CN103607820B - 一种智能照明的恒光控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能照明的恒光控制系统，该系统包括：光信号模块、光电传感器、光照度检测模块、驱动控制模块、光源模块、LCD显示屏、智能控制模块、键盘输入模块。本发明采用现代模糊技术和数字信号处理技术，实现了对照明环境的光照度自适应地调节到某一个设定的照度值；采用通用化接口，提高了对各种类型光传感器的自适应，通过改变驱动控制模块，可适用于各类光源的控制，通用性较强；采用了模糊智能控制算法，提高了调节精度，在调节范围内能连续平滑的进行调节，调节的步距小，无闪烁和跳跃；采用智能化交互接口，可以人工设定所需照度，并可通过显示屏实时的跟踪、监控环境的光照度变化。本发明结构简单，功耗低，体积小，可靠性高。

Description

一种智能照明的恒光控制系统

技术领域

本发明属于灯光照明技术领域，尤其涉及一种智能照明的恒光控制系统。

背景技术

日常用到的照明系统往往多是光源输出恒定，不会随外部环境光强的改变而改变光源的照度。这样一方面在外部环境光强较强时，造成光源的浪费；另一方面在某些特殊场合，如教室、办公楼等，需要保持一个恒定的光照度，这样在恒定光照度的环境下工作、学习，眼睛不易疲劳，保护眼睛的同时提高了工作效率。

目前存在的恒光照明系统光电检测一般较为单一和固定，并不适合一些其他的光照度检测，这样一来导致系统的互换性和通用性较差；目前存在的恒光照明系统信号处理运算采用比较传统的简单PID控制算法，传统PID控制算法主要用于线性变量的控制，但是对复杂环境的光照控制在调节过程中会出现光照的闪烁和跳跃，调节不连续平滑，控制效果不好；目前的恒光控制器没有与人的交互接口，光照度被固定，人工不可调节到需要的光照度，交互性差。

可见，目前现有的技术存在控制效果不理想，互换性、通用性差，人机交互性差等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种智能照明的恒光控制系统，旨在解决现有恒光照明系统存在的互换性和通用性较差、控制效果不好的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种智能照明的恒光控制系统，该智能照明的恒光控制系统包括：光信号模块、光电传感器模块、光照度检测模块、驱动控制模块、光源模块、LCD显示屏、智能控制模块、键盘输入模块；

光信号模块，用于监测环境中的光照度信号；

光电传感器模块，与光信号模块连接，用于采集环境中光信号并转换为电信号并将电信号传给光照度检测模块；

光照度检测单模块，与光电传感器模块连接，接收来自光电传感器模块的电信号，用于把电信号转换为光的照度值，并把转换好的照度传给智能控制模块；

驱动控制模块，与智能控制模块连接，接收来自智能控制模块输出的控制信号，用于并把信号进行放大；

光源模块，与驱动控制模块连接，接收来自驱动控制模块的驱动信号，用于实现亮度的调节；

LCD显示屏模块，与智能控制模块连接，接收来自智能控制模块的信号，用于实时跟踪显示环境照度；

智能控制模块，接收来自光照度检测模块的照度值以及键盘信息的录入，用于将检测信号进行相应的滤波，并将进行滤波后的信号经过模糊智能PID算法，得到控制输出信号，并把输出信号一方面显示在LCD显示屏模块上，另一方面经驱动电路控制调节光源的亮度；

键盘输入模块，与智能控制模块连接，用于接收来自操作人员的光照度设定录入信息，并将录入信息传给智能控制模块。

进一步，光照度检测模块可使用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池元件。

进一步，该智能照明的恒光控制系统可外接一个按键键盘或触摸键盘及LCD显示屏。

进一步，智能控制模块的模糊智能PID算法具体的方法为：

步骤一，首先创建模糊控制规则表，根据检测到得环境光照度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，依据专家的知识库选择利用偏差e和偏差的变化(de／dt)来对控制输出值的基本论域进行调整；

偏差e和偏差变化(de／dt)的论域选为：e，de／dt={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de／dt={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，再根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法即可得到PID参数的在线模糊自整定值；

步骤二，智能PID算法的实现，控制器由模糊控制器和智能PID控制组成，设E0为控制阈值，当|e|>E0时，采用模糊控制器，当偏差比较大时，采用模糊控制器有利于加快调节速度，系统响应快，当0<|e|<E0时，采用模糊智能自整定PID控制，PID算法选择位置式不完全微分形式：

在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，K_P，K_I和K_D分别为基本的比例、积分和微分系数；

步骤三，模糊推理逻辑，模糊推理逻辑是利用人工调节时专家的知识对光照度的变化进行推理预测的，预测时，根据e和(de／dt)的当前值，按照模糊逻辑的规则进行推理：

C=(E_k×E_ck)·R_c

式中E_K为e的模糊子集，E_cK为(de／dt)e的模糊子集，R_c为通过实验建立模糊控制规则库。

本发明提供的智能照明的恒光控制系统，采用现代模糊技术和数字信号处理技术，实现了对照明环境的光照度自适应地调节到某一个设定的照度值。本发明采用通用化接口，提高了对各种类型光传感器的自适应，通过改变驱动控制模块，可适用于各类光源的控制，通用性较强；采用了模糊智能控制算法，提高了调节精度，在调节范围内能连续平滑的进行调节，调节的步距小，无闪烁和跳跃，具有较高调节品质；采用智能化交互接口，可以人工设定所需照度，并可通过显示屏实时的跟踪、监控环境的光照度变化。本发明结构简单，具有成本低，功耗低，体积小，可靠性高的优点，能使光源发光效能和节能效果达到最佳状态。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能照明的恒光控制系统结构示意图；

图中：1、光信号模块；2、光电传感器模块；3、光照度检测模块；4、驱动控制模块；5、光源模块；6、LCD显示屏；7、智能控制模块；8、键盘输入模块；

图2是本发明实施例提供的模糊智能PID算法原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的智能照明的恒光控制系统主要由光信号模块1、光电传感器模块2、光照度检测模块3、驱动控制模块4、光源模块5、LCD显示屏6、智能控制模块7、键盘输入模块8组成；

光信号模块1，用于监测环境中的光照度信号；

光电传感器模块2，与光信号模块1连接，用于采集环境中光信号并转换为电信号并将电信号传给光照度检测模块3；

光照度检测模块3，与光电传感器模块2连接，接收来自光电传感器模块2的电信号，用于把电信号转换为光的照度值，并把转换好的照度传给智能控制模块7；

驱动控制模块4，与智能控制模块7连接，接收来自智能控制模块7输出的控制信号，用于并把信号进行放大；

光源模块5，与驱动控制模块4连接，接收来自驱动控制模块4的驱动信号，用于实现亮度的调节；

LCD显示屏模块6，与智能控制模块7连接，接收来自智能控制模块7的信号，用于实时跟踪显示环境照度，便于人员观察，起着交互作用；

智能控制模块7，接收来自光照度检测模块3的照度值以及键盘信息的录入，用于将检测信号进行相应的滤波，并将进行滤波后的信号经过模糊智能PID算法，得到控制输出信号，并把输出信号一方面显示在LCD显示屏模块6上，另一方面经驱动电路控制调节光源的亮度；

键盘输入模块8，与智能控制模块7连接，用于接收来自操作人员的光照度设定录入信息，并将录入信息传给智能控制模块7。

智能控制模块7采用控制光照度的模糊智能PID算法，运用模糊推理技术，计算出PID的最优参数值，再通过PID算法计算出调节量送给控制信号输出模块，由控制信号输出模块产生一个适当的信号输出控制光源的亮度，由于采用模糊智能PID控制技术，因此与一般采用PID或变形PID的控制器相比具有超调小，过渡时间短，波动小等特点。

如图2所示，模糊智能PID算法原理图：

(1)首先创建模糊控制规则表，通过大量的实验表明，如果能够根据检测到得环境光照度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，可以明显提高光照度控制的精度和缩短过渡时间，因此需要依据专家的知识库通过实验选择一个基本论域的调整依据，通过分析发现，利用偏差e和偏差的变化(de／d t)来对控制输出值的基本论域进行调整，可以产生非常理想的结果，不仅可以缩短过渡时间，而且可以对环境光照度的变化迅速作出反应；

根据本发明的特点，偏差e和偏差变化(de／dt)的论域选为：e，de／dt={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de／dt={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，模糊智能控制的核心是通过大量专家和工程技术人员的经验，设计出模糊控制规则表，在根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法即可得到PID参数的在线模糊自整定值；

(2)智能PID算法的实现，控制器由模糊控制器和智能PID控制组成，设E0为控制阈值，当|e|>E0时，采用模糊控制器，当偏差比较大时，采用模糊控制器有利于加快调节速度，系统响应快，当0<|e|<E0时，采用模糊智能自整定PID控制，有利于系统消除静态误差和抑制干扰，PID算法选择位置式不完全微分形式：

采用不完全微分形式有利于减少微分对噪声的敏感而引起的波动，提高控制精度，缩短过渡时间，在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，K_P，K_I和K_D分别为基本的比例、积分和微分系数；

(3)模糊推理逻辑，模糊推理逻辑是利用人工调节时专家的知识对光照度的变化进行推理预测的，预测时，根据e和(de／dt)的当前值，按照模糊逻辑的规则进行推理：

C=(E_k×E_ck)·R_c

式中E_K为e的模糊子集，E_cK为(de／dt)e的模糊子集，R_c为通过实验建立模糊控制规则库，通过适当的建立专家知识库，可获得满意的控制效果：

1、光照度的控制范围：100Lx～1000Lx，可在该范围内连续调节，调节精度1Ix，

2、对每个照度点的控制精度为：+3Lx，

3、反应时间：2～4秒，

4、节能安全：系统使用低电压供电，功耗小于0.5W。

本发明的工作原理：

本发明运用了智能化控制技术和数字信号处理技术，实现一种智能化的恒光控制系统，以达到在某一特定光源下对照明环境的光照度自动地调节到某一恒定的照度值。本发明包括：光照度检测模块，智能控制模块，交互接口，驱动控制模块等模块构成。外部环境光的亮度和光波长的变化，可通过光电传感器转换为一个缓变的电压信号。光照度检测模块可使用任何一种光电传感器，如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等元件，通过智能控制模块输出的控制信号可对不同的光电传感器进行光信号采样。光照度检测模块输出的模拟信号送入智能控制模块，对模拟信号进行数字化处理，并运用智能化控制技术对该信号进行分析，判断照明环境的光照度是否发生变化，若是因外部环境光引起的光照度的变化，则根据光变化运用智能控制技术产生一个控制信号送给驱动控制模块，由驱动控制模块控制光源的发光强度，使得照明环境的外部环境光亮度和光源的亮度的总和保持在恒定值。如果照明环境总的照度不变，则该系统会产生一个恒定控制输出量，使光源亮度保持不变。

本发明还具有交互接口，可外接一个按键键盘或触摸键盘及LCD显示屏，通过键盘可选定所需的照度值，同时照明环境的光照度可通过LCD显示屏，实时地在屏上显示出来。

本发明运用了现代模糊技术和数字信号处理技术，实现了对照明环境的光照度自适应地调节到某一个设定的照度值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种智能照明的恒光控制系统，其特征在于，该智能照明的恒光控制系统包括：光信号模块、光电传感器模块、光照度检测模块、驱动控制模块、光源模块、LCD显示屏、智能控制模块、键盘输入模块；

光信号模块，用于监测环境中的光照度信号；

光电传感器模块，与光信号模块连接，用于采集环境中光信号并转换为电信号并将电信号传给光照度检测模块；

光照度检测模块，与光电传感器模块连接，接收来自光电传感器模块的电信号，用于把电信号转换为光的照度值，并把转换好的照度传给智能控制模块；

驱动控制模块，与智能控制模块连接，接收来自智能控制模块输出的控制信号，用于把信号进行放大；

光源模块，与驱动控制模块连接，接收来自驱动控制模块的驱动信号，用于实现亮度的调节；

LCD显示屏模块，与智能控制模块连接，接收来自智能控制模块的信号，用于实时跟踪显示环境照度；

智能控制模块，接收来自光照度检测模块的照度值以及键盘信息的录入，用于将检测信号进行相应的滤波，并将进行滤波后的信号经过模糊智能PID算法，得到控制输出信号，并把输出信号一方面显示在LCD显示屏模块上，另一方面经驱动电路控制调节光源的亮度；

键盘输入模块，与智能控制模块连接，用于接收来自操作人员的光照度设定录入信息，并将录入信息传给智能控制模块；

智能控制模块中还包括：数字滤波器模块、模糊智能控制模块，数字滤波器模块，与光照度检测模块连接，用于将光照度检测模块的输出信号滤除干扰信号；

模糊智能控制模块，与数字滤波器模块连接，用于对滤除干扰的信号进行计算；

该智能照明的恒光控制系统可外接一个按键键盘或触摸键盘及LCD显示屏；

智能控制模块的模糊智能PID算法具体的方法为：

步骤一，首先创建模糊控制规则表，根据检测到得环境光照度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，依据专家的知识库选择利用偏差e和偏差的变化(de/dt)来对控制输出值的基本论域进行调整；

偏差e和偏差变化(de/dt)的论域选为：e，de/dt＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de/dt＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，再根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法即可得到PID参数的在线模糊自整定值；

步骤二，智能PID算法的实现，控制器由模糊控制器和智能PID控制组成，设E0为控制阈值，当|e|>E0时，采用模糊控制器，当偏差比较大时，采用模糊控制器有利于加快调节速度，系统响应快，当0<|e|<E0时，采用模糊智能自整定PID控制，PID算法选择位置式不完全微分形式：

$u_k=K_p{e}_k+K_I\underset{i=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}{e}_i+u_k^D$

$u_k^D=\frac{t_f}{t_f+T_0}{u}_{k-1}^D+\frac{K_D}{t_f+T_0}(e_k-e_{k-1})$

在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

$\begin{array}{cc}{K}_j={\mathrm{\&alpha;}}_j{K}_j^0& j=P,I,D\end{array}$

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，Ki、Kp和Kd分别为基本的比例、积分和微分系数；

步骤三，模糊推理逻辑，模糊推理逻辑是利用人工调节时专家的知识对光照度的变化进行推理预测的，预测时，根据e和(de/dt)的当前值，按照模糊逻辑的规则进行推理：

C＝(E_k×E_ck)·R_c

式中E_k为e的模糊子集，E_ck为(de/dt)e的模糊子集，R_c为通过实验建立模糊控制规则库。