齊芳平 石 曄 崔志威 王 輝 朱 澈

淮河能源集團(tuán)煤層氣開發(fā)利用公司

0 引言

照明占世界總能源20%左右。商業(yè)和寫字樓占總能源使用量約71%，其中18%是用于照明。在典型的辦公建筑內(nèi)，依據(jù)不同的地理位置，能耗總量已從100至1 000 kWh/m2，辦公能耗主要為空調(diào)能耗、照明能耗和插座負(fù)載等［1］。節(jié)約能源已經(jīng)成為當(dāng)今最重要的問題之一，浪費(fèi)能源的最大因素是設(shè)備的低效使用。研究表明現(xiàn)代建筑節(jié)能潛力很大，電氣照明是節(jié)能減排過程中一個(gè)很大的關(guān)鍵點(diǎn)，有著高效的節(jié)能潛力，同時(shí)改造相對(duì)簡(jiǎn)單。在辦公建筑中，已逐步使用照明節(jié)能系統(tǒng)，從而代替一些過時(shí)的照明系統(tǒng)，提高能源使用效率［2］。

智能照明系統(tǒng)通過集成傳感器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中提供反饋數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。通常使用人員檢測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)用戶的行為狀態(tài)，通過判斷用戶是否在其環(huán)境中，從而對(duì)燈具進(jìn)行有效的控制。但由于傳感器數(shù)據(jù)的輸入，特別是在控制系統(tǒng)未進(jìn)行優(yōu)化或調(diào)整的情況下，會(huì)有顯著的不確定性，會(huì)造成用戶不健康的生理反應(yīng)。

除此之外，通過日光采集和自動(dòng)調(diào)光技術(shù)也可以提高能源節(jié)約潛力。日光收集利用了建筑物光圈的自然光，以配合燈具的人工照明，以減少達(dá)到一定照度所需的亮度。當(dāng)辦公空間內(nèi)獲得足夠的日光時(shí)，光照節(jié)能控制系統(tǒng)能夠很有效地進(jìn)行控制節(jié)能。據(jù)報(bào)道，光照節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)于燈具的節(jié)能率通常在40%以上；然而，節(jié)能有效性是高度依賴于多種因素，包括：高度和方向，窗口特性，陰影裝置，表面反射，天花板高度和隔斷高度。結(jié)果表明，日光采集系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)比仿真數(shù)據(jù)在節(jié)能效果中要低很多［3-4］。

通常，提高節(jié)能性能可以通過組合多個(gè)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)。在節(jié)能系統(tǒng)中，要考慮到用戶的使用情況和對(duì)日光的使用效率。因此，很有必要驗(yàn)證節(jié)能系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的節(jié)能效果，而不是僅僅通過仿真得到不同環(huán)境下的節(jié)能數(shù)據(jù)。此外，通過優(yōu)化和校準(zhǔn)控制器，確保系統(tǒng)性能最優(yōu)［5-6］。

對(duì)于控制器的優(yōu)化是保證系統(tǒng)性能的重要步驟。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)平衡模型中通常采用模型預(yù)測(cè)控制。這種控制方法優(yōu)化了有限時(shí)間范圍，而只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)隙。在這方面的研究包括對(duì)于開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)提高模型預(yù)測(cè)控制器的穩(wěn)定性和基于FPGA 實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)控制器，提高實(shí)時(shí)計(jì)算性能［7-8］。另一種常用的優(yōu)化方法是爬山優(yōu)化算法，它是一種迭代算法，每次迭代期間遞增的更改單個(gè)元素尋找最優(yōu)解。爬山算法能相對(duì)簡(jiǎn)單地在搜索空間中找到一個(gè)局部最優(yōu)解。研究表明，隨機(jī)爬山優(yōu)化算法在照明控制中是非常有效的［9］。

為了實(shí)現(xiàn)更大的能源節(jié)約，本文采用多種節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化照明節(jié)能控制器。利用一種智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了控制器控制性能的優(yōu)化，能有效提高電力節(jié)能。

1 LED節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為建筑節(jié)能提供一個(gè)好的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種LED節(jié)能控制系統(tǒng)，并通過更大程度的控制方式能夠節(jié)約大量的電能。在節(jié)能控制系統(tǒng)中，選擇ARM系列中STM32單片機(jī)作為控制核心，使用PIR紅外傳感器測(cè)量人員是否在燈光范圍內(nèi)的紅外光輻射反饋信息和使用TEMT6000 光敏傳感器用于檢測(cè)燈光范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度，使用ATT7053BU 電表芯片監(jiān)測(cè)LED 燈的電能參數(shù)。節(jié)能控制器的框架圖見圖1。

圖1 節(jié)能控制器的框架圖

使用PIR 紅外傳感器，當(dāng)一個(gè)人經(jīng)過傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，傳感器將變化的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳輸?shù)娇刂坪诵闹?，從而判斷人員的行為。如果人員在傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，傳感器返回邏輯高信號(hào)；如果人員不在傳感器檢測(cè)范圍，可以設(shè)置一個(gè)延時(shí)τ，讓光源輸出降到0。一個(gè)合適的延時(shí)τ，能節(jié)約大量的電能。

使用TEMT6000 光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的光照強(qiáng)度，它由一個(gè)高靈敏可見光光敏（NPN型）三極管構(gòu)成，可以將捕獲的微小光線變化并放大100 倍左右，并進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。TEMT6000 對(duì)可見光照度的反應(yīng)特性與人眼的特性類似，可以模擬人對(duì)環(huán)境光線的強(qiáng)度的判斷，從而方便做出與人友好互動(dòng)的應(yīng)用［10］。如圖2 所示，TEMT6000 環(huán)境光傳感器，可以測(cè)量入射照度達(dá)1 000 lux的峰值靈敏度在570 nm，與光照靈敏度曲線相適應(yīng)的匹配人眼的反應(yīng)性。白天，人員可選擇將窗簾打開，讓陽光照亮房間。在這種情況下，人工照明可能是多余的，因?yàn)槭覂?nèi)有足夠多的環(huán)境光來照亮工作空間。我們可以利用周圍的光線來補(bǔ)充現(xiàn)有的照明，這是一種日光收集的技術(shù)。這樣可以避免燈具不需要啟動(dòng)到最大亮度，從而節(jié)約大量的電能。

圖2 TEMT6000環(huán)境光傳感器在可見光區(qū)域的相對(duì)光譜響應(yīng)

2 系統(tǒng)的控制流程與算法

通過PIR 傳感器監(jiān)測(cè)用戶行為，同時(shí)需要監(jiān)測(cè)工作環(huán)境中的光照是否滿足人體舒適，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于傳感器反饋的自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具狀態(tài)的控制系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行流程見圖3。

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

通過用戶輸入到控制系統(tǒng)的目標(biāo)亮度(SP)、增益(K)、滯后(H)、延時(shí)(τ)、采樣周期(T)和傳感器檢測(cè)參數(shù)以及輸入到控制系統(tǒng)中用戶狀態(tài)M(t)和測(cè)得的亮度PV(t)來控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。表1 為節(jié)能控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。

表1 控制系統(tǒng)參數(shù)輸入表

目標(biāo)亮度SP 是隨用戶設(shè)定的固定值，并存儲(chǔ)在單片機(jī)中?；谳斎胄盘?hào)參數(shù)控制器調(diào)整PWM信號(hào)d(t)，并將其發(fā)送給PWM 驅(qū)動(dòng)器。為了防止LED 色譜偏移和燈光閃爍，PWM 調(diào)光式選擇恒流源調(diào)光［11-13］。通過改變PWM信號(hào)的占空比d(t)，控制器可以調(diào)節(jié)LED燈串的電流，使LED燈照明達(dá)到目標(biāo)亮度?？刂破鳒y(cè)量占空比為一個(gè)8位無符號(hào)整數(shù)（0～255）。PWM 的頻率必須達(dá)到200 Hz 以上，不然會(huì)造成燈光的閃爍，引發(fā)用戶頭疼、惡心等生理反應(yīng)。

節(jié)能控制系統(tǒng)在控制過程中需要達(dá)到最小誤差H的范圍內(nèi)，其誤差計(jì)算

從式(2)中，可以看出用戶的行為M(t)對(duì)控制系統(tǒng)的狀態(tài)影響最大。對(duì)占空比的上升時(shí)間是依賴于增益(K)，系統(tǒng)的容差依靠控制系統(tǒng)遲滯誤差(H)。速度的變化是依賴于用戶定義的采樣周期（T）。該系統(tǒng)的控制算法見表2,響應(yīng)時(shí)序圖如圖4所示。該系統(tǒng)的時(shí)鐘速度為16 MHz，系統(tǒng)的響應(yīng)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿。在測(cè)試中，每個(gè)信號(hào)的邊緣可能會(huì)有一個(gè)小的上升時(shí)間和下降時(shí)間，各種傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸頻率都依賴于控制系統(tǒng)的采樣周期。

表2 節(jié)能控制算法偽代碼

圖4 傳感器監(jiān)測(cè)與燈光輸出時(shí)序圖

3 控制器參數(shù)優(yōu)化

在控制系統(tǒng)中，能夠通過調(diào)整某些輸入?yún)?shù)來優(yōu)化控制器，如增益(K)、誤差范圍(H)和采樣周期(T)［14］。改變這些參數(shù)中的任何一個(gè)都會(huì)影響控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，通過研究控制系統(tǒng)的響應(yīng)如何影響控制器，分別對(duì)三個(gè)輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試。首先設(shè)定一個(gè)初始情況，其中K=1，H=SP/20，T=200 ms，SP=1 200 LX，燈源距工作桌面0.8 m。單獨(dú)測(cè)試K、H和T的變化，并測(cè)量燈源輸出功率，直到控制器響應(yīng)穩(wěn)定。

首先，僅改變采樣周期T，如圖5 所示，隨著采樣周期T 的提高，控制器系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間逐漸提高。當(dāng)T=200 ms 時(shí)，控制器需要30 ms 到達(dá)穩(wěn)態(tài)；當(dāng)T=800 ms 時(shí)，控制器則需要2 min 到達(dá)穩(wěn)態(tài)。但較高的采樣周期會(huì)導(dǎo)致燈具不斷閃爍，使用戶影響生理反應(yīng)，而較低采樣周期會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)帶來更大的負(fù)荷。

圖5 采樣時(shí)間T對(duì)系統(tǒng)的影響

其次，僅改變?cè)鲆鍷，如圖6 所示，隨著增益K的不斷增大，控制器的響應(yīng)時(shí)間增加，控制器系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間則逐漸減小。當(dāng)K=1時(shí)，控制器則需要30 s到達(dá)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)K=10時(shí)，控制器則需要2 s到達(dá)穩(wěn)態(tài)，但當(dāng)誤差H 很小的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生超調(diào)量。當(dāng)系統(tǒng)有超調(diào)量時(shí)，可以降低占空比來校正。但這樣不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致燈光產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象。

圖6 增益K對(duì)系統(tǒng)的影響

最后，僅改變誤差范圍H，如圖7 所示，隨著誤差范圍H的增大，控制器到達(dá)目標(biāo)亮度的偏差隨之增大。當(dāng)H=SP/20時(shí)，控制器到達(dá)目標(biāo)光照與實(shí)際值基本一致；當(dāng)H=SP/5時(shí)，控制器控制的光照與實(shí)際值偏差很大。誤差H對(duì)系統(tǒng)的影響見圖7。

4 節(jié)能分析與結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)控制器采用K = 2，H = SP/ 20，T = 200 ms 能達(dá)到最優(yōu)化控制。在實(shí)驗(yàn)中，選擇靠近窗戶的工作臺(tái)，將TEMT6000光敏傳感器放在工作臺(tái)上用于檢測(cè)工作環(huán)境光照。對(duì)于工作臺(tái)上的光照為SP=600 Lx 時(shí)，用戶感覺到最舒適［15］。人員使用兩臺(tái)30 W 的LED 燈，燈1 不作任何改變，燈2 安裝節(jié)能控制系統(tǒng)。檢測(cè)時(shí)間為下午14:00-20:00，通過6 個(gè)小時(shí)測(cè)試時(shí)間，對(duì)燈1 與燈2 的功率作比較。

節(jié)約電能的計(jì)算式見式(3)：

其中：P0——燈1的功率；

Pc——燈2的功率。

燈具的節(jié)能率計(jì)算公式見式(4)：

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，隨著時(shí)間推移，工作臺(tái)上的日照光線逐漸變暗，燈具的用電功率在提升。用戶短時(shí)間離開過工作區(qū)間數(shù)次，燈2 的功率降低，而燈1 的功率則未變。在晚上19:00 左右日落之后，燈2 的功率達(dá)到最大值并幾乎保持不變。在測(cè)試期間，燈2 與燈1 的用電量分別為108 Wh 和236 Wh，節(jié)約了128 Wh，節(jié)約了45%左右的電能。

圖8 燈1和與燈2的功率圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種LED 節(jié)能控制系統(tǒng)利用各種傳感器提供反饋信息，并通過智能算法對(duì)LED燈進(jìn)行智能調(diào)控。在控制算法中，對(duì)不同的輸入?yún)?shù)進(jìn)行分析比較，選擇最優(yōu)的輸入?yún)?shù)能夠更加高效地調(diào)控LED 燈。該控制系統(tǒng)通過算法智能調(diào)節(jié)工作區(qū)的最優(yōu)光照環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了45%左右的能源節(jié)約，為建筑節(jié)能技術(shù)提供了一個(gè)更好的基礎(chǔ)。