào)壓技術(shù)是智能照明控制系統(tǒng)的主要技術(shù)支撐，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的供電情況，對(duì)電路的電流值等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，改善電路情況，從根本上提高功率因數(shù)，從而達(dá)到照明節(jié)能降耗的目的。在目前國(guó)際公認(rèn)較為成熟的智能照明系統(tǒng)中，ABB公司的i-bus系統(tǒng)較為成熟，采用國(guó)際通用的EIB/KNX標(biāo)準(zhǔn)。采用總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是i-bus系統(tǒng)的主要工作原理，這使得系統(tǒng)具有10Mbit的通訊數(shù)率。使用線(xiàn)路耦合器對(duì)支線(xiàn)中的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的信號(hào)進(jìn)入主線(xiàn)，進(jìn)而增加干線(xiàn)速率。因?yàn)镮P局域網(wǎng)接口和EIB/KNX使用，所以使得數(shù)據(jù)可以在兩者間進(jìn)行傳遞。IP網(wǎng)關(guān)可以高效地在KNX/EIB系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。I-bus總線(xiàn)不能接地，其具有屏蔽能力。開(kāi)關(guān)控制模塊具有帶電檢測(cè)功能，可以檢測(cè)燈光回路的運(yùn)行情況，并且在故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄軜怯瞽h(huán)境控制系統(tǒng)和智能家居控制系統(tǒng)，其主要控制功能為光控制、中央控制、電動(dòng)窗簾控制、家居安防控制、溫度控制、AV控制系統(tǒng)信號(hào)監(jiān)視等。

4照明系統(tǒng)控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)

4.1模糊控制器的百葉窗開(kāi)度控制策略

自然光一直是人類(lèi)最習(xí)慣、感覺(jué)最舒適的光源，同時(shí)為了充分利用自然資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，本系統(tǒng)在避免直射造成人員眩暈的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)百葉窗開(kāi)度最大限度的利用自然光實(shí)現(xiàn)照明需求.百葉窗開(kāi)度與太陽(yáng)高度角、天空光模式等因素有關(guān).其中，天空模式很難用一個(gè)精確量來(lái)描述，而模糊控制對(duì)這類(lèi)問(wèn)題往往可以得到較好的控制效果，因此本系統(tǒng)采用了模糊控制策略，其過(guò)程如下：確定輸入輸出變量，模糊化處理

本系統(tǒng)模糊控制器主要是根據(jù)太陽(yáng)高度角以及天空光模式來(lái)確定百葉窗的開(kāi)度.太陽(yáng)高度角是太陽(yáng)直射光線(xiàn)與地球水平面的夾角，計(jì)算公式：

（1）

式（1）中：H為太陽(yáng)高度角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，δ為太?yáng)直射點(diǎn)的緯度；t表示時(shí)角，正午時(shí)刻t=0，每小時(shí)變化15°.以西安為例，論域取[0，80°].百葉窗的開(kāi)度可以定義為百葉窗的葉片與豎直方向形成的夾角，夾角為0時(shí)，開(kāi)度最小，夾角為90°時(shí)，開(kāi)度最大，百葉窗開(kāi)度的論域?yàn)閇0，90°].

4.2節(jié)能控制策略

用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定照明系統(tǒng)用電量的預(yù)警值，當(dāng)能耗檢測(cè)值達(dá)到用電量預(yù)警值并且處于節(jié)能模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)節(jié)能控制策略依次按4、3、2優(yōu)先級(jí)的照明設(shè)備進(jìn)行調(diào)低照度或關(guān)燈操作，最低優(yōu)先級(jí)的場(chǎng)景模式照明回路則不作節(jié)能處理，以保證其正常工作.節(jié)能控制策略流程如圖2所示，圖中的各級(jí)處理定義如下：

1級(jí)處理：關(guān)閉優(yōu)先級(jí)為4的景觀(guān)照明回路，對(duì)優(yōu)先級(jí)為3的公共區(qū)域照明設(shè)備內(nèi)的可調(diào)光照明回路進(jìn)行降低照度處理.

2級(jí)處理：關(guān)閉優(yōu)先級(jí)為3的公共區(qū)域內(nèi)的所有照明設(shè)備.

3級(jí)處理：關(guān)閉優(yōu)先級(jí)為2的工作照明區(qū)域的輔助型照明回路，根據(jù)能耗預(yù)測(cè)的結(jié)果采用貪婪遺傳算法求達(dá)到能耗要求所需關(guān)掉的最少回路，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果關(guān)閉優(yōu)先級(jí)為2的工作照明區(qū)域內(nèi)的部分功能型的照明回路.

4.3建立模糊規(guī)則庫(kù)

規(guī)則庫(kù)是模糊控制的核心，定義了輸入與輸出變量間的模糊關(guān)系.在燈具關(guān)閉的情況下，通過(guò)照度傳感器，確定不同作業(yè)面的照度分布，選取照度最大的作業(yè)面作為基準(zhǔn)面，在避免直射的前提下，根據(jù)基準(zhǔn)面的照度需求不斷地更新規(guī)則庫(kù)，直到能夠最大限度地滿(mǎn)足人的舒適性.

4.4i-bus的應(yīng)用

4.4.1兼容性：控制系統(tǒng)采用的是國(guó)際通用的EIB/KNX標(biāo)準(zhǔn)，可以滿(mǎn)足使用者對(duì)不同功能的需求。電氣安裝總線(xiàn)采用大跨度框架及開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，可以使使用者便捷而迅速地調(diào)整建筑物的使用功效或者再一次規(guī)劃建筑平面。極強(qiáng)的兼容性是該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于不同廠(chǎng)家的軟件和元器件，在本系統(tǒng)的通訊中可以達(dá)到兼容，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)模塊都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，具有獨(dú)自運(yùn)行能力，不受其他器件的約束。

無(wú)論任何的模塊損壞或者損毀都不會(huì)影響到其他模塊的正常運(yùn)行，這種獨(dú)立的運(yùn)行模式使得系統(tǒng)維修保養(yǎng)方便，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期升級(jí)或者定期更換元器件時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍然可以正常地運(yùn)行下去。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也是本系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)，如果想進(jìn)行回路的增加，只需要直接添加相應(yīng)模塊，對(duì)于系統(tǒng)整體無(wú)需進(jìn)行大改動(dòng)。

4.4.2安全性：系統(tǒng)只運(yùn)用一條i-bus總線(xiàn)，沒(méi)有過(guò)多的電纜線(xiàn)路，更沒(méi)有復(fù)雜的線(xiàn)路鋪設(shè)。在現(xiàn)場(chǎng)只需要總線(xiàn)進(jìn)行連接，24V的安全低電壓連接保證了系統(tǒng)的安全，控制模塊不需要復(fù)雜的布置，可以安裝在配電箱內(nèi)。

4.4.3靈活性：功能的調(diào)整和控制結(jié)構(gòu)的修改十分靈活，對(duì)小部分程序進(jìn)行修改即可完成目標(biāo)，不需要對(duì)布線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)物理信息的采集，自動(dòng)剛系統(tǒng)設(shè)置為最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，方便管理并且節(jié)約能源。所有設(shè)備均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，模數(shù)化產(chǎn)品采用35mm導(dǎo)軌安裝，現(xiàn)在設(shè)備才有86盒墻裝，各種面板的探測(cè)器可以互換，實(shí)際應(yīng)用十分靈活。

4.4.4經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)能夠大量減少維護(hù)人員，從而節(jié)約大量的維護(hù)費(fèi)用，在節(jié)約費(fèi)用的同時(shí)，提高了整體系統(tǒng)的工作效率。i-bus系統(tǒng)采用紅外線(xiàn)傳感器、定時(shí)開(kāi)關(guān)技術(shù)、亮度傳感器調(diào)光技術(shù)，這些智能化的應(yīng)用使得系統(tǒng)可以節(jié)約大量的電力能源，從而極大地節(jié)約了資源。比傳統(tǒng)照明節(jié)約25%左右電能，投資成本三年內(nèi)即可收回。

4.4.5長(zhǎng)期性：軟啟動(dòng)、軟關(guān)斷技術(shù)的使用是i-bus系統(tǒng)的又一個(gè)亮點(diǎn)，對(duì)于各個(gè)回路進(jìn)行緩慢的啟動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，這樣有效減少了沖擊電壓對(duì)器件的損害，極大地延長(zhǎng)了燈具的使用壽命。系統(tǒng)可以和消防報(bào)警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、閉路監(jiān)視系統(tǒng)一起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。同時(shí)采用ABB照明系統(tǒng)和BA系統(tǒng)的大廈，將大幅度提高大廈的智能化程度，增加該物業(yè)的亮點(diǎn)，提高大廈的出售和出租率，這些無(wú)疑都獲得了許多長(zhǎng)期的、可觀(guān)的、潛在的收益。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)照明系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)基于模糊控制器的百葉窗開(kāi)度的控制策略，實(shí)現(xiàn)了最大限度的利用自然光來(lái)滿(mǎn)足照明需求，我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，提高能源利用率必將大力推進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)建設(shè)。智能照明控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的節(jié)能設(shè)計(jì)，將從根本上進(jìn)行建筑節(jié)能。該領(lǐng)域?qū)⒊蔀榇龠M(jìn)我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重要領(lǐng)域。未來(lái)我國(guó)將成為節(jié)能設(shè)計(jì)及節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)的最大受益者。

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