照明系统控制策略的研究与实现

王铁成

摘 要：目前的智能照明系统的控制策略主要是根据人为经验进行设定，而不是根据灯具的实际用电情况进行合理规划，因此智能照明系统需进一步提高其效能.利用模糊控制算法确定百叶窗的开度，最大限度的利用自然光，同时粒子群算法通过对多传感器采集的照度信息进行寻优处理，确定照明设备的最佳亮度组合.经过测试，系统在满足舒适性的同时，具有很好的节能效果，能够实现舒适性和节能性的综合最优.

关键词：照明系统；控制；措施

1导言

目前全球经济正朝着一体化靠拢。欧美发达国家本身经济的停滞不前，短期内很难有大型的品牌照明企业出现。并且环境保护成为全球化目标后，全世界的各个国家，特别是科学技术先进的地区，对于照明节能的需求将更为强烈，照明节能对于节约能源、保护生态系统、推动社会进步具有极其重要的意义。

2照明系统结构框架

照明系统主要由传感网、应用控制器、驱动器、灯具节点组成，系统结构如图1所示.传感网包括亮度传感器和照度传感器，亮度传感器用来采集百叶窗外环境的亮度，作为计算百叶窗开度时其中一个输入变量；照度传感器收集室内作业区域的照度值，用来约束判断是否满足照明环境的舒适性要求.将传感器信息传送到应用控制器，控制器执行照明控制策略，确定每一个灯具的最优亮度值，实现照明区域内舒适性与节能性的综合最优.

3智能照明控制的工作原理

电子感应技术和利用电磁原理的调压技术是智能照明控制系统的主要技术支撑，实时跟踪系统的供电情况，对电路的电流值等进行自动调节，改善电路情况，从根本上提高功率因数，从而达到照明节能降耗的目的。在目前国际公认较为成熟的智能照明系统中，ABB公司的i-bus系统较为成熟，采用国际通用的EIB/KNX标准。采用总线网络拓扑结构，是i-bus系统的主要工作原理，这使得系统具有10Mbit的通讯数率。使用线路耦合器对支线中的信号进行过滤，过滤后的信号进入主线，进而增加干线速率。因为IP局域网接口和EIB/KNX使用，所以使得数据可以在两者间进行传递。IP网关可以高效地在KNX/EIB系统中进行数据的交换。I-bus总线不能接地，其具有屏蔽能力。开关控制模块具有带电检测功能，可以检测灯光回路的运行情况，并且在故障时进行报警。主要应用领域为智能楼宇环境控制系统和智能家居控制系统，其主要控制功能为光控制、中央控制、电动窗帘控制、家居安防控制、温度控制、AV控制系统信号监视等。

4照明系统控制策略的研究与实现

4.1模糊控制器的百叶窗开度控制策略

自然光一直是人类最习惯、感觉最舒适的光源，同时为了充分利用自然资源，实现节能，本系统在避免直射造成人员眩晕的前提下，通过调节百叶窗开度最大限度的利用自然光实现照明需求.百叶窗开度与太阳高度角、天空光模式等因素有关.其中，天空模式很难用一个精确量来描述，而模糊控制对这类问题往往可以得到较好的控制效果，因此本系统采用了模糊控制策略，其过程如下：确定输入输出变量，模糊化处理

本系统模糊控制器主要是根据太阳高度角以及天空光模式来确定百叶窗的开度.太阳高度角是太阳直射光线与地球水平面的夹角，计算公式：

（1）

式（1）中：H为太阳高度角；φ为当地纬度，δ为太阳直射点的纬度；t表示时角，正午时刻t=0，每小时变化15°.以西安为例，论域取[0，80°].百叶窗的开度可以定义为百叶窗的叶片与竖直方向形成的夹角，夹角为0时，开度最小，夹角为90°时，开度最大，百叶窗开度的论域为[0，90°].

4.2节能控制策略

用户可以根据实际情况设定照明系统用电量的预警值，当能耗检测值达到用电量预警值并且处于节能模式时，系统会根据节能控制策略依次按4、3、2优先级的照明设备进行调低照度或关灯操作，最低优先级的场景模式照明回路则不作节能处理，以保证其正常工作.节能控制策略流程如图2所示，图中的各级处理定义如下：

1级处理：关闭优先级为4的景观照明回路，对优先级为3的公共区域照明设备内的可调光照明回路进行降低照度处理.

2级处理：关闭优先级为3的公共区域内的所有照明设备.

3级处理：关闭优先级为2的工作照明区域的辅助型照明回路，根据能耗预测的结果采用贪婪遗传算法求达到能耗要求所需关掉的最少回路，并根据计算结果关闭优先级为2的工作照明区域内的部分功能型的照明回路.

4.3建立模糊规则库

规则库是模糊控制的核心，定义了输入与输出变量间的模糊关系.在灯具关闭的情况下，通过照度传感器，确定不同作业面的照度分布，选取照度最大的作业面作为基准面，在避免直射的前提下，根据基准面的照度需求不断地更新规则库，直到能够最大限度地满足人的舒适性.

4.4i-bus的应用

4.4.1兼容性：控制系统采用的是国际通用的EIB/KNX标准，可以满足使用者对不同功能的需求。电气安装总线采用大跨度框架及开放式的结构，可以使使用者便捷而迅速地调整建筑物的使用功效或者再一次规划建筑平面。极强的兼容性是该系统的优点，对于不同厂家的软件和元器件，在本系统的通讯中可以達到兼容，能够使系统稳定的运行。系统内部的各个模块都是一个独立的个体，具有独自运行能力，不受其他器件的约束。

无论任何的模块损坏或者损毁都不会影响到其他模块的正常运行，这种独立的运行模式使得系统维修保养方便，在对系统进行定期升级或者定期更换元器件时，整个系统仍然可以正常地运行下去。系统的可扩展性也是本系统的一大优点，如果想进行回路的增加，只需要直接添加相应模块，对于系统整体无需进行大改动。

4.4.2安全性：系统只运用一条i-bus总线，没有过多的电缆线路，更没有复杂的线路铺设。在现场只需要总线进行连接，24V的安全低电压连接保证了系统的安全，控制模块不需要复杂的布置，可以安装在配电箱内。

4.4.3灵活性：功能的调整和控制结构的修改十分灵活，对小部分程序进行修改即可完成目标，不需要对布线进行调整。通过物理信息的采集，自动刚系统设置为最优运行状态，方便管理并且节约能源。所有设备均为标准设备，模数化产品采用35mm导轨安装，现在设备才有86盒墙装，各种面板的探测器可以互换，实际应用十分灵活。

4.4.4经济性：系统能够大量减少维护人员，从而节约大量的维护费用，在节约费用的同时，提高了整体系统的工作效率。i-bus系统采用红外线传感器、定时开关技术、亮度传感器调光技术，这些智能化的应用使得系统可以节约大量的电力能源，从而极大地节约了资源。比传统照明节约25%左右电能，投资成本三年内即可收回。

4.4.5长期性：软启动、软关断技术的使用是i-bus系统的又一个亮点，对于各个回路进行缓慢的启动，在一定时间内关断，这样有效减少了冲击电压对器件的损害，极大地延长了灯具的使用寿命。系统可以和消防报警系统、安全防范系统、闭路监视系统一起来构成一个完整的系统。同时采用ABB照明系统和BA系统的大厦，将大幅度提高大厦的智能化程度，增加该物业的亮点，提高大厦的出售和出租率，这些无疑都获得了许多长期的、可观的、潜在的收益。

结束语

综上所述，本文对照明系统的控制策略进行改进，通过基于模糊控制器的百叶窗开度的控制策略，实现了最大限度的利用自然光来满足照明需求，我国是一个发展中国家，提高能源利用率必将大力推进我国经济建设和社会建设。智能照明控制系统在实际工程中的节能设计，将从根本上进行建筑节能。该领域将成为促进我国未来发展的重要领域。未来我国将成为节能设计及节能产品研发的最大受益者。

参考文献：

[1]马鸿雁，韩京京.会展中心照明控制与节能[J].智能建筑电气技术，2010（04）.

[2]董珀.智能照明控制系统及其新技术的研究[J].上海：东华大学，2010：12-13.