照明系統控制策略的研究與實現

王鐵成

摘 要：目前的智能照明系統的控制策略主要是根據人為經驗進行設定，而不是根據燈具的實際用電情況進行合理規劃，因此智能照明系統需進一步提高其效能.利用模糊控制算法確定百葉窗的開度，最大限度的利用自然光，同時粒子群算法通過對多傳感器采集的照度信息進行尋優處理，確定照明設備的最佳亮度組合.經過測試，系統在滿足舒適性的同時，具有很好的節能效果，能夠實現舒適性和節能性的綜合最優.

關鍵詞：照明系統；控制；措施

1導言

目前全球經濟正朝著一體化靠攏。歐美發達國家本身經濟的停滯不前，短期內很難有大型的品牌照明企業出現。并且環境保護成為全球化目標后，全世界的各個國家，特別是科學技術先進的地區，對于照明節能的需求將更為強烈，照明節能對于節約能源、保護生態系統、推動社會進步具有極其重要的意義。

2照明系統結構框架

照明系統主要由傳感網、應用控制器、驅動器、燈具節點組成，系統結構如圖1所示.傳感網包括亮度傳感器和照度傳感器，亮度傳感器用來采集百葉窗外環境的亮度，作為計算百葉窗開度時其中一個輸入變量；照度傳感器收集室內作業區域的照度值，用來約束判斷是否滿足照明環境的舒適性要求.將傳感器信息傳送到應用控制器，控制器執行照明控制策略，確定每一個燈具的最優亮度值，實現照明區域內舒適性與節能性的綜合最優.

3智能照明控制的工作原理

電子感應技術和利用電磁原理的調壓技術是智能照明控制系統的主要技術支撐，實時跟蹤系統的供電情況，對電路的電流值等進行自動調節，改善電路情況，從根本上提高功率因數，從而達到照明節能降耗的目的。在目前國際公認較為成熟的智能照明系統中，ABB公司的i-bus系統較為成熟，采用國際通用的EIB/KNX標準。采用總線網絡拓撲結構，是i-bus系統的主要工作原理，這使得系統具有10Mbit的通訊數率。使用線路耦合器對支線中的信號進行過濾，過濾后的信號進入主線，進而增加干線速率。因為IP局域網接口和EIB/KNX使用，所以使得數據可以在兩者間進行傳遞。IP網關可以高效地在KNX/EIB系統中進行數據的交換。I-bus總線不能接地，其具有屏蔽能力。開關控制模塊具有帶電檢測功能，可以檢測燈光回路的運行情況，并且在故障時進行報警。主要應用領域為智能樓宇環境控制系統和智能家居控制系統，其主要控制功能為光控制、中央控制、電動窗簾控制、家居安防控制、溫度控制、AV控制系統信號監視等。

4照明系統控制策略的研究與實現

4.1模糊控制器的百葉窗開度控制策略

自然光一直是人類最習慣、感覺最舒適的光源，同時為了充分利用自然資源，實現節能，本系統在避免直射造成人員眩暈的前提下，通過調節百葉窗開度最大限度的利用自然光實現照明需求.百葉窗開度與太陽高度角、天空光模式等因素有關.其中，天空模式很難用一個精確量來描述，而模糊控制對這類問題往往可以得到較好的控制效果，因此本系統采用了模糊控制策略，其過程如下：確定輸入輸出變量，模糊化處理

本系統模糊控制器主要是根據太陽高度角以及天空光模式來確定百葉窗的開度.太陽高度角是太陽直射光線與地球水平面的夾角，計算公式：

（1）

式（1）中：H為太陽高度角；φ為當地緯度，δ為太陽直射點的緯度；t表示時角，正午時刻t=0，每小時變化15°.以西安為例，論域取[0，80°].百葉窗的開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，開度最小，夾角為90°時，開度最大，百葉窗開度的論域為[0，90°].

4.2節能控制策略

用戶可以根據實際情況設定照明系統用電量的預警值，當能耗檢測值達到用電量預警值并且處于節能模式時，系統會根據節能控制策略依次按4、3、2優先級的照明設備進行調低照度或關燈操作，最低優先級的場景模式照明回路則不作節能處理，以保證其正常工作.節能控制策略流程如圖2所示，圖中的各級處理定義如下：

1級處理：關閉優先級為4的景觀照明回路，對優先級為3的公共區域照明設備內的可調光照明回路進行降低照度處理.

2級處理：關閉優先級為3的公共區域內的所有照明設備.

3級處理：關閉優先級為2的工作照明區域的輔助型照明回路，根據能耗預測的結果采用貪婪遺傳算法求達到能耗要求所需關掉的最少回路，并根據計算結果關閉優先級為2的工作照明區域內的部分功能型的照明回路.

4.3建立模糊規則庫

規則庫是模糊控制的核心，定義了輸入與輸出變量間的模糊關系.在燈具關閉的情況下，通過照度傳感器，確定不同作業面的照度分布，選取照度最大的作業面作為基準面，在避免直射的前提下，根據基準面的照度需求不斷地更新規則庫，直到能夠最大限度地滿足人的舒適性.

4.4i-bus的應用

4.4.1兼容性：控制系統采用的是國際通用的EIB/KNX標準，可以滿足使用者對不同功能的需求。電氣安裝總線采用大跨度框架及開放式的結構，可以使使用者便捷而迅速地調整建筑物的使用功效或者再一次規劃建筑平面。極強的兼容性是該系統的優點，對于不同廠家的軟件和元器件，在本系統的通訊中可以達到兼容，能夠使系統穩定的運行。系統內部的各個模塊都是一個獨立的個體，具有獨自運行能力，不受其他器件的約束。

無論任何的模塊損壞或者損毀都不會影響到其他模塊的正常運行，這種獨立的運行模式使得系統維修保養方便，在對系統進行定期升級或者定期更換元器件時，整個系統仍然可以正常地運行下去。系統的可擴展性也是本系統的一大優點，如果想進行回路的增加，只需要直接添加相應模塊，對于系統整體無需進行大改動。

4.4.2安全性：系統只運用一條i-bus總線，沒有過多的電纜線路，更沒有復雜的線路鋪設。在現場只需要總線進行連接，24V的安全低電壓連接保證了系統的安全，控制模塊不需要復雜的布置，可以安裝在配電箱內。

4.4.3靈活性：功能的調整和控制結構的修改十分靈活，對小部分程序進行修改即可完成目標，不需要對布線進行調整。通過物理信息的采集，自動剛系統設置為最優運行狀態，方便管理并且節約能源。所有設備均為標準設備，模數化產品采用35mm導軌安裝，現在設備才有86盒墻裝，各種面板的探測器可以互換，實際應用十分靈活。

4.4.4經濟性：系統能夠大量減少維護人員，從而節約大量的維護費用，在節約費用的同時，提高了整體系統的工作效率。i-bus系統采用紅外線傳感器、定時開關技術、亮度傳感器調光技術，這些智能化的應用使得系統可以節約大量的電力能源，從而極大地節約了資源。比傳統照明節約25%左右電能，投資成本三年內即可收回。

4.4.5長期性：軟啟動、軟關斷技術的使用是i-bus系統的又一個亮點，對于各個回路進行緩慢的啟動，在一定時間內關斷，這樣有效減少了沖擊電壓對器件的損害，極大地延長了燈具的使用壽命。系統可以和消防報警系統、安全防范系統、閉路監視系統一起來構成一個完整的系統。同時采用ABB照明系統和BA系統的大廈，將大幅度提高大廈的智能化程度，增加該物業的亮點，提高大廈的出售和出租率，這些無疑都獲得了許多長期的、可觀的、潛在的收益。

結束語

綜上所述，本文對照明系統的控制策略進行改進，通過基于模糊控制器的百葉窗開度的控制策略，實現了最大限度的利用自然光來滿足照明需求，我國是一個發展中國家，提高能源利用率必將大力推進我國經濟建設和社會建設。智能照明控制系統在實際工程中的節能設計，將從根本上進行建筑節能。該領域將成為促進我國未來發展的重要領域。未來我國將成為節能設計及節能產品研發的最大受益者。

參考文獻：

[1]馬鴻雁，韓京京.會展中心照明控制與節能[J].智能建筑電氣技術，2010（04）.

[2]董珀.智能照明控制系統及其新技術的研究[J].上海：東華大學，2010：12-13.