基于PLC及模糊控制算法的路燈智能控制技術研究

趙鐵軍

[摘? ? 要]為進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的智能路燈控制技術。以某城市街道路燈系統為例收集信息，利用模糊控制算法實現對環境感知信息的收集與路燈亮度和開關時間的控制，在經過PLC的編譯處理實現算法的進一步優化。該路燈智能控制技術能夠實現對街道雜音的高效過濾，以車輛噪聲為觸發條件實現對路燈的光亮調控，以控制路燈光照時間和光照亮度的方式達到路燈系統節能的目的。

[關鍵詞]PLC;模糊控制算法;路燈;智能控制技術

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]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

隨著我國城鎮化發展的不斷增速，出現一種以夜間光亮程度為判斷標準的劃定城市發達水平的輿論，道路照明系統長期長時間的照明消耗大量的電力能源，不符合我國綠色發展的路線方針。現階段我國很多城市對路燈系統的管理比較粗放，部分路線仍采用定時照明定時關閉的設計，不但會消耗大量電力能源，而且不能以實際天氣情況為判斷標準而控制路燈。因此，設計一個智能路燈控制系統實現對路燈的智能化控制具有重要意義。

目前，我國已有部分城市實現路燈的智能化控制，但是內部的核心控制系統仍需要借助光敏電阻或光敏傳感器的數據收集實現路燈的控制。因控制系統判斷標準為光敏傳感器收集到的環境光強數據，所以該系統會出現各種照明時間上的問題，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，對路燈智能控制技術進行研究與設計，通過多元素判斷的方式為智能路燈控制系統提供光照判斷數據，降低智能路燈控制系統判定混亂的概率，通過模糊邏輯推理的方式不斷優化算法語句，實現對干擾數據的精準過濾，提高系統判斷的精準度與及時性，解決城市夜間照明能耗與光照時間差異問題。

1 路燈智能控制系統組成結構

該路燈控制系統整體結構由上位機、光敏傳感器、微波傳感器、聲音傳感器、路燈控制器、照度感應器、繼電器以及控制電路等結構組成。在該系統中上位機（PLC）從控制電路中接收到道路照明指令之后，會在內部進行信息判斷與數據計算優化，然后會將得出的數據結果以命令的方式下發到控制電路中。此時，路燈控制器會收集環境光照、車流量、聲音以及道路照度等信息，當部分路段符合給予照明的相關條件后便可通過控制繼電器的方式實現對該路段部分路燈的控制[1]。本智能控制系統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噪聲監測儀組成。

2 模糊控制算法與系統設計

2.1 模糊控制算法的設計路線

本系統將使用模糊控制算法為核心架構進行搭建。以某城市的日照條件為例，設計路線：以城市日落前60 min至次日日出后30 min的最大值為基礎，設定各傳感器的工作起始時間，在工作時間內各傳感器會對街道車輛與行人發出的噪聲信息和環境光照信息進行監測，以60 s為周期進行一次數據更新。更新數據會上傳至模糊控制器模塊下進行數據分析與處理，是否符合路燈開啟條件都會轉化信息至路燈控制器，實現對路燈系統的控制。為智能控制系統能夠滿足路燈的非線性控制系統要求，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據為例，噪聲數據可分為輸入偏差“D”、偏差變化率“DC”和輸出控制量“OC”。其中D分為5個等級分別為高偏差、較高偏差、偏差、較小偏差和無偏差;DC同樣分為5個等級分別為高、較高、中、較低和低;由此可代表街道下所有等級的噪聲信息。同時，為方便表述語言變量將用數值代替，由高到低分別為-2、-1、0、1、2。在變量數據中加入修正因子之后輸入與輸出間的關系即變成公式：

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則的特性。經大量實驗數據計算和現場環境因素的綜合分析得出：當α實際值取0.3和0.6時較為適宜。當α取值分別為0.3和0.6時產生的噪聲變量規則，見表1與表2。

在模糊控制中，控制增量值便可依據D和DC的數據進行查詢控制表，再與修正因子相乘的方式得到對應的控制增量。

2.2 模糊PLC控制系統

2.2.1 PLC

PLC是一種具有獨立處理的自動化設備[2]。PLC具有較高的邏輯控制能力、數字信號模擬控制能力以及多機通信能力等眾多功能，廣泛應用在電力體系當中[3]。在路燈的智能控制系統中，時變參數問題可通過簡化或將其轉變成基本線性問題，通過PLC下的PID指令進行控制，從而實現對各項參數的比例調節。在PID指令中比例調節是指降低系統調節時間提高調節效率;積分調節是指通過積分調節提高系統的控制準確度消除穩態誤差;微分調節是指通過微分調節的方式實現超前調節，即當命令語句中數據即將出現誤差前，微分調節會及時引入一個修正信號規避或減小即將出現的誤差問題。本文設計的智能控制系統存在較多的時變參數，無法通過PID指令進行完全的調節，為保障PLC對數據控制的精準度，本文將模糊控制算法與其相結合，使設計系統能夠自主更新道路環境信息，并將其轉化成能夠編譯識別的區間當中。

2.2.2 模糊PLC控制器設計

本文設計的路燈智能控制系統中，以二維模糊控制器為設計模糊PLC的基礎，如圖2所示。假設路燈下環境的照度給定值為a;照度傳感器模塊實際檢測值為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個修正參數作為模糊控制器的輸出變化量并用Q1、Q2、Q3表示。將PLC下的照度偏差數據輸入模糊PID指令中，通過該方式實現對偏差數據比例、積分、微分等參數的自適應調整，經過模糊化處理、近似模糊推理以及反模糊化處理后，將Qh、Qj、Qk輸入PLC中，實現對街道路燈的光照強度調節。

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據處理。從模糊控制規則角度出發，通過模糊PID指令的方式與模糊控制規則得到模糊PLC控制的各項參數。從反模糊化的角度出發，經過模糊算法處理后的參數數據屬于模糊集合，而反模糊化操作的根本目的在于將模糊集合下的數據轉變成清晰數值。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值為模糊推理輸出值，且面積中心法可以直觀合理地應用在本文智能控制系統中，實際輸出推理的效率較高，所以本文將采用面積中心法對上述模糊化數據進行反模糊化處理[4]。

3 模糊PLC系統仿真驗證

將本文設計的智能路燈控制系統與傳統的路燈控制系統在MATLAB中進行比對實驗。以某城市的實際街道為例，路燈系統的傳遞函數為，為保障實驗結果數據能夠真實可控，將利用實驗結合經驗公式的方式得出PID指令的參數，即比例=52、積分=15、微分=43。當上述參數上傳至傳統路燈控制系統后，傳統路燈控制系統的階躍響應仿真曲線將在4 ～5 s出現峰值，并在之后的7 ～8 s逐漸平穩。若街道照度誤差與誤差變化率的論域為[-66]、[-33]、Q1、Q2、Q3的論域分別為[-0.30.3]、[-0.060.06]、[-33]，那么將上述參數上傳至MATLAB中得到的模糊PLC系統階躍響應仿真曲線將在4.7 ～5.1 s出現峰值，但峰值超過基線的幅度較小并在峰值后迅速回落趨于平穩。

經上述分析數據能夠得出，本文設計的智能路燈控制系統與傳統路燈控制系統相比具有較高的優越性，能夠科學合理縮短系統調節的時間，提高智能系統對外界信息的響應速度。除此之外，若設置路段路燈電壓為220 V時，則路燈耗電量能夠達到0.63kW·h;若使用36 V的安全電壓，則測試路燈的耗電量能夠達到

0.22kW·h。證明本文設計的路燈智能控制系統能夠實現節約電能的目的。

4 結束語

通過對現階段多數城市街道照明系統的缺陷為基礎，提出以PLC和模糊控制算法為核心的智能路燈控制系統。通過模糊PLC系統的應用實現對街道環境信息的精準采集，在該系統下各傳感器模塊會以當地的日出日落為標準，前后分別延長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路燈進行供電，通過噪聲模塊可以實現夜間街道路燈的光強控制，若檢測到有汽車或行人經過便會提高路燈亮度，反之降低路燈亮度。

參考文獻

[1] 蔣雙燕.智慧照明系統中PLC控制的應用研究[J].電子測試，2020（3）：110-111.

[2] 王靜，孫飛龍，王亓劍.基于PLC的校園智能照明系統的控制與實現[J].太原學院學報（自然科學版），2020，38（01）：77-82.