基于PLC及模糊控制算法的路燈智能控制技術(shù)研究

趙鐵軍

[摘? ? 要]為進(jìn)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(chǔ)的智能路燈控制技術(shù)。以某城市街道路燈系統(tǒng)為例收集信息，利用模糊控制算法實現(xiàn)對環(huán)境感知信息的收集與路燈亮度和開關(guān)時間的控制，在經(jīng)過PLC的編譯處理實現(xiàn)算法的進(jìn)一步優(yōu)化。該路燈智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對街道雜音的高效過濾，以車輛噪聲為觸發(fā)條件實現(xiàn)對路燈的光亮調(diào)控，以控制路燈光照時間和光照亮度的方式達(dá)到路燈系統(tǒng)節(jié)能的目的。

[關(guān)鍵詞]PLC;模糊控制算法;路燈;智能控制技術(shù)

[中圖分類號]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)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(zhèn)化發(fā)展的不斷增速，出現(xiàn)一種以夜間光亮程度為判斷標(biāo)準(zhǔn)的劃定城市發(fā)達(dá)水平的輿論，道路照明系統(tǒng)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(fā)展的路線方針。現(xiàn)階段我國很多城市對路燈系統(tǒng)的管理比較粗放，部分路線仍采用定時照明定時關(guān)閉的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)而控制路燈。因此，設(shè)計一個智能路燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)路燈的智能化控制，但是內(nèi)部的核心控制系統(tǒng)仍需要借助光敏電阻或光敏傳感器的數(shù)據(jù)收集實現(xiàn)路燈的控制。因控制系統(tǒng)判斷標(biāo)準(zhǔn)為光敏傳感器收集到的環(huán)境光強數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)會出現(xiàn)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(chǔ)，對路燈智能控制技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計，通過多元素判斷的方式為智能路燈控制系統(tǒng)提供光照判斷數(shù)據(jù)，降低智能路燈控制系統(tǒng)判定混亂的概率，通過模糊邏輯推理的方式不斷優(yōu)化算法語句，實現(xiàn)對干擾數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)過濾，提高系統(tǒng)判斷的精準(zhǔn)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(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該路燈控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(yīng)器、繼電器以及控制電路等結(jié)構(gòu)組成。在該系統(tǒng)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(nèi)部進(jìn)行信息判斷與數(shù)據(jù)計算優(yōu)化，然后會將得出的數(shù)據(jù)結(jié)果以命令的方式下發(fā)到控制電路中。此時，路燈控制器會收集環(huán)境光照、車流量、聲音以及道路照度等信息，當(dāng)部分路段符合給予照明的相關(guān)條件后便可通過控制繼電器的方式實現(xiàn)對該路段部分路燈的控制[1]。本智能控制系統(tǒng)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(jiān)測儀組成。

2 模糊控制算法與系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模糊控制算法的設(shè)計路線

本系統(tǒng)將使用模糊控制算法為核心架構(gòu)進(jìn)行搭建。以某城市的日照條件為例，設(shè)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(chǔ)，設(shè)定各傳感器的工作起始時間，在工作時間內(nèi)各傳感器會對街道車輛與行人發(fā)出的噪聲信息和環(huán)境光照信息進(jìn)行監(jiān)測，以60 s為周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新。更新數(shù)據(jù)會上傳至模糊控制器模塊下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，是否符合路燈開啟條件都會轉(zhuǎn)化信息至路燈控制器，實現(xiàn)對路燈系統(tǒng)的控制。為智能控制系統(tǒng)能夠滿足路燈的非線性控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)為例，噪聲數(shù)據(jù)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(shù)值代替，由高到低分別為-2、-1、0、1、2。在變量數(shù)據(jù)中加入修正因子之后輸入與輸出間的關(guān)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(guī)則的特性。經(jīng)大量實驗數(shù)據(jù)計算和現(xiàn)場環(huán)境因素的綜合分析得出：當(dāng)α實際值取0.3和0.6時較為適宜。當(dāng)α取值分別為0.3和0.6時產(chǎn)生的噪聲變量規(guī)則，見表1與表2。

在模糊控制中，控制增量值便可依據(jù)D和DC的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢控制表，再與修正因子相乘的方式得到對應(yīng)的控制增量。

2.2 模糊PLC控制系統(tǒng)

2.2.1 PLC

PLC是一種具有獨立處理的自動化設(shè)備[2]。PLC具有較高的邏輯控制能力、數(shù)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(yīng)用在電力體系當(dāng)中[3]。在路燈的智能控制系統(tǒng)中，時變參數(shù)問題可通過簡化或?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成基本線性問題，通過PLC下的PID指令進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對各項參數(shù)的比例調(diào)節(jié)。在PID指令中比例調(diào)節(jié)是指降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間提高調(diào)節(jié)效率;積分調(diào)節(jié)是指通過積分調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度消除穩(wěn)態(tài)誤差;微分調(diào)節(jié)是指通過微分調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，即當(dāng)命令語句中數(shù)據(jù)即將出現(xiàn)誤差前，微分調(diào)節(jié)會及時引入一個修正信號規(guī)避或減小即將出現(xiàn)的誤差問題。本文設(shè)計的智能控制系統(tǒng)存在較多的時變參數(shù)，無法通過PID指令進(jìn)行完全的調(diào)節(jié)，為保障PLC對數(shù)據(jù)控制的精準(zhǔn)度，本文將模糊控制算法與其相結(jié)合，使設(shè)計系統(tǒng)能夠自主更新道路環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化成能夠編譯識別的區(qū)間當(dāng)中。

2.2.2 模糊PLC控制器設(shè)計

本文設(shè)計的路燈智能控制系統(tǒng)中，以二維模糊控制器為設(shè)計模糊PLC的基礎(chǔ)，如圖2所示。假設(shè)路燈下環(huán)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(shù)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(shù)據(jù)輸入模糊PID指令中，通過該方式實現(xiàn)對偏差數(shù)據(jù)比例、積分、微分等參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，經(jīng)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(xiàn)對街道路燈的光照強度調(diào)節(jié)。

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(shù)據(jù)處理。從模糊控制規(guī)則角度出發(fā)，通過模糊PID指令的方式與模糊控制規(guī)則得到模糊PLC控制的各項參數(shù)。從反模糊化的角度出發(fā)，經(jīng)過模糊算法處理后的參數(shù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成清晰數(shù)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(biāo)值為模糊推理輸出值，且面積中心法可以直觀合理地應(yīng)用在本文智能控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)進(jìn)行反模糊化處理[4]。

3 模糊PLC系統(tǒng)仿真驗證

將本文設(shè)計的智能路燈控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)在MATLAB中進(jìn)行比對實驗。以某城市的實際街道為例，路燈系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，為保障實驗結(jié)果數(shù)據(jù)能夠真實可控，將利用實驗結(jié)合經(jīng)驗公式的方式得出PID指令的參數(shù)，即比例=52、積分=15、微分=43。當(dāng)上述參數(shù)上傳至傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)后，傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真曲線將在4 ～5 s出現(xiàn)峰值，并在之后的7 ～8 s逐漸平穩(wěn)。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(shù)上傳至MATLAB中得到的模糊PLC系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真曲線將在4.7 ～5.1 s出現(xiàn)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(wěn)。

經(jīng)上述分析數(shù)據(jù)能夠得出，本文設(shè)計的智能路燈控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)相比具有較高的優(yōu)越性，能夠科學(xué)合理縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時間，提高智能系統(tǒng)對外界信息的響應(yīng)速度。除此之外，若設(shè)置路段路燈電壓為220 V時，則路燈耗電量能夠達(dá)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(dá)到

0.22kW·h。證明本文設(shè)計的路燈智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電能的目的。

4 結(jié)束語

通過對現(xiàn)階段多數(shù)城市街道照明系統(tǒng)的缺陷為基礎(chǔ)，提出以PLC和模糊控制算法為核心的智能路燈控制系統(tǒng)。通過模糊PLC系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)對街道環(huán)境信息的精準(zhǔn)采集，在該系統(tǒng)下各傳感器模塊會以當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章錇闃?biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行供電，通過噪聲模塊可以實現(xiàn)夜間街道路燈的光強控制，若檢測到有汽車或行人經(jīng)過便會提高路燈亮度，反之降低路燈亮度。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣雙燕.智慧照明系統(tǒng)中PLC控制的應(yīng)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(tǒng)的控制與實現(xiàn)[J].太原學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，38（01）：77-82.