趙鐵軍

[摘? ? 要]為進(jìn)一步降低城市街道路燈的能耗，提出以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）和模糊控制算法為基礎(chǔ)的智能路燈控制技術(shù)。以某城市街道路燈系統(tǒng)為例收集信息，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境感知信息的收集與路燈亮度和開(kāi)關(guān)時(shí)間的控制，在經(jīng)過(guò)PLC的編譯處理實(shí)現(xiàn)算法的進(jìn)一步優(yōu)化。該路燈智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)街道雜音的高效過(guò)濾，以車(chē)輛噪聲為觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的光亮調(diào)控，以控制路燈光照時(shí)間和光照亮度的方式達(dá)到路燈系統(tǒng)節(jié)能的目的。

[關(guān)鍵詞]PLC;模糊控制算法;路燈;智能控制技術(shù)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–02

Research on Intelligent Control Technology of Street

Lamps Based on PLC and Fuzzy Control Algorithm

Zhao Tie-jun

[Abstract]In order to further reduce the energy consumption of street lamps in urban streets， a smart street lamp control technology based on Programmable Logic Controller （PLC） and fuzzy control algorithms is proposed. Take a street lamp system in a city as an example to collect information， use fuzzy control algorithm to realize the collection of environmental perception information and the control of street lamp brightness and switching time， and further optimize the algorithm after the compilation of PLC. The street lamp intelligent control technology can achieve high-efficiency filtering of street noise， use vehicle noise as a triggering condition to realize street lamp brightness control， and achieve the goal of energy-saving street lamp system by controlling street lighting time and brightness.

[Keywords]PLC; fuzzy control algorithm; street lamp; intelligent control technology

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷增速，出現(xiàn)一種以夜間光亮程度為判斷標(biāo)準(zhǔn)的劃定城市發(fā)達(dá)水平的輿論，道路照明系統(tǒng)長(zhǎng)期長(zhǎng)時(shí)間的照明消耗大量的電力能源，不符合我國(guó)綠色發(fā)展的路線(xiàn)方針?，F(xiàn)階段我國(guó)很多城市對(duì)路燈系統(tǒng)的管理比較粗放，部分路線(xiàn)仍采用定時(shí)照明定時(shí)關(guān)閉的設(shè)計(jì)，不但會(huì)消耗大量電力能源，而且不能以實(shí)際天氣情況為判斷標(biāo)準(zhǔn)而控制路燈。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能化控制具有重要意義。

目前，我國(guó)已有部分城市實(shí)現(xiàn)路燈的智能化控制，但是內(nèi)部的核心控制系統(tǒng)仍需要借助光敏電阻或光敏傳感器的數(shù)據(jù)收集實(shí)現(xiàn)路燈的控制。因控制系統(tǒng)判斷標(biāo)準(zhǔn)為光敏傳感器收集到的環(huán)境光強(qiáng)數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)各種照明時(shí)間上的問(wèn)題，也是很多城市仍使用“全夜燈恒照度”的原因。本文以PLC和模糊控制算法為基礎(chǔ)，對(duì)路燈智能控制技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，通過(guò)多元素判斷的方式為智能路燈控制系統(tǒng)提供光照判斷數(shù)據(jù)，降低智能路燈控制系統(tǒng)判定混亂的概率，通過(guò)模糊邏輯推理的方式不斷優(yōu)化算法語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)過(guò)濾，提高系統(tǒng)判斷的精準(zhǔn)度與及時(shí)性，解決城市夜間照明能耗與光照時(shí)間差異問(wèn)題。

1 路燈智能控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該路燈控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由上位機(jī)、光敏傳感器、微波傳感器、聲音傳感器、路燈控制器、照度感應(yīng)器、繼電器以及控制電路等結(jié)構(gòu)組成。在該系統(tǒng)中上位機(jī)（PLC）從控制電路中接收到道路照明指令之后，會(huì)在內(nèi)部進(jìn)行信息判斷與數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化，然后會(huì)將得出的數(shù)據(jù)結(jié)果以命令的方式下發(fā)到控制電路中。此時(shí)，路燈控制器會(huì)收集環(huán)境光照、車(chē)流量、聲音以及道路照度等信息，當(dāng)部分路段符合給予照明的相關(guān)條件后便可通過(guò)控制繼電器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)該路段部分路燈的控制[1]。本智能控制系統(tǒng)的光照模塊以光敏電阻和電壓比較器組成;聲波模塊以微波HB100和BR-ZS1噪聲監(jiān)測(cè)儀組成。

2 模糊控制算法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制算法的設(shè)計(jì)路線(xiàn)

本系統(tǒng)將使用模糊控制算法為核心架構(gòu)進(jìn)行搭建。以某城市的日照條件為例，設(shè)計(jì)路線(xiàn)：以城市日落前60 min至次日日出后30 min的最大值為基礎(chǔ)，設(shè)定各傳感器的工作起始時(shí)間，在工作時(shí)間內(nèi)各傳感器會(huì)對(duì)街道車(chē)輛與行人發(fā)出的噪聲信息和環(huán)境光照信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以60 s為周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新。更新數(shù)據(jù)會(huì)上傳至模糊控制器模塊下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，是否符合路燈開(kāi)啟條件都會(huì)轉(zhuǎn)化信息至路燈控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈系統(tǒng)的控制。為智能控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足路燈的非線(xiàn)性控制系統(tǒng)要求，將在模糊算法中帶入修正因子，如圖1所示。

以模糊控制中的噪聲變量數(shù)據(jù)為例，噪聲數(shù)據(jù)可分為輸入偏差“D”、偏差變化率“DC”和輸出控制量“OC”。其中D分為5個(gè)等級(jí)分別為高偏差、較高偏差、偏差、較小偏差和無(wú)偏差;DC同樣分為5個(gè)等級(jí)分別為高、較高、中、較低和低;由此可代表街道下所有等級(jí)的噪聲信息。同時(shí)，為方便表述語(yǔ)言變量將用數(shù)值代替，由高到低分別為-2、-1、0、1、2。在變量數(shù)據(jù)中加入修正因子之后輸入與輸出間的關(guān)系即變成公式：

OC=[αD+（1-α）DC] （1）

式中：α為修正因子，且0≤α≤1。加入的α取值能夠直接改變控制規(guī)則的特性。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的綜合分析得出：當(dāng)α實(shí)際值取0.3和0.6時(shí)較為適宜。當(dāng)α取值分別為0.3和0.6時(shí)產(chǎn)生的噪聲變量規(guī)則，見(jiàn)表1與表2。

在模糊控制中，控制增量值便可依據(jù)D和DC的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)控制表，再與修正因子相乘的方式得到對(duì)應(yīng)的控制增量。

2.2 模糊PLC控制系統(tǒng)

2.2.1 PLC

PLC是一種具有獨(dú)立處理的自動(dòng)化設(shè)備[2]。PLC具有較高的邏輯控制能力、數(shù)字信號(hào)模擬控制能力以及多機(jī)通信能力等眾多功能，廣泛應(yīng)用在電力體系當(dāng)中[3]。在路燈的智能控制系統(tǒng)中，時(shí)變參數(shù)問(wèn)題可通過(guò)簡(jiǎn)化或?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成基本線(xiàn)性問(wèn)題，通過(guò)PLC下的PID指令進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的比例調(diào)節(jié)。在PID指令中比例調(diào)節(jié)是指降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間提高調(diào)節(jié)效率;積分調(diào)節(jié)是指通過(guò)積分調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度消除穩(wěn)態(tài)誤差;微分調(diào)節(jié)是指通過(guò)微分調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，即當(dāng)命令語(yǔ)句中數(shù)據(jù)即將出現(xiàn)誤差前，微分調(diào)節(jié)會(huì)及時(shí)引入一個(gè)修正信號(hào)規(guī)避或減小即將出現(xiàn)的誤差問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)存在較多的時(shí)變參數(shù)，無(wú)法通過(guò)PID指令進(jìn)行完全的調(diào)節(jié)，為保障PLC對(duì)數(shù)據(jù)控制的精準(zhǔn)度，本文將模糊控制算法與其相結(jié)合，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠自主更新道路環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化成能夠編譯識(shí)別的區(qū)間當(dāng)中。

2.2.2 模糊PLC控制器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的路燈智能控制系統(tǒng)中，以二維模糊控制器為設(shè)計(jì)模糊PLC的基礎(chǔ)，如圖2所示。假設(shè)路燈下環(huán)境的照度給定值為a;照度傳感器模塊實(shí)際檢測(cè)值為b;模糊PLC控制器下偏差值與輸入變化量為c;偏差的變化為c1。以PLC控制器的3個(gè)修正參數(shù)作為模糊控制器的輸出變化量并用Q1、Q2、Q3表示。將PLC下的照度偏差數(shù)據(jù)輸入模糊PID指令中，通過(guò)該方式實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差數(shù)據(jù)比例、積分、微分等參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，經(jīng)過(guò)模糊化處理、近似模糊推理以及反模糊化處理后，將Qh、Qj、Qk輸入PLC中，實(shí)現(xiàn)對(duì)街道路燈的光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)。

上述模糊化處理、近似模糊推理以及反模糊化處理的處理同樣適用于其它傳感器模塊收集的變量數(shù)據(jù)處理。從模糊控制規(guī)則角度出發(fā)，通過(guò)模糊PID指令的方式與模糊控制規(guī)則得到模糊PLC控制的各項(xiàng)參數(shù)。從反模糊化的角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)模糊算法處理后的參數(shù)數(shù)據(jù)屬于模糊集合，而反模糊化操作的根本目的在于將模糊集合下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成清晰數(shù)值。常用的反模糊化算法有最大隸屬度法、面積平分法以及面積中心法等。因面積中心法能夠以中心橫坐標(biāo)值為模糊推理輸出值，且面積中心法可以直觀合理地應(yīng)用在本文智能控制系統(tǒng)中，實(shí)際輸出推理的效率較高，所以本文將采用面積中心法對(duì)上述模糊化數(shù)據(jù)進(jìn)行反模糊化處理[4]。

3 模糊PLC系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

將本文設(shè)計(jì)的智能路燈控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)在MATLAB中進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。以某城市的實(shí)際街道為例，路燈系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，為保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)能夠真實(shí)可控，將利用實(shí)驗(yàn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式的方式得出PID指令的參數(shù)，即比例=52、積分=15、微分=43。當(dāng)上述參數(shù)上傳至傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)后，傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真曲線(xiàn)將在4 ～5 s出現(xiàn)峰值，并在之后的7 ～8 s逐漸平穩(wěn)。若街道照度誤差與誤差變化率的論域?yàn)閇-66]、[-33]、Q1、Q2、Q3的論域分別為[-0.30.3]、[-0.060.06]、[-33]，那么將上述參數(shù)上傳至MATLAB中得到的模糊PLC系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真曲線(xiàn)將在4.7 ～5.1 s出現(xiàn)峰值，但峰值超過(guò)基線(xiàn)的幅度較小并在峰值后迅速回落趨于平穩(wěn)。

經(jīng)上述分析數(shù)據(jù)能夠得出，本文設(shè)計(jì)的智能路燈控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)相比具有較高的優(yōu)越性，能夠科學(xué)合理縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)間，提高智能系統(tǒng)對(duì)外界信息的響應(yīng)速度。除此之外，若設(shè)置路段路燈電壓為220 V時(shí)，則路燈耗電量能夠達(dá)到0.63kW·h;若使用36 V的安全電壓，則測(cè)試路燈的耗電量能夠達(dá)到

0.22kW·h。證明本文設(shè)計(jì)的路燈智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電能的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段多數(shù)城市街道照明系統(tǒng)的缺陷為基礎(chǔ)，提出以PLC和模糊控制算法為核心的智能路燈控制系統(tǒng)。通過(guò)模糊PLC系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)街道環(huán)境信息的精準(zhǔn)采集，在該系統(tǒng)下各傳感器模塊會(huì)以當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章錇闃?biāo)準(zhǔn)，前后分別延長(zhǎng)30 min和60 min喚醒傳感器，以保證部分地理位置低洼階段能夠更早對(duì)路燈進(jìn)行供電，通過(guò)噪聲模塊可以實(shí)現(xiàn)夜間街道路燈的光強(qiáng)控制，若檢測(cè)到有汽車(chē)或行人經(jīng)過(guò)便會(huì)提高路燈亮度，反之降低路燈亮度。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王靜，孫飛龍，王亓劍.基于PLC的校園智能照明系統(tǒng)的控制與實(shí)現(xiàn)[J].太原學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，38（01）：77-82.