點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制仿真

李朝獻(xiàn)

(河南大學(xué)濮陽工學(xué)院，河南 濮陽 457000)

1 引言

隨著人工智能控制技術(shù)的發(fā)展，采用智能控制技術(shù)進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的優(yōu)化控制，可以降低燈光的能量開銷，提高室內(nèi)環(huán)境燈光的隨動性和光強的自動選擇能力，增強融合性[1]。研究點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的優(yōu)化控制方法，在室內(nèi)環(huán)境裝飾以及綠色環(huán)保設(shè)計方面有很好的應(yīng)用價值，同時在促進(jìn)節(jié)能環(huán)保設(shè)計和室內(nèi)燈飾環(huán)境優(yōu)化等方面具有重要意義[2]。相關(guān)的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光控制技術(shù)研究受到人們的極大重視[3]。

傳統(tǒng)方法中，對點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光控制主要有模糊控制方法、積分控制方法和反演控制法，文獻(xiàn)[4]提出的基于模糊自適應(yīng)調(diào)度的室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法，采用模糊自適應(yīng)調(diào)度方法進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的多線程調(diào)度，實現(xiàn)控制優(yōu)化，但該方法在進(jìn)行大規(guī)模的燈光控制時，控制模糊度較大；文獻(xiàn)[5]提出一種基于Smith結(jié)構(gòu)的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法，引入DC/AC逆變器，完成控制器的優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[6]提出基于反演積分控制的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法，構(gòu)建點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的分層子維空間規(guī)劃模型，結(jié)合光線的強度信息融合方法進(jìn)行模糊控制，但該方法的設(shè)計難度較大，控制的時效性不好。

針對上述問題，本文提出基于模糊PID的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法。采用多自由度耦合調(diào)節(jié)方式，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光亮度和角度的自動調(diào)節(jié)；結(jié)合模糊PID控制方法，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度信息和光源輸出信息的融合處理；構(gòu)建模糊PID控制律，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境的光束軌跡跟蹤控制，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境燈光的多參量控制優(yōu)化。

2 約束參量及自適應(yīng)學(xué)習(xí)

2.1 室內(nèi)環(huán)境燈光控制約束參量模型

點光源是理想化為質(zhì)點點光源。在室內(nèi)環(huán)境的組成元素中，光、介質(zhì)以及光束傳輸空間均是關(guān)鍵因素。室內(nèi)環(huán)境中的介質(zhì)可劃分為兩類，主要為實體介質(zhì)和虛體介質(zhì)。實體介質(zhì)是指采用自身所具備的物理特性對光束進(jìn)行衍射和吸收；虛體介質(zhì)是描述光束穿透虛體介質(zhì)時，即可生成相應(yīng)的散射現(xiàn)象。

為了實現(xiàn)對點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的多參量控制，構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境燈光的分層子維空間分布模型。結(jié)合燈光的照明參量規(guī)劃方法，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的7自由度照明空間規(guī)劃，實現(xiàn)多參量融合特征分析。在點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的照明控制中，給定室內(nèi)環(huán)境燈光的分層子維空間分布模型

(1)

式中，θ為燈光的射線以鉛錘線的夾角，Ts為點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光照明的輸出時間間隔，tH為照明的多參量融合特征矩，M(θ)表示點光源發(fā)光強度分布系數(shù)，表示點光源漫射分布系數(shù)，G(θ)表示距離照度。

為了提高點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光照明的隨動性，降低污染，采用模糊PID控制方法[7]，進(jìn)行光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光照明的多參量調(diào)節(jié)控制，內(nèi)容為

(2)

(3)

(4)

M=Mn+ΔM

(5)

(6)

(7)

其中，u(t)表示波束衍射特征參量，ρ(t)表示多參量約束閾值：

(8)

其中，d(t)表示間接照明凹凸比例。

綜上分析，實現(xiàn)對點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制的約束特征分析，根據(jù)控制約束參量分析結(jié)果進(jìn)行多傳感器融合跟蹤識別，提高燈光多參量控制的自適應(yīng)性[9]。

2.2 點光源的動態(tài)基元自適應(yīng)學(xué)習(xí)

(9)

在點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的角度和強度控制中，采用聯(lián)合參數(shù)估計方法，進(jìn)行燈光的誤差聯(lián)合控制，得到基元參數(shù)調(diào)節(jié)的誤差為：

(10)

在不考慮擾動的條件下，采用圖1所示的模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的基元參數(shù)學(xué)習(xí)。

圖1 模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器

圖1中，輸入點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光傳感信息采樣值為

(11)

根據(jù)上述分析，可以采用多自由度耦合調(diào)節(jié)方式，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光亮度和角度的自動調(diào)節(jié)。

3 室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制優(yōu)化

3.1 模糊PID控制及環(huán)境燈光信息融合處理

在上述構(gòu)建的室內(nèi)環(huán)境燈光控制的約束參量模型中，采用多自由度耦合調(diào)節(jié)方式，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度和角度的自動調(diào)節(jié)，并提出基于模糊PID的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制優(yōu)化方法[10]。采用模糊PID控制方法進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度信息和光源輸出信息的融合處理，PID控制為

(12)

其中，ce2表示點光源發(fā)光強度與垂直方向的發(fā)光面的面積之比。

假設(shè)，室內(nèi)環(huán)境燈光PID控制的神經(jīng)元隱含層的輸出光束特征量為x1，…，xn，分別乘上權(quán)重值w1j，…，wnj，得到室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度調(diào)節(jié)優(yōu)化解輸出

(13)

(14)

其中，β0是繞y軸的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光衍射波束的旋轉(zhuǎn)角，其旋轉(zhuǎn)矩陣Ry(β0)表示為

(15)

其中，cβ0、sβ0、-sβ0、cβ0表示矩陣元素。

結(jié)合模糊PID控制律，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光信息融合處理，可以提高多參量融合調(diào)度能力與控制效果。

3.2 多參量聯(lián)合控制優(yōu)化

構(gòu)建模糊PID控制律，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境的光束軌跡跟蹤控制，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境燈光的顏色、光強、照射角度、波束衍射特征等參量的多參量融合調(diào)節(jié)，點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rx(γ0)表示為

(16)

在分布式環(huán)境中，以坐標(biāo)系Σe(≡Σ7)為慣性坐標(biāo)系，采用光程軌跡跟隨控制方法，構(gòu)建點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)燈光控制的次變換矩陣IT7(θ)

IT7(θ)=IT0(θ1，θ2，θ3)·0T7(q1)

(17)

采用分段式的軌跡學(xué)習(xí)方法，以θ為學(xué)習(xí)軌跡的分界點，構(gòu)造點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量聯(lián)合控制的Lyapunov函數(shù)為

(18)

采用多自由度耦合調(diào)節(jié)方式，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的強度跟蹤、誤差調(diào)節(jié)和誤差跟蹤

e1=?-?r

(19)

其中，?r表示實際光束軌跡[11]。

對燈光的入射方位誤差進(jìn)行求導(dǎo)

(20)

其中，ω2表示入射光線角度。

采用光束軌跡跟隨學(xué)習(xí)方法[12]，構(gòu)建點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制的穩(wěn)定函數(shù)為

(21)

(22)

聯(lián)合上式分析可得

(23)

分析式(23)可見，點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制過程是穩(wěn)態(tài)收斂的，可以實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境燈光的顏色、光強、照射角度、波束衍射特征等參量的多參量融合調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制，能夠有效提高控制精度與控制效果。

4 仿真與結(jié)果分析

在室內(nèi)環(huán)境燈光多參量調(diào)試中，本實驗過程主要使用到的儀器有：MPS-3005L-3直流穩(wěn)壓電源，為人機(jī)交互系統(tǒng)提供直流24V電壓；示波器，型號為MSO-X-2022A，用于測量電源電路的紋波大小、通信模塊的信號波形等。圖2、圖3分別為直流穩(wěn)壓電源、示波器。

圖2 直流穩(wěn)壓電源 圖3 示波器

采用Matlab進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈多參量控制模型設(shè)計，采用NetLogo模擬點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光控制平臺。

圖4 外網(wǎng)燈光控制模型

對燈光信息采樣的傳感器陣列分布為200×200的均勻陣列基元，設(shè)定光強信息采樣的頻率為40KHz，對室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度信息采樣時長為30s，控制指令輸出的時間間隔為1.45ms，光束指令的輸出帶寬為24Bps，對點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光控制的指令輸入時域波形如圖5所示。

圖5 室內(nèi)環(huán)境燈光控制的指令輸入時域波形

根據(jù)圖5所示的室內(nèi)環(huán)境燈光控制指令進(jìn)行燈光的多參量調(diào)節(jié)和融合處理，用模糊PID控制方法進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度信息和光源輸出信息的優(yōu)化調(diào)節(jié)，得到室內(nèi)環(huán)境燈光波束分布如圖6所示。

圖6 室內(nèi)環(huán)境燈光波束分布

分析圖6得知，采用本文方法進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的多參量控制，光強信息分布均勻，波束調(diào)節(jié)能力較強。

測試室內(nèi)環(huán)境燈光的多參量弧長與色彩融合度的關(guān)系，利用上位機(jī)采集室內(nèi)燈光多參量弧長與色彩數(shù)據(jù)。

圖7 上位機(jī)多參量弧長與色彩數(shù)據(jù)采樣

根據(jù)數(shù)據(jù)采樣結(jié)果得到多參量弧長與色彩的擬合度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 燈光控制的色彩融合的水平

分析圖8得知，采用本文方法進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制，色彩融合性能較好。

采用所提點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法、文獻(xiàn)[4]基于模糊自適應(yīng)調(diào)度的室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法、文獻(xiàn)[5]基于Smith結(jié)構(gòu)的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制方法進(jìn)行控制精度對比實驗。得到的對比結(jié)果如表1所示。

表1 控制精度對比

分析表1得知，文獻(xiàn)[4]方法的平均控制精度為0.900%，文獻(xiàn)[5]方法的平均控制精度為0.935%，本文方法的平均控制精度0.971%，相比之下可以看出，本文方法進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量估計能力更好，控制精度更高。其主要原因是所提方法利用模糊PID進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境光束軌跡跟蹤控制，進(jìn)而對室內(nèi)環(huán)境燈光的多參量進(jìn)行融合調(diào)節(jié)，有效的提高了控制精度。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境燈光的自適應(yīng)控制，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保設(shè)計和室內(nèi)燈飾環(huán)境優(yōu)化，本文提出基于模糊PID的點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光多參量控制模型。結(jié)合燈光的照明參量規(guī)劃方法，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境燈光的規(guī)劃設(shè)計；基于動態(tài)基元的自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的模糊自適應(yīng)控制；構(gòu)建模糊PID控制律，進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境的光束軌跡跟蹤控制，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境燈光的顏色、光強、照射角度、波束衍射特征等參量的多參量融合調(diào)節(jié)。研究得知，本文方法進(jìn)行點光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光控制的效能較好，精度較高，可以有效提高光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光的自適應(yīng)控制程度，為室內(nèi)環(huán)境燈光控制技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。