基于模糊控制的LED路燈節能系統研究

包頭市住房和城鄉建設綠色發展促進中心 肖 鵬

隨著經濟建設的不斷發展，對智慧城市建設提出了綠色、環保、節能、智能化等要求。傳統的路燈是定時定點控制，控制簡單，但是一旦發生故障無法實時控制，知道時已經影響到了人們的出行和電能資源的浪費。本文以LED路燈為研究基礎，根據不同季節不同時段路燈的開關和調光操作來設計模糊控制器。將LED路燈的最小輸出功率作為控制目標，引入模糊控制算法，可以實現路燈自由開關和調節光照強度的目標。通過建立模糊控制器、MATLAB仿真和實時數據分析，模糊控制方法可以滿足人們安全行駛的最低照度下，實現了對路燈的最優控制，滿足人們高效節能出行。

近些年，對于路燈控制系統的最基礎的控制算法研究是PID控制算法，PID控制算法在連續變量控制系統中應用的十分廣泛，主要是用于控制線性，不變的數據模型為基礎，利用PID參數整定來實現預期的控制效果。在路燈控制系統中引入PID控制策略，通過大量數據表明可以實現在規定時間內完成光源的自動調節，但是存在著一定的誤差。考慮到路燈啟動開關的非線性和時變性特點，PID控制算法的應用就收到了局限性。目前，應用最為廣泛的智能控制算法包括模糊控制、神經網絡控制、BP遺傳算法等等。根據路燈的特殊性，我們采用了模糊控制算法，模糊控制不需要建立準確的數據模型，它是以人們的長期經驗來制定的模糊控制規則，以語言規則為控制基礎的控制方式。這種控制算法具有操作容易，適應性好等優勢。本系統是將傳感器采集的路面人和車輛的聲音信號經模糊控制器，模糊控制算法處理后將信號給功率變換單元，實現路燈端電壓的調節，從而實現了調節光源亮度，達到了節能的目的。

1 LED路燈模糊控制系統的總體方案

1.1 整體設計方案

新型智能LED路燈節能系統是通過照度傳感器及運動傳感器采集上傳的數據信息對LED路燈進行實時的自動調節其亮度。在控制策略上采用了模糊控制方法，建立模糊輸入輸出的隸屬度函數，制定模糊規則及模糊推理，解模糊等步驟完成模糊控制器的設計。通過模糊控制可以實現路燈端電壓自動調節，從而在不影響正常行人出行的前提下，大大的降低了城市路燈照明耗電量。

路燈智能控制系統還打破了傳統路燈的控制模式和管理模式。路燈管理中心可以直接通過可視化界面觀察路燈的運營情況，同時遇到緊急狀況，可以通過指揮中心手動控制任意一條街道路燈開關。在控制中心可以對路燈終端進行發送命令。路燈終端處理傳感器上傳的數倨與攝像頭系統上傳的圖像信息，對道路情況進行實時監測與反饋，智能控制器根據反饋指令處理數據，在處理時采取模糊控制算法，按照上傳數據推理出適宜的控制信號，從而實現對路燈的智能控制。

1.2 模糊控制流程

LED智能路燈節能控制系統中的控制方法采用的是模糊控制算法，在其系統中模糊控制應用的軟件需要遵循下面的控制流程，其流程圖如圖1所示。首先系統啟動運行，對系統中各個參數進行初始化設置，然后通過照度傳感器采集路面照度信息并上傳到路燈監控中心的上位機軟件，系統通過模糊控制器的模糊算法來判斷路面的照度是否是微暗（PM）狀態，微暗狀態是地面照度在5～15Lux。如果不在這個范圍，那么發送命令，調整照度在這個區間。這樣也起到了節能的目的。如果地面照度滿足要求，第二個運動傳感器采集是否有人或者車輛通過，如果采集的信號顯示有人或者車輛通過，就發送命令調節亮度為PH，這時亮度是滿級打開，這樣可以滿足行人和車輛的需求。如果沒有監測到行人或者車輛就返回繼續通過照度傳感器監測信號，這樣就進入到了下一個循環。

圖1 模糊控制算法控制流程圖

圖2 模糊決策系統模型

2 基于LED路燈節能的模糊控制器設計

LED路燈自動控制系統是可以通過光亮的強度來控制LED路燈開與關的，并且設計出了定時電路作為路燈正常情況下的狀態，如果光控開關發生了故障，那就可能導致路燈無論白天還是黑夜就一直點亮，為了不發生這種狀況我們設計了定時自動控制的方法。這樣更具有合理性，整個系統對于節能起到了十分有效的作用。但是由于季節性不同，不同地方白天和黑夜時間長短不同，需要重新調節LED路燈的開關時間，才能達到節能目的。

系統的輸入量包括路面照度信息和路面行人、車輛情況信息，也就是照度傳感器和運動傳感器采集到的路面信息作為系統的輸入。路燈即將需要打開的等級做為系統的輸出。

2.1 建立系統隸屬度函數

本文研究的道路照明主要應用在主干道中，那么根據道路照明規范標準，主干道在夜間的平均照度應該滿足25Lux，其照度范圍在15和30之間才能最為正常照度值。那么我們定義了照度傳感器信息的論域是[0，40]。模糊化分為4個模糊子集：PH、PB、PM、PL。PH指的是照度過亮，照度值在30Lux之上。PB是指照度適中，照度值在15和30Lux之間。PM是指照度微暗，照度值在5和15Lux之間。最后PL指照度過暗，照度值在0和5Lux之間。運動傳感器信息的論域為[0，24]，分為兩個模糊集，一是有運動的人或車輛P，此時運動傳感器信號電壓≥12V，二是無運動的人或車輛Z，其運動傳感器信號電壓≤12V。輸出為路燈打開亮度等級，其論域為[0，10]，分為11個等級，模糊化分為四個模糊集，一是PH：大開度，路燈亮度等級調至8～10，二是PB：中開度，其路燈亮度等級調至5～7，三是PM：微中開度，路燈亮度等級調至2～4，四是PL：小開度，路燈亮度等級調至0～1級。其隸屬函數用三角函數形式，Ma應用Matlab仿真軟件進行測試。

2.2 模糊決策仿真

模糊控制系統采用的是Mamdani推理算法，解模糊采用的是重心法。Mamdani推理算法是模糊控制系統中最常見的一種推理算法。應用Matlab仿真軟件對模糊控制系統進行模糊控制器仿真。圖3為模糊控制器仿真圖。

圖3 模糊控制器仿真圖

結論：本文是針對城市道路照明節能方面進行了研究，打破了傳統定時定點路燈控制系統，引入了智能控制算法中的應用最為廣泛的模糊控制。通過模糊決策的智能算法，獲得了LED路燈最優光照強度等級的智能控制，不但能夠滿足人們正常出行需求，還可以最大程度上節約電能。同時，通過上位機軟件實時監控，節省了大量的人力物力。這種智能化的城市LED路燈系統是智慧城市建設的必經之路。