基于PWM在LED智能系统中的控制算法研究.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术基于PWM在LED智能系统中的控制算法研究齐芳平石晔崔志威王辉朱澈淮河能源集团煤层气开发利用公司摘要：由于LED灯被广泛应用，为了实现社会节能减排，其节能尤为重要。设计了一种LED节能控制系统，并实行了一种优化智能算法处理传感器的反馈信息，能够更好地实现LED灯的节能控制。使用传感器检测人员行为和环境参数，利用智能算法对检测的数据进行处理，通过PWM调控LED灯的照度。该算法能够真实有效地控制LED灯的使用，并节约大量的电能。实验表明，该算法在LED节能控制系统中的使用能节约45%左右的电能，实现了LED灯智能化的节能控制。关键词：节能减排;PWM调控;智能算法;节能控制DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.11.016Research on Control Algorithm Based on PWM in LEDIntelligent SystemQI Fangping,SHI Ye,CUI Zhiwei,WANG Hui,ZHU CheHuaihe Energy Group Coalbed Methane Development and Utilization CompanyAbstract:Due to the widespread use of LED lights,energy saving is particularly important to achievesocial energy conservation and emission reduction.An LED energy saving control system is designed,and an optimized intelligent algorithm is implemented to process sensor feedback information,whichcan better achieve energy-saving control of LED lights.Sensors are used to detect human behaviorand environmental parameters,and intelligent algorithms are used to process the detected data.The收稿日期：2023-04-25作者简介：齐芳平（1982-05-），女，本科，高级工程师，主要从事煤层气（煤矿瓦斯气）加工利用等相关工作石晔（1982-05-），男，本科，高级工程师，主要从事煤层气（煤矿瓦斯气）加工利用等相关工作崔志威（1981-06-），男，本科，高级工程师，主要从事煤层气（煤矿瓦斯气）加工利用等相关工作王辉（1986-01-），男，本科，工程师，主要从事煤层气（煤矿瓦斯气）加工利用等相关工作朱澈（1999-08-），男，本科，主要从事煤层气（煤矿瓦斯气）加工利用等相关工作1692SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 11 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术0 引言照明占世界总能源20%左右。商业和写字楼占总能源使用量约71%，其中18%是用于照明。在典型的办公建筑内，依据不同的地理位置，能耗总量已从100至1 000 kWh/m2，办公能耗主要为空调能耗、照明能耗和插座负载等1。节约能源已经成为当今最重要的问题之一，浪费能源的最大因素是设备的低效使用。研究表明现代建筑节能潜力很大，电气照明是节能减排过程中一个很大的关键点，有着高效的节能潜力，同时改造相对简单。在办公建筑中，已逐步使用照明节能系统，从而代替一些过时的照明系统，提高能源使用效率2。智能照明系统通过集成传感器在闭环控制系统中提供反馈数据来实现节能控制。通常使用人员检测传感器用于监测用户的行为状态，通过判断用户是否在其环境中，从而对灯具进行有效的控制。但由于传感器数据的输入，特别是在控制系统未进行优化或调整的情况下，会有显著的不确定性，会造成用户不健康的生理反应。除此之外，通过日光采集和自动调光技术也可以提高能源节约潜力。日光收集利用了建筑物光圈的自然光，以配合灯具的人工照明，以减少达到一定照度所需的亮度。当办公空间内获得足够的日光时，光照节能控制系统能够很有效地进行控制节能。据报道，光照节能控制系统对于灯具的节能率通常在40%以上；然而，节能有效性是高度依赖于多种因素，包括：高度和方向，窗口特性，阴影装置，表面反射，天花板高度和隔断高度。结果表明，日光采集系统的真实数据比仿真数据在节能效果中要低很多3-4。通常，提高节能性能可以通过组合多个节能技术实现一个节能控制系统。在节能系统中，要考虑到用户的使用情况和对日光的使用效率。因此，很有必要验证节能系统在真实环境下的节能效果，而不是仅仅通过仿真得到不同环境下的节能数据。此外，通过优化和校准控制器，确保系统性能最优5-6。对于控制器的优化是保证系统性能的重要步骤。在工业过程控制系统和电力系统平衡模型中通常采用模型预测控制。这种控制方法优化了有限时间范围，而只执行当前时隙。在这方面的研究包括对于开环稳定系统提高模型预测控制器的稳定性和基于FPGA实现模型预测控制器，提高实时计算性能7-8。另一种常用的优化方法是爬山优化算法，它是一种迭代算法，每次迭代期间递增的更改单个元素寻找最优解。爬山算法能相对简单地在搜索空间中找到一个局部最优解。研究表明，随机爬山优化算法在照明控制中是非常有效的9。为了实现更大的能源节约，本文采用多种节能技术，实现和优化照明节能控制器。利用一种智能控制算法，实现了控制器控制性能的优化，能有效提高电力节能。1 LED节能控制系统设计为建筑节能提供一个好的技术，设计了一种LED节能控制系统，并通过更大程度的控制方式能够节约大量的电能。在节能控制系统中，选择ARMbrightness of the LED lights is regulated by PWM.This algorithm can truly and effectively control theuse of LED lights and save a lot of energy.Experiments show that the algorithm can save about 45%ofthe energy in the LED energy saving control system,and realize the intelligent energy saving control ofLED lights.Key words:Energy Saving and Emission Reduction;PWM Regulation;Intelligent Algorithm;EnergySaving Control基于PWM在LED智能系统中的控制算法研究1693SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术系列中STM32单片机作为控制核心，使用PIR红外传感器测量人员是否在灯光范围内的红外光辐射反馈信息和使用TEMT6000光敏传感器用于检测灯光范围内的光照强度，使用ATT7053BU电表芯片监测LED灯的电能参数。节能控制器的框架图见图1。图1 节能控制器的框架图使用PIR红外传感器，当一个人经过传感器的检测范围内，传感器将变化的红外辐射信号转化为电压信号，传输到控制核心中，从而判断人员的行为。如果人员在传感器的检测范围内，传感器返回逻辑高信号；如果人员不在传感器检测范围，可以设置一个延时，让光源输出降到0。一个合适的延时，能节约大量的电能。使用TEMT6000光敏传感器检测环境内的光照强度，它由一个高灵敏可见光光敏（NPN型）三极管构成，可以将捕获的微小光线变化并放大100倍左右，并进行AD转换为电压信号。TEMT6000对可见光照度的反应特性与人眼的特性类似，可以模拟人对环境光线的强度的判断，从而方便做出与人友好互动的应用10。如图2所示，TEMT6000环境光传感器，可以测量入射照度达1 000 lux的峰值灵敏度在570 nm，与光照灵敏度曲线相适应的匹配人眼的反应性。白天，人员可选择将窗帘打开，让阳光照亮房间。在这种情况下，人工照明可能是多余的，因为室内有足够多的环境光来照亮工作空间。我们可以利用周围的光线来补充现有的照明，这是一种日光收集的技术。这样可以避免灯具不需要启动到最大亮度，从而节约大量的电能。图2 TEMT6000环境光传感器在可见光区域的相对光谱响应2 系统的控制流程与算法通过PIR传感器监测用户行为，同时需要监测工作环境中的光照是否满足人体舒适，实现了一个基于传感器反馈的自动调节灯具状态的控制系统。节能控制系统运行流程见图3。图3 节能控制系统运行流程图通过用户输入到控制系统的目标亮度(SP)、增益(K)、滞后(H)、延时()、采样周期(T)和传感器检测参数以及输入到控制系统中用户状态M(t)和测得的亮度PV(t)来控制系统达到最优状态。表1为节能控制系统的输入参数。1694SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 11 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术表1 控制系统参数输入表变量目标亮度增益误差延迟采集时间人员状态测量光照变量符号SPKHTM(t)PV(t)变量描述人眼最适应的光照强度每个时钟输出占空比的步长可接受检测亮度与目标亮度的误差范围传感器返回信号与灯具关闭之间的时间延迟采样时间间隔PIR传感器的状态光照传感器所采集的当前光照强度目标亮度SP是随用户设定的固定值，并存储在单片机中。基于输入信号参数控制器调整PWM信号d(t)，并将其发送给PWM驱动器。为了防止LED色谱偏移和灯光闪烁，PWM调光式选择恒流源调光11-13。通过改变PWM信号的占空比d(t)，控制器可以调节LED灯串的电流，使LED灯照明达到目标亮度。控制器测量占空比为一个8位无符号整数（0255）。PWM的频率必须达到200 Hz以上，不然会造成灯光的闪烁，引发用户头疼、恶心等生理反应。节能控制系统在控制过程中需要达到最小误差H的范围内，其误差计算e(t)=SP-PV(t)(1)luxd(t)=M(t)d(t)+Ke(t)HM(t)d(t)-Ke(t)-H(2)表2 节能控制算法伪代码算法：节能控制算法输入：SP、K、H、输出：d(t)If M(t)1 then/用户检测PV(t)1;/日光检测重置PIR延迟;/重置PIR延时M(t)0;end ifwhile PV(t)1 do检测PV(t);/检测当前光环境数据e(t)=PV(t)-SP;/计算误差If e(t)H then/调整占空比d(t)=d(t)-k;end ifIf e(t)-H thend(t)=d(t)+k;end ifend while输出d(t)；从式(2)中，可以看出用户的行为M(t)对控制系统的状态影响最大。对占空比的上升时间是依赖于增益(K)，系统的容差依靠控制系统迟滞误差(H)。速度的变化是依赖于用户定义的采样周期（T）。该系统的控制算法见表2,响应时序图如图4所示。该系统的时钟速度为16 MHz，系统的响应在时钟信号的上升沿和下降沿。在测试中，每个信号的边缘可能会有一个小的上升时间和下降时间，各种传感器的数据采集与传输频率都依赖于控制系统的采样周期。图4传感器监测与灯光输出时序图3 控制器参数优化在控制系统中，能够通过调整某些输入参数来优化控制器，如增益(K)、误差范围(H)和采样周期(T)14。改变这些参数中的任何一个都会影响控制系统的响应。在实验中，通过研究控制系统的响应如何影响控制器，分别对三个输入参数进行优化测试。首先设定一个初始情况，其中K=1，H=SP/20，T=200 ms，SP=1 200 LX，灯源距工作桌面0.8 m。单独测试K、H和T的变化，并测量灯源输出功率，直到控制器响应稳定。首先，仅改变采样周期T，如图5所示，随着采样周期T的提高，控制器系统到达稳态的时间逐渐提高。当T=200 ms时，控制器需要30 ms到达稳态；当 T=800 ms 时，控制器则需要 2 min 到达稳态。但较高的采样周期会导致灯具不断闪烁，使用户影响生理反应，而较低采样周期会对控制系统带来更大的负荷。基于PWM在LED智能系统中的控制算法研究1695SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术图5 采样时间T对系统的影响其次，仅改变增益K，如图6所示，随着增益K的不断增大，控制器的响应时间增加，控制器系统到达稳态的时间则逐渐减小。当K=1时，控制器则需要30 s到达稳态。当K=10时，控制器则需要2 s到达稳态，但当误差 H 很小的时候，会产生超调量。当系统有超调量时，可以降低占空比来校正。但这样不稳定，会导致灯光产生闪烁的现象。图6 增益K对系统的影响最后，仅改变误差范围H，如图7所示，随着误差范围H的增大，控制器到达目标亮度的偏差随之增大。当H=SP/20时，控制器到达目标光照与实际值基本一致；当H=SP/5时，控制器控制的光照与实际值偏差很大。误差H对系统的影响见图7。图7 误差H对系统的影响4 节能分析与结果根据分析结果，对控制器采用K=2，H=SP/20，T=200 ms能达到最优化控制。在实验中，选择靠近窗户的工作台，将TEMT6000光敏传感器放在工作台上用于检测工作环境光照。对于工作台上的光照为 SP=600 Lx 时，用户感觉到最舒适15。人员使用两台 30 W 的 LED 灯，灯 1 不作任何改 变，灯2安装节能控制系统。检测时间为下午14:00-20:00，通过6个小时测试时间，对灯1与灯2的功率作比较。节约电能的计算式见式(3)：Psaved(t)=0tP0(t)dt-0tPc(t)dt(3)其中：P0灯1的功率；Pc灯2的功率。灯具的节能率计算公式见式(4)：Ps(t)=Psaved(t)P0(t)100%(4)实验测试结果如图8所示，随着时间推移，工作台上的日照光线逐渐变暗，灯具的用电功率在提升。用户短时间离开过工作区间数次，灯 2 的功率降低，而灯1的功率则未变。在晚上19:00左右日落之后，灯 2 的功率达到最大值并几乎保持不变。在测试期间，灯 2 与灯 1 的用电量分别为108 Wh 和 236 Wh，节约了 128 Wh，节约了 45%左右的电能。1696SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.112023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 11 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术图8 灯1和与灯2的功率图5 结论本文设计的一种LED节能控制系统利用各种传感器提供反馈信息，并通过智能算法对LED灯进行智能调控。在控制算法中，对不同的输入参数进行分析比较，选择最优的输入参数能够更加高效地调控LED灯。该控制系统通过算法智能调节工作区的最优光照环境，并实现了45%左右的能源节约，为建筑节能技术提供了一个更好的基础。参考文献1Santamouris M,Dascalaki E.Passive retrofitting of office buildings toimprove their energy performance and indoor environment:the OF-FICE projectJ.Building&Environment,2002,37(6):575-578.2Byun J,Hong I,Lee B,et al.Intelligent household LED lighting sys-tem 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