智能LED灯光系统控制算法设计

孙淑婷

(太原工业学院，山西 太原 030008)



智能LED灯光系统控制算法设计

孙淑婷

(太原工业学院，山西 太原 030008)

提出了一种基于凸优化的智能LED灯光系统控制算法。在满足最低照度及用户需要的条件下，该算法能够计算出阵列中每一个LED的最优调光等级(Optimum dimming level)，进而最小化了整个照明系统的能源消耗。

凸优化；LED控制；算法

在当今的照明系统中，能源消耗无疑是一个非常重要的指标。但减少能源消耗并不意味着可以降低照明质量或者减少用户舒适度。为了达到这个目标，除了高效率的光源，智能的控制算法也是非常必要的。作为新一代的光源，LED无论是光效和寿命均远远高于普通的白炽灯和荧光灯[1]；同时可调光LED(Dimmable LED)允许用户通过控制其调光等级(Dimming Level)来控制其照明亮度，所以我们选取可调光LED作为本文的主要研究对象。

目前国内大多数的灯光系统仍然是传统的人工管理，这样不但增加了运营成本，而且很难发挥出整个照明系统的最优性能。因此我们希望设计一种智能的控制算法来取代传统的人工管理来最小化整个照明系统的能量消耗。另一方面来说，在优化能量消耗的同时，我们还必须要考虑整个照明系统给用户带来的照明舒适度，不能为了减少能量消耗而无限制地降低表面照度以至于降低照明系统的用户体验。

1　LED的光束模型

为了实现LED的智能控制，我们必须对LED的灯光光束进行正确的数学描述。对于LED的光束，目前最为普遍使用和广泛接受的数学模型是广义的Lambertian模型[2]。也就是说，对于给定的LED，可以根据公式(1)计算出某一点的照度(勒克斯)，其中d，h分别为LED到该点的垂直和水平距离(米)；m，I0是该LED的Lambertian常数与光通量(流明)。m是一个大于0的常数，用来描述LED的光束宽度。

(1)

对一个LED阵列来说，被照明表面某一点的照度是该阵列中所有LED提供照度的加权和，权重为每个LED的调光等级，即：

x=WTI.

(2)

其中，W={w1，w2，…，wL}T是该LED阵列的调光等级向量，0≤wl≤1是第l个LED的调光等级，L是整个LED阵列所包含的LED数量；I={I1，I2，…，IL}T是该LED阵列对该点可提供的最大照度向量，Il是第l个LED对该点可提供的最大照度，可由公式(1)计算得到。

2　LED的最优调光等级向量

为了得到LED阵列的最优调光等级向量WOpt，我们首先把被照射表面分成N个子表面，每个子表面都应足够小，使得其照度可被视为一个常数，于是我们有：

WOpt=arg minWTP

subject toX≥Xr

0≤W≤1 .

(3)

其中，P={P1，P2，…，PL}T是该LED阵列的功率向量，Pl是第l个LED的额定功率；X={x1，x2，…，xN}T与Xr={xr1，xr2，…，xrN}T分别为被照射表面的照度向量与所需最低照度向量，xn与xrn分别为子表面的照度与所需最低照度。因为公式(3)中的目标函数为一凸函数，所以公式(3)是一个带有限制条件的凸优化问题。于是利用CVX，一个基于Matlab的解凸优化问题的工具包，我们就可以得到该LED阵列的最优调光等级向量WOpt。这样我们不仅最小化了整个系统的能量消耗，而且保证了用户的照明舒适度。

3　例子及讨论

在这一节我们利用公式(3)对一个实际例子进行优化：对于一个容纳三个办公人员，并且每个办公人员有一张

0.75 m×1.5 m×1 m办公桌的办公室(7 m×3 m×2.6 m)，我们首先将被照射表面分割为2 100个0.1 m×0.1 m的子表面；然后根据照明标准确定每个子表面的所需最低照度(如图1所示)；最后解公式(3)，可获得最优调光等级向量WOpt及相应的表面照度XOpt(如图2所示)。如果我们假设每只LED每天工作11个小时，那么优化之前(所有LED均以最大功率进行照明)每天照明系统的能量消耗为8.62 kW/h(千瓦时)，而优化之后每天的能量消耗仅为2.45 kW/h(千瓦时)。由此可见，本文所提出的LED优化算法可以显著地减少照明系统的能量消耗。

图1　所需最低照度向量Xr

图2最优表面照度XOpt所选光源为Philips MASTER LEDspot D 7-50W 4000K PAR20 25D，每两只LED之间距离为0.45 m。

[1]毛兴武，张艳雯，周建军，等.新一代绿色光源LED及其应用技术[J].中国照明,2008(11):103-103.

[2]王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明,2006,30(4):32-35.

Control Design of Intelligent LED Lighting System

Sun Shuting

(TaiyuanInstituteofTechnology,TaiyuanShanxi030008,China)

In current lighting applications, energy efficiency is an essential requirement. Significant energy can be saved via the intelligent light control. To determine the optimum light setting, a method based on convex optimization is proposed to control the dimming vector of a dimmable LED array so that the expected light pattern can be implemented with minimum energy consumption.

convex optimization; control by dimmable LED array; algorithm

2016-03-16

孙淑婷(1962- )，女，副教授，本科，主要从事CAD/CAM研究。

1674- 4578(2016)04- 0006- 01

TP273；TM923.34

A