摘 要：【目的】為提高市政照明系統(tǒng)智能化程度，滿足實(shí)際的環(huán)境需求，設(shè)計(jì)一款基于PID算法的市政照明集中控制系統(tǒng)?！痉椒ā窟x用PLC-XX800型號(hào)的集中控制器、WS-2000型號(hào)的光照傳感器作為系統(tǒng)主要硬件。在關(guān)鍵路段安裝光照傳感器，用于采集市政光照數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的光照數(shù)據(jù)，通過PID算法自動(dòng)調(diào)節(jié)照明設(shè)備亮度，以保持恒定的光照水平。引入自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)市政照明的集中控制?！窘Y(jié)果】基于PID算法的市政照明集中控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)照明過程中亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，滿足不同時(shí)段的環(huán)境照明需求。【結(jié)論】該系統(tǒng)不僅能提高城市照明的效率和質(zhì)量，還能降低能耗和維護(hù)成本，提升城市形象，改善居民生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：PID算法；市政照明；集中控制系統(tǒng)；集中控制器；光照傳感器

中圖分類號(hào)：TP393" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2025）03-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.002

Design of Centralized Control System for Municipal Lighting Based on PID Algorithm

LI Qing

（Liaoning Urban Construction Design Institute Co.， Ltd.， Fushun 113000， China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the intelligence of municipal lighting system and make it meet the actual environmental requirements， PID algorithm is introduced to design the centralized control system of municipal lighting. [Methods] This paper selects PLC-XX800 centralized controller and WS-2000 illumination sensor as the main hardware of the system. In the process of software design， lighting sensors are installed at key sections to collect municipal lighting data. According to the real-time lighting data， PID algorithm is introduced to automatically adjust the brightness of lighting equipment to maintain a constant lighting level. The adaptive adjustment mechanism is introduced to dynamically adjust the coefficient according to the change of ambient light intensity， so as to realize centralized control of municipal lighting. [Findings] The designed centralized control system of municipal lighting based on PID algorithm can realize the adaptive adjustment of illumination in the lighting process and meet the environmental lighting demand in different periods. [Conclusions] The system can not only improve the efficiency and quality of urban lighting， but also reduce energy consumption and maintenance costs， enhance the image of the city and improve the quality of life of residents.

Keywords： PID algorithm; municipal lighting; centralized control system; centralized controller; illumination sensor

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，市政照明系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其能耗和管理效率受到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)有的市政照明系統(tǒng)大多依賴人工控制或簡單的定時(shí)控制，缺乏根據(jù)環(huán)境光照變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的能力，不僅浪費(fèi)大量能源，還可能引發(fā)光污染、照明不足或過度照明等問題，影響城市形象和居民生活質(zhì)量。

王路等［1］利用DALI協(xié)議對(duì)照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制和管理，通過精確調(diào)光、分組控制等功能，提高照明系統(tǒng)的靈活性和節(jié)能性。通過DALI系統(tǒng)對(duì)指揮調(diào)度大廳內(nèi)的照明燈具進(jìn)行高效管理，實(shí)現(xiàn)燈具的獨(dú)立尋址、編程和分組控制，但DALI系統(tǒng)的安裝和調(diào)試過程相對(duì)復(fù)雜，需要由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，不易推廣。王強(qiáng)［2］通過AI技術(shù)對(duì)現(xiàn)代建筑照明系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，對(duì)照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和高效管理。該系統(tǒng)利用AI算法對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，創(chuàng)造出更加舒適、節(jié)能的照明環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還具有自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化功能，能根據(jù)用戶的使用習(xí)慣和需求不斷調(diào)整和優(yōu)化照明策略，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。但AI系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本較高，對(duì)硬件和軟件資源的要求也相對(duì)較高。并且AI技術(shù)的復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性仍要進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。為提高照明控制的智能化水平，本研究引入PID算法，對(duì)市政照明集中控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 市政照明集中控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 集中控制器選型

在市政照明集中控制系統(tǒng)中，集中控制器是整個(gè)系統(tǒng)核心部分，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行PID控制算法，并向各個(gè)路燈發(fā)送控制指令［3］。因此，選擇高性能工業(yè)級(jí)控制器作為該系統(tǒng)的集中控制器，技術(shù)參數(shù)見表1。

集中控制器應(yīng)選擇干燥、通風(fēng)、易于維護(hù)的位置進(jìn)行安裝，避免陽光直射和雨淋。使用膨脹螺絲或其他合適的固定件，將集中控制器固定在選定位置，安裝完成后，對(duì)集中控制器進(jìn)行調(diào)試，確保其能正常工作。

1.2 光照傳感器選型

光照傳感器需要具備高精度和長期穩(wěn)定性，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，市政照明環(huán)境復(fù)雜多變，傳感器還應(yīng)具備良好的防水、防塵、耐候性等特性。因此，對(duì)光照傳感器進(jìn)行選型時(shí)可參照表2。

傳感器應(yīng)安裝在能充分反映照明區(qū)域光照強(qiáng)度的位置，避免被遮擋或受其他光源干擾，通過支架或固定夾將傳感器牢固地安裝在路燈桿、建筑物外墻等合適的位置。

2 市政照明集中控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 市政光照數(shù)據(jù)采集

根據(jù)城市規(guī)劃和照明需求，在關(guān)鍵路段、公共場所、居民區(qū)等區(qū)域設(shè)置采集點(diǎn)。在采集點(diǎn)安裝光照傳感器、氣象傳感器等設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測光照強(qiáng)度、照度、天氣條件等參數(shù)［4］。配置采集設(shè)備的采樣頻率、數(shù)據(jù)記錄格式等參數(shù)，采集市政光照數(shù)據(jù)樣本。根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，計(jì)算測點(diǎn)光照強(qiáng)度見式（1）。

[Z=?A] （1）

式中：[Z]為光照強(qiáng)度；[?]為平均光通量；[A]為受光面積。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)光照強(qiáng)度繪制照度分布圖，在考慮光源位置、方向、強(qiáng)度及周圍環(huán)境反射等因素的基礎(chǔ)上，計(jì)算燈具照明效率見式（2）。

[η=Z?1?2] （2）

式中：[η]為燈具照明效率；[?1]為燈具發(fā)出的有效光通量；[?2]為燈具輸入的光通量。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集光照強(qiáng)度和燈具等參數(shù)，從而全面、準(zhǔn)確分析市政照明情況。

2.2 基于PID算法的恒光集中調(diào)節(jié)

在完成上述設(shè)計(jì)后，引進(jìn)PID算法，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的光照數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)照明設(shè)備亮度，以保持恒定的光照水平［5］。在此過程中，根據(jù)目標(biāo)光照強(qiáng)度（設(shè)定值）和實(shí)際光照強(qiáng)度（測量值）之間的偏差來計(jì)算控制信號(hào)。光照強(qiáng)度偏差的計(jì)算見式（3）。

[e（t）=I1-I2（t）η] （3）

式中：[e（t）]為光照強(qiáng)度偏差（控制信號(hào)偏差）；[I1]為目標(biāo)光照強(qiáng)度；[I2]為實(shí)際測量的光照強(qiáng)度。

在此基礎(chǔ)上，PID控制器通過調(diào)整比例（[p]）、積分（[i]）和微分（[d]）的系數(shù)，對(duì)照明設(shè)備亮度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。參數(shù)調(diào)整過程見式（4）。

[U（t）=Kp?e（t）+Ki?0te（t）dt+Kd?de（t）dt] （4）

式中：[U（t）]為參數(shù)調(diào)整函數(shù)；[Kp]、[Ki]、[Kd]分別為調(diào)節(jié)的[p]、[i]、[d]參數(shù)量。

根據(jù)調(diào)節(jié)后的參數(shù)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行恒光集中調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程見式（5）。

[L=L1+ΔL=L1+U（t）?ΔLmaxUmax（t）] （5）

式中：[L]為恒光集中調(diào)節(jié)；[L1]為調(diào)節(jié)前亮度值；[ΔL]為亮度調(diào)節(jié)量；[ΔLmax]為[ΔL]的最大值；[Umax（t）]為[U（t）]輸出的最大值。

在實(shí)際調(diào)節(jié)中，考慮到照明設(shè)備的物理特性和響應(yīng)時(shí)間，需要引入一定的延遲或?yàn)V波機(jī)制，以免頻繁的亮度調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)備造成損害或影響照明效果。

2.3 照明亮度自適應(yīng)控制

在標(biāo)準(zhǔn)的PID控制算法基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)。結(jié)合用戶設(shè)定的光照需求、當(dāng)前時(shí)間、環(huán)境光照強(qiáng)度，計(jì)算自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié)值見式（6）。

[L'=fL+α?H] （6）

式中：[L']為自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié)值； [f]為光照需求；[α]為基礎(chǔ)亮度值；[H]為光照需求的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合自適應(yīng)系數(shù)，將最佳的照明效果和節(jié)能效果作為控制目標(biāo)，按照式（7）進(jìn)行照明亮度的自適應(yīng)控制。

[M=1L'2+χ+12] （7）

式中：[M]為自適應(yīng)調(diào)節(jié)；[χ]為調(diào)節(jié)系數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控照明亮度，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮度的自適應(yīng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)選取位于中部省份的歷史文化名城作為市政照明工程研究試點(diǎn)。近年來，隨著城市化進(jìn)程加快，該城市的市政照明工程得到顯著發(fā)展。

截至最近統(tǒng)計(jì)，該城市中心城區(qū)已有上百條道路，路燈共計(jì)數(shù)千桿，配備有數(shù)十臺(tái)控制箱和箱變。同時(shí)，該城市曾開展大規(guī)模的LED節(jié)能改造項(xiàng)目，對(duì)多條道路、數(shù)千盞燈頭進(jìn)行更換，應(yīng)用占比極高。這些路燈在滿足城市交通安全和居民夜間出行需求的同時(shí)，還通過智能化和節(jié)能化改造，大幅提高城市照明質(zhì)量和能效水平。本次實(shí)驗(yàn)采集市政照明的相關(guān)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，具體見表3。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過程中，確保所有市政照明設(shè)備（如路燈、傳感器、控制器等）均安裝正確，并連接至集中控制系統(tǒng)。同時(shí)，檢查電源、通信線路等基礎(chǔ)設(shè)施是否完好。安裝并配置PID算法控制軟件，確保軟件與硬件設(shè)備兼容。此外，還要準(zhǔn)備測試用的計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置見表4。

本次實(shí)驗(yàn)引入王路等［1］提出的基于DALI調(diào)光的照明控制方法、王強(qiáng)等［2］提出的基于AI的照明控制方法，將二者作為對(duì)照組，與本研究提出的方法進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置不同時(shí)段下照度值，在測試環(huán)境條件下，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，檢驗(yàn)3種方法對(duì)市政照明的集中控制效果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇某時(shí)段對(duì)市政照明集中控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)設(shè)定12：00—17：00照度為8 000～10 000 lx，17：00后路面變暗。因此，17：00—23：00照度調(diào)整為10 000～14 000 lx，23：00后路面行車與行人減少，為節(jié)約電量，照度調(diào)整為6 000～8 000 lx。以此為依據(jù)，對(duì)上述三種方法的市政照明控制效果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1至圖3所示。

由圖1可知，應(yīng)用本研究提出的方法后，12：00—17：00的照度為8 000～10 000 lx、17：00—23：00的照度為10 000～14 000 lx、23：00后的照度為6 000～8 000 lx。

由圖2可知，基于DALI調(diào)光的照明控制方法［1］雖能將對(duì)應(yīng)時(shí)段的照度控制在大致預(yù)期范圍內(nèi)，但照度變化范圍較大，部分時(shí)段存在照明“忽亮忽暗”的問題。

由圖3可知，基于AI的照明控制方法［2］對(duì)照度調(diào)節(jié)的幅度較小，大部分時(shí)段未能達(dá)到設(shè)計(jì)的照度范圍，控制效果不佳。

綜上所述，此次設(shè)計(jì)的照明集中控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)照明過程中照度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以此調(diào)整道路照明亮度，保障不同時(shí)段的環(huán)境照明需求。

4 結(jié)語

將PID算法應(yīng)用于市政照明集中控制系統(tǒng)中，可根據(jù)多種因素自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、舒適的目標(biāo)。通過集中管理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理路燈故障，減少因照明不足引發(fā)的交通事故和安全隱患，提高城市形象?，F(xiàn)已有基于PID算法的研究和應(yīng)用案例，如智能溫室控制系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等，但針對(duì)市政照明系統(tǒng)的集中控制，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、安全性等因素以及如何與現(xiàn)有城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無縫對(duì)接等問題。因此，本研究通過市政光照數(shù)據(jù)采集、恒光集中調(diào)節(jié)、照明亮度自適應(yīng)控制，完成此次設(shè)計(jì)，通過智能控制算法和先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)市政照明系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和高效管理，為城市照明系統(tǒng)的智能化改造提供新的思路和技術(shù)支持。

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