CN102438381A - 一种高速车辆客室内照度模拟系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速车辆客室内照度模拟系统，其特征在于：包括依次连接的计算机、IGBT调光器和灯组，以及与计算机的输入端连接的照度传感器，所述灯组和照度传感器均设置于车辆客室内。该系统利用照度快速变化的控制特性，将bang-bang控制和模糊控制结合，灯组并联，成组控制，照度分布均匀，照度误差小；实现了客室照度变化的跟踪控制，能够很好的满足研究高速列车车内照度变化对乘客舒适性影响关系的需要。在现有的调节方法上，对照度快速变化模拟，实际照度快速跟踪期望照度值。用bang-bang控制用来控制照度的快速变化；用模糊控制来调整照度的超调量，实现照度的精确控制，提高照度控制系统的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种对高速车辆客室内照度模拟的系统及方法。
背景技术
近年来，随着高铁迅猛发展,相继高速列车运行速度、服役可靠性、运行安全性研究之后的一个重要的课题，就是关于高速列车在运行过程中乘客的舒适性问题，该问题受到了铁路主管部分和铁路专家得到了高度重视，同时，舒适性也是高速列车技术发展追求的方向，事关乘客的身心健康，迫切需要深入研究。但在研究过程中，有许多问题急需解决，如高速列车舒适性模拟试验技术、舒适性评价理论、舒适性的提升优化技术等，高速车辆客室内部照度模拟系统就是研究高速列车在快速运行过程中，不同天气、一天不同时间、进出隧道等各种工矿下照度对乘客舒乘坐舒适性影响的一个试验系统。
目前，照度调节模拟技术得到了充分发展,主要在人工气候模拟，体育馆、图书馆、灯具研制等方面取得了很大成果，特别是对恒定照度值的控制调节，室内补光照度调节等，在控制方法上主要神经网络控制方法、模糊控制方法、模糊神经网络等控制方法。这些研究实现人工气候形成模拟、办公场地照度的自动补偿调节。但是，现有的照度调节方法还不能满足高速列车客室内一些特殊情况下照度动态变化对乘客舒适性的研究，不足之处有：
（1）照度分布特性不同：高速列车的车窗固定，与人工气候的百叶窗相比，对自然采光无法调节，照度分布几乎均匀。因此在照度控制时采用同步控制，对照度控制精度、鲁棒性要求高。
（2）照度误差不能进行快速、精细调节：研究高速列车客室内部照度对乘坐舒适性的影响，除了不同照度对舒适性有影响，特别需要研究照度变化快慢对舒适性的影响关系。现有的照度调节方法，在控制策略上未考虑快速控制策略与精准性鲁棒性较高的控制策略的混合控制策略。
高铁客源多，如乘客乘坐高铁舒服感强，乘车不需要特别的休息，能够直接投入到工作中，能够节约大量时间，同时保障了乘客的身心健康。因此，须克服现有照度调节技术的不足，为深入研究照度与舒适性的关系提供试验条件，最终提高高速列车的乘坐舒适性和保障乘客的身心健康。可见，有关高速列车的舒适性研究的市场空间不言而喻，有关高速车体客室内照度模拟方法、系统必将有着广泛的市场需求。
发明内容
本发明的目的提供了一种高速车辆客室内照度模拟系统及方法，克服了现有照度调节技术中对照度均匀分布调节难、照度误差不能快速、精细调节等技术缺陷。采用bang-bang控制和模糊控制相结合的控制策略、灯组并联、成组同步控制，实现高速车辆客室照度分布均匀、照度控制的高精准性和鲁棒性。
为实现其目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高速车辆客室内照度模拟系统，包括依次连接的计算机、IGBT调光器和灯组，以及与计算机的输入端连接的照度传感器，所述灯组和照度传感器均设置于车辆客室内。
上述灯组包括2+2N个均匀分布于车辆客室内的白炽灯，N为正整数。
所有白炽灯相互并联。每四个相邻的白炽灯成矩形分布，而所述照度传感器则设置于该矩形的中心。
一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，包括以下步骤如下：
（1）向计算机导入期望照度变化曲线；
（2）灯组开始工作，照度传感器采集灯组的实际照度，并将该实际照度反馈至计算机中；
（3）计算机根据灯组的实际照度与期望照度变化曲线，通过控制策略控制IGBT调光器的控制信号电压U，改变灯组的实际功率和实际照度，直到模拟出期望照度变化曲线所示的照度,实现期望照度曲线的动态跟踪模拟。
上述的控制策略如下：
在计算机中设定bang-bang控制和模糊控制的切换门限值 
，若
，采用模糊控制策略；反之，则进行bang-bang控制策略。
上述bang-bang控制的步骤如下：
若
，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=5；若
，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0。
上述模糊控制的步骤如下：
C1.照度误差模糊化
设定照度误差模糊域E为
，照度误差变化率模糊域DE为
；
C2.根据C1中设定的照度误差模糊域E和照度误差变化率模糊域DE，按照模糊控制规则推理出控制信号电压的模糊域；
C3.建立模糊控制规则;
C4.采用重心法对控制信号电压U的模糊域进行模糊化；
C5.得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0~5。
上述的模糊控制，先计算出实际照度与期望照度之间误差及其误差变化率，再进行步骤 C1、C2、C3、C4、C5。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（一）、本发明充分考虑了照度对舒适性影响的研究过程中，同时需要对照度快速和精确两种控制要求。将bang-bang控制（又叫最速控制）和模糊控制相结合，灯组并联，成组控制；实现客室照度分布均匀，大照度误差快速调节、小照度误差精细调节的控制效果；实现了客室照度变化的动态跟踪控制，能满足研究高速列车车内照度变化对乘客舒适性影响关系的试验需要。
（二）、在现有调节方法上，对照度快速变化模拟，实际照度快速跟踪期望照度值。用bang-bang控制用来控制照度的快速变化；用模糊控制来调整bang-bang控制带来照度控制的超调量，实现照度精确控制，提高照度控制系统的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明实施例的设备连接图。
图2是本发明实施例的控制原理图。
图3是本发明实施例中高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法的流程示意图。
图4是本发明实施例的照度实际值和照度期望值的效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
图1、2示出，本发明的一种高速车辆客室内照度模拟系统，包括依次连接的计算机、IGBT调光器和灯组，以及与计算机的输入端连接的照度传感器，所述灯组和照度传感器均设置于车辆客室内。
本例的灯组包括十二个均匀分布于车辆客室内的白炽灯，且所有白炽灯相互并联，每四个相邻的白炽灯成矩形分布，而五个照度传感器则分别设置于对应的矩形中心。
图3示出，本例一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，包括以下步骤如下：
（1）向计算机导入期望照度变化曲线；
（2）灯组开始工作，照度传感器采集灯组的实际照度，并将该实际照度反馈至计算机中；
（3）计算机根据灯组的实际照度与期望照度变化曲线，通过控制策略控制IGBT调光器的控制信号电压U，改变灯组的实际功率和实际照度，直到模拟出期望照度变化曲线所示的照度,实现期望照度曲线的动态跟踪模拟。
U是计算机控制IGBT调光器控制信号电压的控制信号电压,为0-5V的电压,当u=0时,输出0V；当u=5时,输出220V。由p=U2/R (p表示功率，U表示电压，R表示电阻)，因此功率又电压决定，在灯的光效一定条件下，照度由功率决定。
本例的控制策略如下：
在计算机中设定bang-bang控制和模糊控制的切换门限值
，若
，采用模糊控制策略；反之，则进行bang-bang控制策略。
bang-bang控制的步骤如下：
若
，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=5；若，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0。
模糊控制的步骤如下：
C1.照度误差模糊化
设定照度误差模糊域E为，照度误差变化率模糊域DE为
；
C2.根据C1中设定的照度误差模糊域E和照度误差变化率模糊域DE，按照模糊控制规则推理出控制信号电压的模糊域
；
C3.建立模糊控制规则（具体见下表）；
C4.采用重心法对控制信号电压U的模糊域进行模糊化；
C5.得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0~5。
本例的模糊控制，先计算出实际照度与期望照度之间误差及其误差变化率
，再进行步骤 C1、C2、C3、C4、C5。
其中模糊控制规则如下表：
其中：N表示负，P表示正，B表示大，M表示中，S表示小，O表示零。
如NB表示负大，NO表示负零，如此类推。
图4示出，本发明通过照度模拟系统来控制实际照度快速跟踪期望照度，控制策略切换门限取为
=120lx，用bang-bang控制来控制照度快速变化，控制方法的快速性很好，实现了小照度到大照度的快速切换控制，但是照度控制的超调大；模糊控制来控制照度超调值，使得超调快速减少，实现照度的精确控制，提高照度控制系统的快速跟踪精细控制。满足研究高速列车照度对舒适性影响关系的试验要求。
Claims (9)
1.一种高速车辆客室内照度模拟系统，其特征在于：包括依次连接的计算机、IGBT调光器和灯组，以及与计算机的输入端连接的照度传感器，所述灯组和照度传感器均设置于车辆客室内。
2.根据权利要求1所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统，其特征在于：所述灯组包括2+2N个均匀分布于车辆客室内的白炽灯，N为正整数。
3. 根据权利要求2所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统，其特征在于：所有白炽灯相互并联。
4. 根据权利要求3所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统，其特征在于：每四个相邻的白炽灯成矩形分布，而所述照度传感器则设置于该矩形的中心。
5. 一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤如下：
（1）向计算机导入期望照度变化曲线；
（2）灯组开始工作，照度传感器采集灯组的实际照度，并将该实际照度反馈至计算机中；
（3）计算机根据灯组的实际照度与期望照度变化曲线，通过控制策略控制IGBT调光器的控制信号电压U，改变灯组的实际功率和实际照度，直到模拟出期望照度变化曲线所示的照度,实现期望照度曲线的动态跟踪模拟。
6.根据权利要求5所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，其特征在于，步骤（3）中所述的控制策略如下：
在计算机中设定bang-bang控制和模糊控制的切换门限值 
，若，采用模糊控制策略；反之，则进行bang-bang控制策略。
7.根据权利要求6所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，其特征在于，所述bang-bang控制的步骤如下：
若
，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=5；若
，则直接得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0。
8.根据权利要求6所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，其特征在于，所述模糊控制的步骤如下：
C1.照度误差模糊化
设定照度误差模糊域E为
，照度误差变化率模糊域DE为；
C2.根据C1中设定的照度误差模糊域E和照度误差变化率模糊域DE，按照模糊控制规则推理出控制信号电压U的模糊域
；
C3.建立模糊控制规则；
C4.采用重心法对控制信号电压U的模糊域进行模糊化；
C5.得到控制IGBT调光器的控制信号电压U=0~5。
9.根据权利要求8所述的一种高速车辆客室内照度模拟系统的实现方法，其特征在于：所述的模糊控制，先计算出实际照度与期望照度之间误差及其误差变化率，再进行步骤 C1、C2、C3、C4、C5。
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