CN110290615B - 一种基于光辐射理论及pwm调光原理的照度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法，采用了由控制器、驱动器、可调LED光源和照度传感器组成的照明系统，包括如下步骤：S1、定义控制步；S2、测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；S3、确定占空比D_n,2；S4、LED光源的亮度调节。本发明基于光辐射理论与PWM调光原理，利用LED光源的快速开关特性，提出一种照度控制方法，运算量小，适应性强，所需的控制参数都可事先明确，控制过程不需要参数整定，不依赖经验。

Description

一种基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法

技术领域

本发明涉及日光响应照明的技术领域，更具体地说，涉及一种基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法。

背景技术

日光响应照明能根据日光调整电灯亮度，在日光不足时段对日光进行补充，稳定工作面照度的照明方法。通常需要自动控制技术的支持。目前，闭环的照度控制通常采用PID控制，模糊控制等。在PID控制和模糊控制中，分为三个时段进行控制即采样时段、计算时段与输出时段。三个时段为三个控制步，其中，控制步是计算机控制也就是数字控制的一个术语，数字控制把整个时间分为无数个等长的时段，每个时间段完成采样，计算与输出三个操作(这三个操作分别对应三个时段)完成控制过程。

其中，PID控制需要分别对偏差进行比例、微分与积分运算，运算之前需要确定比例运算的系数、微分运算系数和积分运算的系数，根据运算结果控制照度，这种控制方式的运算量非常大，需要参数整定。模糊控制需要通过隶属函数对照度进行模糊化与解模糊化操作，通过if…then…模糊控制规则进行控制，过程较为复杂。PID控制与模糊控制均需要通过现场的多次实验确定控制参数，参数的确定依赖人的经验，耗时费力。

发明内容

本发明的目的是解决上述常用闭环控制的运算量大、参数需要整定并依赖人的经验，耗时费力的问题。

本发明提供一种基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法，采用了由控制器、驱动器、可调LED光源和照度传感器组成的照明系统，包括如下步骤：

S1、定义控制步；

定义控制步为n；n＝1，2，……；

S2、测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；

将所述照度传感器设置在工作面上并测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；

其中，S1所述的混合照度E_n,C为实时日光照度E_D与所述可调LED光源实时产生的灯光照度E_L相叠加的照度；

S3、确定占空比D_n,2；

令S1中所述控制步n的总时长为T_n，将T_n分为两个时段，分别为时段T_n,1和时段T_n,2；所述时段T_n,1的占空比为D_n,1，所述时段T_n,2的占空比为D_n,2；

所述占空比为D_n,1与占空比D_n,2的关系如下式(1)：

所述占空比D_n,1与所述占空比D_n,2通过下式(1)按照式(2)的递推关系确定；

D_ini在取值范围为区间[0,1]，取0，0.1,0.2中的任一值；

D_n,2---------控制步n的第二时段T_n,2的调光占空比；

E_EXP--------期望照度；

E_{L_MAX}-----最大灯光照度，通过现场测量方便的得到；

D_n,1---------控制步n的第一时段T_n,1的调光占空比；

D-----------整体占空比，D＝T_n,2/T_n；

E_n,C--------S1中所述控制步n的混合照度；

由于占空比是小于等于1，大于等于0的数，在上述式(2)的迭代过程中计算得到的任一占空比大于1时则令其等于1，得到的任一占空比小于0时则令其为0；

S4、LED光源的亮度调节；

S3中所述占空比D_n,2数值输入所述控制器转换成占空比D_n,2的PWM调光信号；所述的PWM调光信号输入所述驱动器中，所述驱动器输出调节信号传输至所述可调LED光源进行亮度调节。

优选的是，所述时段T_n,1包括测量时间t_test，占空比计算时间t_cal，延时时间t_dly；所述时段T_n,1分别完成测量与计算功能。

优选的是，所述占空比D_n,2在所述时段T_n,1的计算时间t_cal内得出。

本发明的优点：本发明基于光辐射理论与PWM调光原理，利用LED光源的快速开关特性，提出一种照度控制方法，将控制步n划分为两个时段T_n,1和T_n,2，时段T_n,1完成测量与计算，时段T_n,2输出调光信号，从而实现稳定工作面的照度无限接近期望照度E_EXP的控制。本发明的方法运算量小，适应性强，所需的控制参数都可事先明确，控制过程不需要参数整定，不依赖经验。

附图说明

图1是本发明所述的照明系统框图。

图2控制步的定义图。

图3本发明所述的智能LED驱动器框图。

图4本发明实施例的系统工作流程图。

图5本发明实施例的自校准流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用了由控制器、驱动器、可调LED光源和照度传感器组成的照明系统，本发明所述的照度控制方法包括如下步骤：

S1、定义控制步；

定义控制步为n；n＝1，2，……；

S2、测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；

将所述照度传感器设置在工作面上并测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；工作面可以是任何需要保持照度恒定的表面，如书桌面，办公桌面等。其中，S1中所述的混合照度E_n,C为实时日光照度E_D与所述可调LED光源实时产生的灯光照度E_L相叠加的照度；

当日光与灯光同时存在时，照度传感器就会测量出日光与灯光两者相叠加的混合照度E_n,C，当只有灯光时，传感器只能测量得到灯光照度E_L，只有日光时，传感器只能得到日光照度E_D。

S3、确定占空比D_n,2；

如图2所示，令S1中所述控制步n的总时长为T_n，将T_n分为两个时段，分别为时段T_n,1和时段T_n,2；T_n,1和T_n,2的时段的划分并无特别的规定，两个时段的时长比，决定了整体占空比D，如，当两者相等时D＝0.5。占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。

所述时段T_n,1的占空比为D_n,1，所述时段T_n,2的占空比为D_n,2；所述时段T_n,1包括测量时间t_test，占空比计算时间t_cal，延时时间t_dly；所述时段T_n,1在测量时间t_test，占空比计算时间t_cal分别完成测量与计算功能，其中延时时间t_dly用于调整时段T_n,1。所述占空比D_n,2在所述时段T_n,1的计算时间t_cal内得出；

所述占空比为D_n,1与占空比D_n,2的关系如下式(1)：

所述占空比D_n,1与所述占空比D_n,2通过下式(1)按照式(2)的递推关系确定；

D_ini在取值范围为区间[0,1]，取0，0.1,0.2中的任一值；

D_n,2---------控制步n的第二时段T_n,2的调光占空比；

E_EXP--------期望照度；

E_{L_MAX}-----最大灯光照度，通过现场测量方便的得到；

D_n,1---------控制步n的第一时段T_n,1的调光占空比；

D-----------整体占空比，D＝T_n,2/T_n；

E_n,C--------S1中所述控制步n的混合照度；

由于占空比是小于等于1，大于等于0的数，在上述式(2)的迭代过程中计算得到的任一占空比大于1时则令其等于1，得到的任一占空比小于0时则令其为0。

本发明中控制器的程序的设计是要根据控制步顺序的完成控制步定义的内容。式(1)中，整体占空比D是自定义得到的，例如，整体占空比D取0.5。E_EXP可根据需要进行设置，E_n,C是在每个控制步都要测量的，E_{L_MAX}是现场开灯时测量的。

这说明若要控制步n的照度达到期望照度，只需用在时段T_n,1测量得到的混合照度测量值E_n,C通过式(1)计算出控制步n的时段T_n,2时的调光占空比D_n,2。这样，若干个控制步1～n按照式(2)确定的递推关系确定占空比D_n,2便可实现等照度照明。该计算在控制步n第1时段T_n,1的t_cal时段内完成的。

S4、LED光源的亮度调节；

S3中所述占空比D_n,2数值输入所述控制器转换成占空比D_n,2的PWM调光信号(此处转换方法涉及到微控制器PWM单元的工作原理，已公开)；所述的PWM调光信号输入所述驱动器中，所述驱动器输出调节信号传输至所述可调LED光源进行亮度调节。

这样，若干个控制步1～n按照式(2)确定的递推关系确定占空比D_n,2便可实现等照度照明。

本发明通过式(1)直接计算出占空比D_n,2，然后通过混合照度与期望照度的差值进行灯光亮度的控制。占空比D_n,2根据每个控制步平均照度相等的原则得到的，也就是说，根据计算出的占空比就可以实现等照度控制了。

本发明中的控制器是一个单片机，包括很多外围设备，如串口，AD，各种通信接口，PWM单元等，例如，国产微控制器STC15F2K60S2。PWM单元内输入占空比D_n,2后就可以输出一个PWM信号。

控制器输出PWM信号的原理如下：控制器内预先设置了PWM信号的周期(即原则上可以随意指定，但是为了使人感觉不到闪烁，PWM信号周期至多为10ms)，根据公式：

占空比＝高电平持续时间(低电平持续时间)/PWM信号周期

向控制器输入占空比D_n,2即可分别计算出高电平(有电压输出)持续时间，与低电平(无电压输出)持续时间，然后根据这两个时间就可以通过控制器内专用的PWM单元，控制输出一个PWM信号。

实施例：

照明系统主要控制器，驱动器，LED光源和照度传感器组成。如图3所示，驱动器采用智能LED驱动器，由供电单元，处理单元，传感单元和LED驱动单元构成；照明系统由市电供电，经供电单元分别转换为处理单元，传感单元和LED驱动单元的工作电压，为它们供电。智能LED驱动器采用HV9910驱动器，控制器采用STC15F单片机，照度传感器采用照度传感器TEMT6000。

令D_1,1＝D_ini初始值为0.1，期望照度E_EXP＝1000lx，测得的灯光最大照度E_{L_MAX}＝3000lx，D＝0.5(控制步时段分为两个相等的时段)，照度测量值E_1,C＝500lx

将上述数值代入(2)中:

D_1,1＝D_ini＝0.1

D_1,2＝(1000+3000×0.1×0.5-500)/(3000×0.5)

则计算得到D_1,2＝0.4

D_2,1＝D_1,2＝0.4，

D_2,1代入(6)中的D_2,2

D_2,2＝(1000+3000×0.4×0.5-500)/(3000×0.5)

则计算得到D_2,2＝0.7

……

依此类推

注：此处迭代结果根据图4所示的过程决定，这个迭代过程是否结束，取决于所测量的照度值，如果测量照度小于期望照度，这个迭代就会进行去。因此，最后结果是什么不确定，结果是什么取决于当前照度情况，但占空比应该是小于等于1，大于等于0的，如果迭代过程中所得占空比不在上述范围，强制它们在[0,1]内。

本发明的工作流程如图4所示，测量照度大于期望照度，返回重新测量，直至测量照度小于期望照度后，进行迭代计算出D_n,2的数值并输出PWM信号调光，直至完成一个调节过程。直至工作面的照度无限接近期望照度E_EXP的控制。初始化的内容包括控制步的控制周期T，整体占空比D，期望照度E_EXP，初始占空比D_ini。

如图5所示，本实施例中的自校准过程：得到灯光的最大照度，确立调光占空比与调光照度的映射关系。该过程在每次启动控制系统后运行。以消除由于LED光源的光衰减导致的照度下降，从而影响照度控制的精度。自校准能自动建立照度与传感器位置的对应关系。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法，采用了由控制器、驱动器、可调LED光源和照度传感器组成的照明系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、定义控制步；

定义控制步为n；n＝1，2，……；

S2、测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；

将所述照度传感器设置在工作面上并测量S1中所述控制步n的混合照度E_n,C；

其中，所述混合照度E_n,C为实时日光照度E_D与所述可调LED光源实时产生的灯光照度E_L相叠加的照度；

S3、确定占空比D_n,2；

令S1中所述控制步n的总时长为T_n，将T_n分为两个时段，分别为时段T_n,1和时段T_n,2；所述时段T_n,1的占空比为D_n,1，所述时段T_n,2的占空比为D_n,2；

所述占空比为D_n,1与占空比D_n,2的关系如下式(1)：

所述占空比D_n,1与所述占空比D_n,2通过下式(1)按照式(2)的递推关系确定；

D_ini在取值范围为区间[0,1]，取0，0.1,0.2中的任一值；

D_n,2---------控制步n的第二时段T_n,2的调光占空比；

E_EXP--------期望照度；

E_{L_MAX}-----最大灯光照度，通过现场测量方便的得到；

D_n,1---------控制步n的第一时段T_n,1的调光占空比；

D-----------整体占空比，D＝T_n,2/T_n；

E_n,C--------S1中所述控制步n的混合照度；

由于占空比是小于等于1，大于等于0的数，在上述式(2)的迭代过程中计算得到的任一占空比大于1时则令其等于1，得到的任一占空比小于0时则令其为0；

S4、LED光源的亮度调节；

S3中所述占空比D_n,2数值输入所述控制器转换成占空比D_n,2的PWM调光信号；所述的PWM调光信号输入所述驱动器中，所述驱动器输出调节信号传输至所述可调LED光源进行亮度调节。

2.根据权利要求1所述的基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法，其特征在于，所述时段Tn,1包括测量时间ttest，占空比计算时间tcal，延时时间tdly；所述时段Tn,1分别完成测量与计算功能。

3.根据权利要求1所述的基于光辐射理论及PWM调光原理的照度控制方法,其特征在于，所述占空比Dn,2在所述时段Tn,1的计算时间tcal内得出。

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