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采用二維模糊控制器和C8051單片機實現(xiàn)室內(nèi)自然采光系統(tǒng)的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:照明工程學(xué)報 ? 作者:吳春澤 , 朱思莉 ? 2020-05-21 08:00 ? 次閱讀

1、 引言

從遠古的篝火、油燈到蠟燭、白熾燈,再到今天千家萬戶的熒光燈,人類已經(jīng)基本適應(yīng)了人工光源的室內(nèi)照明環(huán)境。但是由于千萬年來的環(huán)境影響,自然光仍然是人類最習(xí)慣、感覺最舒適的光源,自然采光一直受到建筑師和照明設(shè)計師的高度重視。當今社會建筑的節(jié)能環(huán)保需求更對自然采光照明提出了進一步的要求?!督ㄖ晒庠O(shè)計標準》

中的國家技術(shù)經(jīng)濟政策指出: 建筑設(shè)計要充分利用天然光,創(chuàng)造良好的光環(huán)境。

對室內(nèi)照明自然采光的研究具有重要的意義:

(1) 資料表明,照明用電占整個商業(yè)建筑能耗的25 - 40% ,而自然采光在特定的情況下可以節(jié)省52% 的照明用電,大大節(jié)約了能源。

(2) 相關(guān)研究表明,人在自然光條件下工作,可以增加滿意度和提高工作效率。保證正常的生理節(jié)奏,防止季節(jié)性情緒失調(diào)等癥狀。

(3) 自然采光的工作照度水平及其均勻度對視覺疲勞有著重要影響。

目前對自然采光的研究主要集中在CIE 標準天空模型、建筑及照明自動控制方面。由于自然光具有隨機性、易變性,而且應(yīng)用場所的格局、朝向具有多樣性,因此本文引用模糊控制的方式,結(jié)合人體工效學(xué)思想,探測窗臺內(nèi)外關(guān)鍵點照度值,對自然光變化進行了模糊邏輯推理判斷,使遮光器件的調(diào)節(jié)更合理更人性化。同時區(qū)別于一般窗簾僅在高度維度上的控制,增加了對百葉角度的控制,控制自然光進入室內(nèi)的強度及角度,合理的進行自然采光,以提高辦公效率及辦公環(huán)境的舒適度,增加居住工作人員對室內(nèi)環(huán)境的滿意度。

2、 模糊控制理論

模糊控制是以模糊*論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。能避開對象的數(shù)學(xué)模型,將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量值,此相應(yīng)語言變量值均由對應(yīng)的隸屬度來定義,適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對象,其結(jié)構(gòu)參數(shù)不是很清楚,或難以求得,只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗或知識。作為一種語言變量控制器,其控制規(guī)則只用語言變量形式定性的表達,構(gòu)成了被控對象的模糊模型。

模糊控制的基本原理由圖1 表示,其核心部分為模糊控制器,即將輸入變量模糊化和輸出變量的去模糊化過程,如圖虛線框中部分所示。計算機通過采樣獲得控制量的精確值,然后將此量與給定值比較得到的誤差信號E。一般選取誤差信號E 作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化,用相應(yīng)的模糊語言表示。得到誤差E 的模糊語言*的一個子集e。在有e 和模糊規(guī)則R( 模糊關(guān)系) 根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策,得到模糊控制量u 為:

采用二維模糊控制器和C8051單片機實現(xiàn)室內(nèi)自然采光系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 模糊控制系統(tǒng)原理圖

3、 室內(nèi)自然采光模糊控制策略

3. 1 控制策略

本系統(tǒng)采用側(cè)窗采光系統(tǒng),即在房間的一側(cè)或兩側(cè)上開采光窗口, 使用可調(diào)節(jié)百葉窗, 采用Delphi 法( 專家法)對遮光百葉進行自然采光模糊控制,解決自然光隨機性、干擾因素多等問題。

自然光的影響因素較為復(fù)雜,很多干擾難以用數(shù)學(xué)算式統(tǒng)一表達。夏天太陽太強烈時,過度的自然光容易引起不舒適; 云朵飄過、樹影浮動都會對自然光照度有較大影響,如果及時反應(yīng),遮光百葉需要頻繁地轉(zhuǎn)動,有時噪音比較大,影響室內(nèi)人員工作和休息。因此本系統(tǒng)引入人體工效學(xué)思想,結(jié)合模糊邏輯推理,合理控制遮光百葉的調(diào)節(jié)。

我們首先對側(cè)窗采光系統(tǒng)進行室內(nèi)照度分布測量,分析典型晴天、陰天等天氣情況下一天中室內(nèi)的照度分布及照度變化情況,并總結(jié)其規(guī)律,找到能反映當前室內(nèi)照度與外界天氣情況以及窗臺照度關(guān)系的一個或幾個點,并定義為關(guān)鍵點,探測關(guān)鍵點的照度值以及照度值變化和變化快慢,從而對百葉角度βb 進行調(diào)節(jié)( 以5 度為最小調(diào)節(jié)量)。

針對直射光,我們設(shè)定一個閾值,當光照強度超過閾值時,拒絕自然采光。自然光較強時( 水平遮陽百葉) 將直射日光反射到頂棚區(qū)域,形成漫反射,既保證了照度均勻以及人員與外界的視覺溝通,又避免了眩光。當且僅當太陽光的變化情況達到了我們需要的調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)電動百葉才做出反應(yīng)。如果照度變化發(fā)生且變化較慢時,做出百葉調(diào)節(jié),照度值增加則百葉角度變小,照度值減小則百葉角度變大以增加采光; 如果照度變化且變化快時,判斷為云朵或者樹影干擾,不做出窗簾調(diào)節(jié)。

3. 2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

我們采用模糊統(tǒng)計法及專家經(jīng)驗法進行隸屬函數(shù)的確定??刂埔?guī)則的建立和參數(shù)的賦值,是在對我們選取的標準采光室的室內(nèi)照度分布測量數(shù)據(jù)和復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)等建筑院系照明研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上完成的。

本控制器為二維模糊控制器: 輸入變量為誤差△E 和誤差的變化量為CE; 輸出變量為控制量μ。

對誤差△E,誤差變化量CE 及控制量μ 的模糊集定義如下:

誤差△E,誤差變化量CE 及控制量μ 的模糊集均為:

{ 負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}

用英文字頭縮寫為{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}。

以此建立模糊規(guī)則表如表1 所示。

注: 表格中列CE 由0 到PB 表示照度從小變大, 由0 到NB 變化表示照度從大變小。

表格中行△E 由0 到PB 表示照度按一定速度向照度增大的方向變化,由0 到NB 變化表示照度按一定的速度向照度減小的方向變化。

控制量μ 表示具體調(diào)節(jié)尺度( NB,NM,NS,0,PS,PM,PB)。

0 表示不調(diào)節(jié),系統(tǒng)處于空閑即監(jiān)視采樣狀態(tài)。

鑒于窗簾控制的精確度要求不需要過高,因此本文并未區(qū)分誤差變化中N0 ( 正零) 和P0 ( 負零) 的區(qū)別。

3. 3 模糊規(guī)則確定

對于誤差△E,誤差變化CE 和控制量μ 的論域定義如下:

誤差△E,誤差變化CE 的論域都為:

{ - 5, - 4, - 3, - 2, - 1,0,1,2,3,4,5}

μ 的論域為:

{0,1}

根據(jù)室內(nèi)照度分布研究結(jié)果,我們將室內(nèi)照度值離散化,以50lx 為梯度,劃分為11 檔{ - 300,- 200, - 150, - 100, - 50,0,50,100,150,200,300} ,并對應(yīng)簡化為E = { - 5, - 4, - 3,- 2, - 1,0,1,2,3,4,5}。當值不屬于該*時,用四舍五入法將其歸入最接近的整數(shù),例如4.5 - > 5. 0,2. 7 - > 3. 0。這種粗略的模糊化方式是符合人腦對模糊信息的處理習(xí)慣的。

其中照度在- 50 到50 之間變化時對人對室內(nèi)照度變化的感受并不明顯,故屬于變化負小、正小。

照度變化為150 左右時,由于個體差異,部分人的經(jīng)驗認為有影響,部分人認為影響不明顯,但變化達到200 以上時大部分人都認為影響是明顯的,故- 200, - 150, - 100 及100、150、200 為中等變化范疇,再根據(jù)經(jīng)驗判斷每個數(shù)值的隸屬度,也即其對室內(nèi)照度影響的具體程度大小,具體參見表2。

表2 模糊變量E 賦值表

CE 所對應(yīng)的*{ - 5, - 4, - 3, - 2, - 1,0,1,2,3,4,5} 分別表示照度單位采樣時間內(nèi)的變化情況。照度減小的程度從大到小對應(yīng)- 5 到- 4; 照度增大的程度從大到小對應(yīng)1 到5。用來反映誤差的變化趨勢及變化程度,從而判斷照度的變化是干擾還是不可逆轉(zhuǎn)的改變。依據(jù)照度差值的變化,以及工效學(xué)中人對于照度感受值的體驗,可以確定照度變化值的CE 賦值表。其中的誤差的變化CE 由dE/dt得到,引入原理如圖2 所示:

ωmax為采樣信號的上限角頻率, 在此范圍中,采樣周期越小就越接近連續(xù)控制,但考慮到電動窗簾的響應(yīng)時間,本文將采樣頻率定為5 次/ 分鐘,T= 12s。

3. 4 模糊規(guī)則的合成

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)計算法則及合成規(guī)則,設(shè)合成后的控制規(guī)則隸屬函數(shù)為μ ( u)。

由于控制量μ 的*U 在本設(shè)計中論域為經(jīng)典*的論域{ 0,1 } , 故經(jīng)公式4 合成, 同時結(jié)合實際情況和經(jīng)驗值調(diào)整后得到如表3 所示。

輸出量的去模糊化采用最大從屬度法,并結(jié)合具體控制方式模糊*被精確化,由此可得執(zhí)行結(jié)果,選擇是否對窗簾進行調(diào)節(jié)。

3. 5 系統(tǒng)模糊控制流程

根據(jù)上述模糊規(guī)則的設(shè)置,我們設(shè)計了如下圖3 所示的模糊控制程序流程圖。

系統(tǒng)首先對關(guān)鍵點照度進行監(jiān)控,當照度發(fā)生變化時,通過模糊判斷該變化是干擾量還是需要調(diào)節(jié)的變量。首先以一分鐘為時間節(jié)點,主控單元通過傳感器獲得五次采樣的照度值。通過依次計算相鄰兩個數(shù)據(jù)之間的差值,判斷照度的大小變化。差值為正表示照度變大,差值為負表示照度變小。僅當五次的變化同為正或同為負時,也即一分鐘內(nèi)照度的變化趨勢一致時,用第五次采樣的值與第一次采樣的照度值之差作為CE 的值。用五次差值的平均值作為模糊規(guī)則中的ΔE。根據(jù)前面規(guī)定的模糊控制規(guī)則,程序可以通過調(diào)用相應(yīng)的窗簾調(diào)節(jié)子程序完成相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作。

根據(jù)上述程序流程,在每次模糊判別的子程序中,系統(tǒng)通過判斷照度誤差△E,誤差變化情況CE的值,判別當前室外照度變化是否屬于外界干擾,若不屬于干擾應(yīng)采取何種調(diào)節(jié)方式。輸出量的去模糊化采用最大從屬度法,具體表現(xiàn)為當時進行調(diào)節(jié),并結(jié)合具體控制方式模糊*被精確化,其執(zhí)行結(jié)果如表4 所示。

實驗結(jié)果顯示,當外界照度變化小于設(shè)定值時,系統(tǒng)不進行調(diào)節(jié)。當外界照度變化超過設(shè)定值,但是變化速度較快,而且在預(yù)設(shè)時間內(nèi)照度恢復(fù)到接近原值時,系統(tǒng)判定為外界干擾,不進行調(diào)節(jié),這樣可以避免很多情況下的無意義操作,極大地降低了外界干擾對自然采光照明的影響。只有在外界照度持續(xù)變化,且單向改變的情況下,系統(tǒng)作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。該控制方式使系統(tǒng)準備性得到了極大地提高,并且減少了很多的干擾波動,使用戶感覺更為舒適與人性化。

4、 結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)標準確定了自然采光的模糊控制策略,根據(jù)室內(nèi)照度變化的情況,利用Delphi 專家法確定了模糊變量的隸屬度函數(shù),以室內(nèi)關(guān)鍵點的照度變化為控制變量,并進行了變量的模糊化處理和模糊控制。

經(jīng)過原理性試驗, 我們設(shè)計了基于C8051 單片機芯片的自然采光控制器, 并將百葉控制與智能照明控制相結(jié)合, 取得了較好的實驗結(jié)果。模糊控制具有很強的魯棒性, 可以很好的避免干擾出現(xiàn)時窗簾的頻繁移動, 并且模糊算法與工效學(xué)結(jié)合,可以更好的符合人體對自然采光的感受以及控制行為。

自然采光可以充分的利用陽光資源,除了節(jié)能環(huán)保之外,還更符合人體舒適性感受。綜上所述,自然采光與模糊控制的結(jié)合是非常有應(yīng)用價值的。


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