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关键词 采光 遮阳 模糊控制 视觉舒适度 建筑节能
1 问题的提出
如何有效地利用室外自然光达到室内采光和视觉舒适度的要求, 并进一步降低照明能耗, 是当前研究室内环境视觉舒适度控制的一个重要领域。目前建筑室内窗户设置的遮阳百叶帘控制有手动升降和电动升降方式, 但这类产品的遮阳控制缺乏智能性, 也有很大的随意性, 不能很好地满足人们对室内视觉舒适性的要求, 同时室内的照明能耗得不到很好的控制。目前国内针对这方面的研究还不是很多且方法各异[ 1]。欧洲的一些国家采用室内智能化采光控制技术及设备, 这些设备普遍采用的控制算法是PD ( 比例- 微分) 、PID ( 比例- 积分- 微分) 控制, 也有采用模糊控制方式, 但没有将照明控制纳入其中[2] , 因此自然光入射的控制精度和照明能耗的降低不是很明显。室内光照特别是采集自然光, 由于是一个多参数的强耦合的非线性过程, 利用传统的经典控制手段很难建立确定的控制模型, 因而很难达到精准的视觉舒适度要求。
2 本文研究的内容和关键技术
本文研发出一种控制系统, 即基于二维纯模糊控制算法的集视觉舒适度控制与灯光补光调控的室内采光模糊控制器。该控制器相对于传统控制器, 具有超调量小、响应速度快、稳态误差小等优势, 具有较好的控制效果和市场推广前景。
本课题完成了以下主要内容:
a . 建立本控制器视觉模糊控制模型, 并制定控制域。利用汇编语言完成模糊控制算法的软件实现;
b . 利用89S52 系列单片机作为控制系统的核心, 实现对百叶帘管状电机的智能化步进控制, 很好地完成百叶翻转角度的设置, 导入自然光;
c . 根据室内视觉检测, 该系统可智能化地控制室内照明灯具的分级补光动作, 进而实现了居室内的亮度保持在最佳视觉舒适度范围内, 同时达到照明节电的效果。
本文的关键技术包括: ① 针对百叶遮阳角度的翻转模糊控制策略的制定与实现; ② 对室内照明灯光的补光“BANG - BANG”控制方法研究和实现;③ 整体系统采样控制策略的制定与实现。
3 系统模糊控制方案的研究
3 . 1 采光和补光模糊控制的基本原理从系统的响应速度和控制精度考虑, 针对室内视觉参数对象, 如果采用PI ( 比例- 积分) 控制, 则系统的响应速度很慢; 如果采用PD 控制则系统的稳态误差偏高; 若采用PID 控制, 则需要建立被控对象的精确数学模型。另外以上系统始终处于动态的“寻优”过程中, 这是不现实的。另一方面, 居室内的视觉亮度是一种非线性的与其他参数关联的被控对象,要建立精准的数学模型非常困难, 其成本高, 工作量庞大, 且有控制效果偏低的劣势。室内的采光和照明补光是一个非精准惯性的、允许有一定合理误差的控制对象, 用模糊控制策略是很好的选择。比较传统的控制方式, 模糊控制系统的抗干扰能力强, 响应速度快, 系统参数的变换有很强的鲁棒性[3]。
根据分析研究, 笔者认为室内智能采光控制系统是一个单输入双输出的非线性控制系统, 并要完成百叶帘的遮阳调节和室内照明补光控制。本控制系统的遮阳是这样实现的: 通过采样A/ D ( 模/ 数) 变换,读入室内环境的照度值并将其转换成相应的电压控制量, 然后由控制计算机计算出光强差值E 和光强差值变化率EC, 并加以离散化, 分成7 档, 每一档对应1 个模糊子集, 这样就完成了精确量( 光强差值)的模糊化, 得到模糊量值。再根据预先确定的模糊规则作出模糊决策。通过解模糊处理以后得到精确的控制量, 利用单片机输出脉冲的长短来控制百叶管状电机, 进而调节百叶遮阳角度; 另一方面, 当实测的室内光照度在规定视觉度指标以外时, 系统自动运行ON - OFF 控制, 执行照明补光, 补光分三档进行。图1 为模糊控制系统的控制框图。
3 . 2 本系统模糊控制的输入输出变量的设定
3 . 2 . 1 输入变量
本设计采用的是经典的二维模糊控制器[4]。在模糊化前有一个输入变量( 经ADC0809 转换后的8 位BCD 码, 即二- 十进制码, 对应当前的照度值) , 经过计算后得到二个输入变量E 和EC。光强偏差E 函数为:e ( k) =θt( k) - θ( k) 或e ( k) = θ( k) - θt( k)式中: θt( k) ———室内实际照度;θ( k) ———预先设定值。
光强偏差变化率EC 函数为:
Δe( k) = [ e ( k) - e( k - 1) ] / ts , 式中ts 为采样时间。直接使用光强差的变化率比较麻烦, 所以在本系统中使用了1 个时间变量来代替光强差的变化率, 这一时间就是指光强差变化为50 lx 所需要的具体时间, 以此来衡量光强差的变化率大小。
3 . 2 . 2 输出变量
根据本系统设计要求, 其输出变量有: ①BANG- BANG 控制的输出控制变量———对应于控制灯光补光的双向可控硅导通角; ② 模糊控制器的输出变量———对应于百叶帘驱动管状电机的触发脉冲。根据设计要求, 输入量光强差E 的变化范围是0 ~ 50 0 lx, 光强差变化率EC 的变化范围是0 ~30min / 50 lx。计算得出, 双向可控硅的导通角变化范围是90°~135°, 电机的每一个触发脉冲的持续时间范围为0 ~ 1 . 5 s。在调节百叶角度时, 无论正反转都分为四档, 即: 0 s ( 对应百叶角度0°) , 0 . 33 s( 对应百叶角度30°) , 0 . 66 s ( 对应百叶角度60°) ,1s ( 对应百叶角度90°) 。这样将它们的论域分别设为: 误差E ( - 3, - 2,- 1, 0, 1, 2, 3) ; 误差EC ( - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2,3) ; 电机脉冲长短( 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) 。
3 . 2 . 3 百叶的遮阳角度和灯光补光的关系
我们设定: 当控制器上电后, 系统首先进行检测。如果检测的室内亮度高于设定值, 则首先动作的是百叶帘进行遮阳; 如果百叶动作后过一段时间, 检测室内光照度突然变暗( 例如出现阴雨天) , 那么将百叶完全打开( 水平方向导入光线) ; 如果这时仍然达不到标准视觉舒适亮度500 ~600 lx, 则开始补光;在补光时, 先从低档照度开始, 通过系进一步检测后,进一步调整补光档位, 直到室内检测光照度在500 ~ 600 lx范围内为止。图2 为本控制系统控制流程。
4 模糊控制规则表的确定
本系统中二个输入变量( 光强差E, 光强差变化率EC) 和一个输出变量( 电机脉冲p) 的模糊集合如下:A {负大( NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( Z) ,正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) }; B {负大( NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( Z) , 正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) }; C {负大(NB) , 负中( NM) , 负小( NS) , 零( Z) , 正小( PS) , 正中( PM) , 正大( PB) }。
对于单输入单输出的模糊控制器, 其控制规则可以写成如下形式:
If E = Ai And EC = Bi Then a = Ci
其中Ai 为误差E 的模糊子集, Bi 为EC 的模子集, Ci 为电机脉冲的模糊子集。在调光控制系统的模糊控制中, 对人工智能采光的百叶帘控制, 根据实际运行经验的总结, 其调节规律可以用以下一些似然推理语句来表示, 例如:
a . 如果室内照度较设定值高很多, 且室内照度上升很快, 则百叶工作在全部遮挡状态。如图3 所示( 百叶遮阳角度设定为4 档) 。
b . 如果室内照度略高于设定值, 且室内照度上升较快, 则百叶工作在正向翻转状态( 60°) 。
c . 如果室内照度较设定值低很多, 且室内照度上升很慢, 则百叶工作在不遮挡状态( 0°) 。
d . 如果室内照度略低于设定值, 且室内照度上升很快, 则百叶工作在正向翻转状态状态( 30°) 。
e. 如果室内照度等于设定值, 且室内照度没有上升趋势, 则百叶工作在停止状态。跟据以上的模糊控制规律并结合实际运行经验分
析, 光强差E、光强差变化率EC、电机的受控脉冲p 赋值及该采光控制系统的模糊控制规则如下表所示, 共有49 条规则。
而照明补光采用简单的BANG - BANG 控制, 分3 种状态补光: ① 在百叶全部打开时室内尚且太暗,强档补光( 800 lx) 。② 在百叶全部打开时室内尚且较暗, 中档补光( 400 lx) 。③ 在百叶全部打开时室内接近标准视觉舒适度, 停止补光( 0 lx) 。
5 模糊控制算法的程序模块
模糊控制算法是本课题的一个核心。程序模块由89S52 系列的单片机来实现。室内的照度传感器经过前向通道的信号处理以后, 再经A / D 变换成单片机可以识别的以数字量形式表示的室内照度。单片机工作时可以调用该程序模块, 通过计算光差和光差变化率, 进行模糊变量的离散化处理, 再通过简单的查表方法得到本控制系统的输出控制量, 即控制百叶电机的脉冲值。同时通过单片机的中断来调用延时子程序和通道选择子程序。该程序模块如图4 所示。
6 结果分析和总结
经实验室试验, 系统整体性能很稳定。由于采用了模糊控制, 室内光照度稳定在490 ~ 525 lx 之间, 符合人体视觉舒适度要求。百叶帘的翻转角度由单片机模糊控制达到微秒级的控制精度; 灯光的补光动作由单片机及时地进行分级调整。整体上本系统可以达到预计的控制指标。本设计既解决了智能型采光、补光, 使室内视觉舒适度提高, 又较好地解决了照明节能这一问题。在采用模糊控制技术同时较好解决了补光控制的统一问题, 将模糊控制策略与照度控制系统有机地结合起来, 以适应人体对室内视觉舒适度的需求。由于系统的测试是在特定的实验室进行的, 而各建筑物的朝向和自然采光不同, 故下一步将解决通用性及使用问题。另外, 针对室内已有的不同的灯光照明系统, 如何与本模糊控制系统有效结合, 也是下一步要解决的问题。
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