基于模糊控制的教室照明系統

郭勝輝 朱學莉 朱樹先

(1.蘇州科技學院機電工程系，江蘇蘇州 215009;2.同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

1 引言

學校里照明用電是學校總用電量的主要組成部分［1］。目前，教室照明燈具的控制多為教室使用者的自發控制，對教室使用者的道德水平依賴程度高，經常會出現“長明燈”的現象，造成極大的浪費。若是能設計自動控制系統，根據教室內照度及人數自動判斷是否滿足開啟燈具的條件而控制燈具的開啟或關閉，則可以解決這一問題，減少浪費［2］。然而，教室內照度及人數均是時變、非線性的，且具有較大的隨機性，難以建立精確的數學模型，使得利用經典控制理論來實現其控制非常困難［3，4］。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法［5］。實際應用中可以脫離精確的數學模型，模仿有經驗的管理人員進行控制，達到滿意的控制效果。本文將模糊控制應用于教室照明系統中，根據教室內照度及人數的變化自動改變教室內燈具的開啟數量，實現教室照明節能控制。

2 系統的工作原理及組成

2.1 模糊控制原理

模糊控制可以在行為上模仿人的模糊推理和決策過程。該方法首先將傳感器測得的實時信號模糊化，再根據操作人員或專家經驗編成模糊控制規則，然后將模糊化后的信號作為模糊規則的輸入，完成模糊推理，再經去模糊化后，將推理后的輸出量輸出到執行器上［6］。

2.2 控制系統組成

影響教室燈具開啟或關閉的因素主要包括兩方面:一是照度，當自然光可以提供足夠的照度時，無需開啟燈具，只有自然光提供的照度過低時，才考慮開啟燈具補充照度;二是教室人數，當教室人數過少或沒有人時，即使自然光不能提供足夠的照度，也應根據人數合理地確定燈具開啟的數量或關閉全部燈具。

基于以上分析，設計如圖1所示模糊控制系統。首先由人員檢測模塊及照度檢測模塊來獲取教室的參數，而后分別與各自設定值比較后，形成兩個誤差輸入量。兩個誤差輸入量經模糊化后變成模糊量，用模糊語言表示。然后經模糊控制算法、模糊判決及去模糊化處理后，得到模糊控制的輸出量。

圖1 模糊控制系統Fig.1 Fuzzy control system

3 模糊控制器的設計

很明顯，模糊控制系統的核心部分即是模糊控制器，也是模糊控制系統設計的重點。由圖1可知，它是一個兩輸入單輸出模糊控制器，輸入為教室人數和照度，輸出即為燈具的開啟數量。

3.1 輸入量的確定

輸入量是指系統中需要檢測的教室人數及照度。由于教室人數及照度分布的不均勻性和隨機性，首先應研究檢測元件的分布。根據教室座位排列及采光面分布的不同將教室劃分為若干個區域，每個區域都配以一定數量的照度傳感器及人員檢測傳感器。以單側采光的教室為例，按照座位距離采光面 (窗戶)的遠近將教室劃分為圖2(a)所示檢測區域。考慮到教室大多裝有多媒體系統，為了其正常工作(環境照度不能太高)，同時進一步克服教室人數不均勻性，可以將每列按距離講臺的遠近再次劃分為多個區域。為了便于描述，本例中以前后兩個區域為例，如圖2(b)所示。照明燈具的分布也可參考這一規律。

圖2 教室檢測區域劃分Fig.2 Detection zoning of classroom

3.1.1 人數x

教室是否有人及人數的多少是影響燈具開啟數量的首要因素。當教室無人時，由燈具提供的照度則為浪費。因此，必須檢測教室人數。在上述劃分的6個區域內各自設置1個檢測元件，采用被動式紅外檢測傳感器。若是某個區域沒有學生，則檢測元件輸出為低電平，否則為高電平。對于短時間內出現的非人為的紅外線輻射干擾，可以在燈具開啟條件滿足后采用延時開啟的方式解決。將教室人數分為 7個模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少(SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多 (M)，很多(VM)。從而得到人數變化隸屬函數，如圖3所示。

圖3 人數隸屬函數Fig.3 Membership function of the number of people

3.1.2 照度y

當某一區域有足夠的自然光照度時，應充分利用自然光照明，減少燈具的開啟數量或關閉燈具。在劃分的區域內各自設置1個檢測元件，考慮到光敏電阻的線性度較差，采用線性度良好的光電集成照度傳感器。教室內平均照度在200lx以上，即可滿足閱讀照度。因此將照度以200lx為中心，分為5個模糊集:低 (L)，較低 (SL)，中 (M)，較高 (SH)，高(H)。從而得到照度變化隸屬函數，如圖4所示。

圖4 照度隸屬函數Fig.4 Membership function of illumination

3.2 輸出量的確定

系統的輸出量即是燈具的開啟數量，設置兩種工作模式。當教室局部照度檢測值小于系統設定值時，說明可能只有局部需要燈具照明，此時燈具的開啟優先順序是固定的，優先選擇遠離采光面、自然光提供照度低的內側，此為模式一。模式二則是指當教室全部照度檢測值均小于系統的設定值，說明此時需要全部依賴燈具照明，當人數越多、照度越低時，則開啟的燈具數越多。在模式二下可以由教室使用者設定燈具的開啟優先程度 (外側優先或內側優先，前排優先或后排優先，這一優先等級設定好以后，直至再次設置，將不再改變)。

將燈具開啟數量分為7個模糊集:很少 (VF)，少 (F)，較少 (SF)，中 (MI)，較多 (SM)，多(M)，很多 (VM)。從而得到開啟燈具數量變化隸屬函數，如圖5所示。

3.3 模糊控制規則

模糊控制規則采用查表離線計算法，制定過程中采用“if A and B then C”的結構形式，根據管理人員的經驗總結模糊控制規則如表1所示。根據該表經仿真優化后存入微處理器中，實際應用中通過讀取表中的數據進行控制輸出，達到預期的目的。輸出量的去模糊化采用查表法，如表2所示。

圖5 燈具隸屬函數Fig.5 Membership function of lamps

表1 模糊控制規則表Table 1 Fuzzy control rule table

表2 去模糊化結果Table 2 Results of removing the fuzziness

4 Matlab仿真

為了直觀地檢驗該模糊控制器的控制效果，利用Matlab進行仿真驗證，得到圖6所示輸入輸出曲面圖。從圖6中可以明顯地看出，當人數一定時，照度越高則開啟燈具數量越少或不開啟;當照度低于預設值且固定不變時，人數越多則開啟燈具數量越多;而照度高于預設值時，則根據人數開啟少量燈具或不開啟。這與管理人員的經驗基本是吻合的，說明該系統達到期望的控制效果。

圖6 輸入輸出曲面圖Fig.6 Input and output surface plot

5 實驗驗證

基于以上原理性分析，采用S7-200 CPU 226 PLC作為控制核心，以MCGS組態軟件為人機交互界面，組成教室照明控制實驗系統。MCGS組態軟件不僅界面形象直觀，且方便操作，還可以同時完成信息及狀態顯示、數據采集及輸出、參數設置及控制等。MCGS組態軟件在進行界面組態前，需先進行設備組態，在通用串口父設備下選擇西門子_S7200PPI，根據需要再進行通道設置，詳細過程可參見MCGS組態軟件說明資料。組態完畢后，可進行實驗。實驗時，只需將PC機與PLC通過PC/PPI線直接相連，即可由MCGS完成參數輸入、狀態輸出顯示等。畫面組態如圖7所示。

6 結論

圖7 MCGS組態畫面Fig.7 The configuration screen of MCGS

該系統引入模糊控制，省去建立系統數學模型的繁瑣，實現模仿有經驗管理人員的控制。可以充分利用自然光照明，降低照明用電浪費，達到節能的目的，獲得良好的控制效果。

［1］李應生，龐建麗.學校智能節能照明控制系統的研究與應用 ［J］.電源技術，2012，36(3):396～398.

［2］馮平，周聰.智能照明系統的模糊控制探討 ［J］.廣西工學院學報，2009，20(1):19～22.

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［4］吳春澤，朱思莉，林燕丹等.室內照明自然采光的模糊控制 ［J］.照明工程學報，2010，21(2):24～28.

［5］吳瑤，姜建國.基于模糊控制的節電照明控制系統［J］.工礦自動化，2005，(6):82～85.

［6］劉金琨.智能控制 ［M］.北京:電子工業出版社，2005.