基于PLC及模糊控制算法的路灯智能控制技术研究

赵铁军

[摘    要]為进一步降低城市街道路灯的能耗，提出以可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）和模糊控制算法为基础的智能路灯控制技术。以某城市街道路灯系统为例收集信息，利用模糊控制算法实现对环境感知信息的收集与路灯亮度和开关时间的控制，在经过PLC的编译处理实现算法的进一步优化。该路灯智能控制技术能够实现对街道杂音的高效过滤，以车辆噪声为触发条件实现对路灯的光亮调控，以控制路灯光照时间和光照亮度的方式达到路灯系统节能的目的。

[关键词]PLC;模糊控制算法;路灯;智能控制技术

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]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

随着我国城镇化发展的不断增速，出现一种以夜间光亮程度为判断标准的划定城市发达水平的舆论，道路照明系统长期长时间的照明消耗大量的电力能源，不符合我国绿色发展的路线方针。现阶段我国很多城市对路灯系统的管理比较粗放，部分路线仍采用定时照明定时关闭的设计，不但会消耗大量电力能源，而且不能以实际天气情况为判断标准而控制路灯。因此，设计一个智能路灯控制系统实现对路灯的智能化控制具有重要意义。

目前，我国已有部分城市实现路灯的智能化控制，但是内部的核心控制系统仍需要借助光敏电阻或光敏传感器的数据收集实现路灯的控制。因控制系统判断标准为光敏传感器收集到的环境光强数据，所以该系统会出现各种照明时间上的问题，也是很多城市仍使用“全夜灯恒照度”的原因。本文以PLC和模糊控制算法为基础，对路灯智能控制技术进行研究与设计，通过多元素判断的方式为智能路灯控制系统提供光照判断数据，降低智能路灯控制系统判定混乱的概率，通过模糊逻辑推理的方式不断优化算法语句，实现对干扰数据的精准过滤，提高系统判断的精准度与及时性，解决城市夜间照明能耗与光照时间差异问题。

1 路灯智能控制系统组成结构

该路灯控制系统整体结构由上位机、光敏传感器、微波传感器、声音传感器、路灯控制器、照度感应器、继电器以及控制电路等结构组成。在该系统中上位机（PLC）从控制电路中接收到道路照明指令之后，会在内部进行信息判断与数据计算优化，然后会将得出的数据结果以命令的方式下发到控制电路中。此时，路灯控制器会收集环境光照、车流量、声音以及道路照度等信息，当部分路段符合给予照明的相关条件后便可通过控制继电器的方式实现对该路段部分路灯的控制[1]。本智能控制系统的光照模块以光敏电阻和电压比较器组成;声波模块以微波HB100和BR-ZS1噪声监测仪组成。

2 模糊控制算法与系统设计

2.1 模糊控制算法的设计路线

本系统将使用模糊控制算法为核心架构进行搭建。以某城市的日照条件为例，设计路线：以城市日落前60 min至次日日出后30 min的最大值为基础，设定各传感器的工作起始时间，在工作时间内各传感器会对街道车辆与行人发出的噪声信息和环境光照信息进行监测，以60 s为周期进行一次数据更新。更新数据会上传至模糊控制器模块下进行数据分析与处理，是否符合路灯开启条件都会转化信息至路灯控制器，实现对路灯系统的控制。为智能控制系统能够满足路灯的非线性控制系统要求，将在模糊算法中带入修正因子，如图1所示。

以模糊控制中的噪声变量数据为例，噪声数据可分为输入偏差“D”、偏差变化率“DC”和输出控制量“OC”。其中D分为5个等级分别为高偏差、较高偏差、偏差、较小偏差和无偏差;DC同样分为5个等级分别为高、较高、中、较低和低;由此可代表街道下所有等级的噪声信息。同时，为方便表述语言变量将用数值代替，由高到低分别为-2、-1、0、1、2。在变量数据中加入修正因子之后输入与输出间的关系即变成公式：

OC=[αD+（1-α）DC] （1）

式中：α為修正因子，且0≤α≤1。加入的α取值能够直接改变控制规则的特性。经大量实验数据计算和现场环境因素的综合分析得出：当α实际值取0.3和0.6时较为适宜。当α取值分别为0.3和0.6时产生的噪声变量规则，见表1与表2。

在模糊控制中，控制增量值便可依据D和DC的数据进行查询控制表，再与修正因子相乘的方式得到对应的控制增量。

2.2 模糊PLC控制系统

2.2.1 PLC

PLC是一种具有独立处理的自动化设备[2]。PLC具有较高的逻辑控制能力、数字信号模拟控制能力以及多机通信能力等众多功能，广泛应用在电力体系当中[3]。在路灯的智能控制系统中，时变参数问题可通过简化或将其转变成基本线性问题，通过PLC下的PID指令进行控制，从而实现对各项参数的比例调节。在PID指令中比例调节是指降低系统调节时间提高调节效率;积分调节是指通过积分调节提高系统的控制准确度消除稳态误差;微分调节是指通过微分调节的方式实现超前调节，即当命令语句中数据即将出现误差前，微分调节会及时引入一个修正信号规避或减小即将出现的误差问题。本文设计的智能控制系统存在较多的时变参数，无法通过PID指令进行完全的调节，为保障PLC对数据控制的精准度，本文将模糊控制算法与其相结合，使设计系统能够自主更新道路环境信息，并将其转化成能够编译识别的区间当中。

2.2.2 模糊PLC控制器设计

本文设计的路灯智能控制系统中，以二维模糊控制器为设计模糊PLC的基础，如图2所示。假设路灯下环境的照度给定值为a;照度传感器模块实际检测值为b;模糊PLC控制器下偏差值与输入变化量为c;偏差的变化为c1。以PLC控制器的3个修正参数作为模糊控制器的输出变化量并用Q1、Q2、Q3表示。将PLC下的照度偏差数据输入模糊PID指令中，通过该方式实现对偏差数据比例、积分、微分等参数的自适应调整，经过模糊化处理、近似模糊推理以及反模糊化处理后，将Qh、Qj、Qk输入PLC中，实现对街道路灯的光照强度调节。

上述模糊化处理、近似模糊推理以及反模糊化处理的处理同样适用于其它传感器模块收集的变量数据处理。从模糊控制规则角度出发，通过模糊PID指令的方式与模糊控制规则得到模糊PLC控制的各项参数。从反模糊化的角度出发，经过模糊算法处理后的参数数据属于模糊集合，而反模糊化操作的根本目的在于将模糊集合下的数据转变成清晰数值。常用的反模糊化算法有最大隶属度法、面积平分法以及面积中心法等。因面积中心法能够以中心横坐标值为模糊推理输出值，且面积中心法可以直观合理地应用在本文智能控制系统中，实际输出推理的效率较高，所以本文将采用面积中心法对上述模糊化数据进行反模糊化处理[4]。

3 模糊PLC系统仿真验证

将本文设计的智能路灯控制系统与传统的路灯控制系统在MATLAB中进行比对实验。以某城市的实际街道为例，路灯系统的传递函数为，为保障实验结果数据能够真实可控，将利用实验结合经验公式的方式得出PID指令的参数，即比例=52、积分=15、微分=43。当上述参数上传至传统路灯控制系统后，传统路灯控制系统的阶跃响应仿真曲线将在4 ～5 s出现峰值，并在之后的7 ～8 s逐渐平稳。若街道照度误差与误差变化率的论域为[-66]、[-33]、Q1、Q2、Q3的论域分别为[-0.30.3]、[-0.060.06]、[-33]，那么将上述参数上传至MATLAB中得到的模糊PLC系统阶跃响应仿真曲线将在4.7 ～5.1 s出现峰值，但峰值超过基线的幅度较小并在峰值后迅速回落趋于平稳。

经上述分析数据能够得出，本文设计的智能路灯控制系统与传统路灯控制系统相比具有较高的优越性，能够科学合理缩短系统调节的时间，提高智能系统对外界信息的响应速度。除此之外，若设置路段路灯电压为220 V时，则路灯耗电量能够达到0.63kW·h;若使用36 V的安全电压，则测试路灯的耗电量能够达到

0.22kW·h。证明本文设计的路灯智能控制系统能够实现节约电能的目的。

4 结束语

通过对现阶段多数城市街道照明系统的缺陷为基础，提出以PLC和模糊控制算法为核心的智能路灯控制系统。通过模糊PLC系统的应用实现对街道环境信息的精准采集，在该系统下各传感器模块会以当地的日出日落为标准，前后分别延长30 min和60 min唤醒传感器，以保证部分地理位置低洼阶段能够更早对路灯进行供电，通过噪声模块可以实现夜间街道路灯的光强控制，若检测到有汽车或行人经过便会提高路灯亮度，反之降低路灯亮度。

参考文献

[1] 蒋双燕.智慧照明系统中PLC控制的应用研究[J].电子测试，2020（3）：110-111.

[2] 王静，孙飞龙，王亓剑.基于PLC的校园智能照明系统的控制与实现[J].太原学院学报（自然科学版），2020，38（01）：77-82.