一種基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法，通過PID閉環(huán)控制保持照度需求，同時(shí)又通過牛頓極值搜索算法，不斷迭代快速尋找到照明系統(tǒng)能耗的最小值，并保持最小值穩(wěn)定輸出，該控制應(yīng)用在照明系統(tǒng)節(jié)能上有著重要的控制作用。針對(duì)照明能耗問題，最理想的情況是既保證區(qū)域照度需求又保持能耗降到最小值，本發(fā)明中，通過牛頓極值搜索控制算法來調(diào)節(jié)燈組(每組燈具)的分組情況即百分比，既保證了照度控制區(qū)域達(dá)到照度要求即目標(biāo)照度值，同時(shí)照明系統(tǒng)能保持較低能耗穩(wěn)定輸出，即滿足了用戶的需求，又達(dá)到了節(jié)能的效果。
【專利說明】
一種基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于照明控制技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種滿足照度需求同時(shí)降低 能耗的控制方法，即基于將燈具分組后采用牛頓法進(jìn)行極值搜索尋找其相對(duì)能耗最低的照 明節(jié)能控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "節(jié)能也是生產(chǎn)力"，在滿足日益增長(zhǎng)的能源需求的基礎(chǔ)上，如何最大限度的節(jié)約 能源，達(dá)到能源利用最優(yōu)，就顯得尤為重要，這也是我國(guó)乃至當(dāng)今世界普遍關(guān)心的主要問題 之一。
[0003] 在照明領(lǐng)域，從節(jié)能的角度出發(fā)，就是滿足照度需求同時(shí)降低能耗。
[0004] 在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)控制中，不能通過調(diào)節(jié)燈具照度來準(zhǔn)確控制室內(nèi)區(qū)域的照度，在 電能使用上也存在許多浪費(fèi)。而現(xiàn)有的照明系統(tǒng)，如
【申請(qǐng)人】2015年11月09日申請(qǐng)，2016年01 月27日公布、公布號(hào)為105282939A、名稱為"一種節(jié)能照明控制方法及系統(tǒng)"的中國(guó)發(fā)明專 利申請(qǐng)，能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)燈具照度從而滿足用戶的照度要求，但控制方法較復(fù)雜且能耗上也存 在諸多浪費(fèi)。同時(shí)，從控制方法來看，只是一種單閉環(huán)控制照度從而達(dá)到節(jié)能效果的方法。 所以需要提出一種既能滿足用戶對(duì)照明系統(tǒng)的照度要求，又能通過多種方式節(jié)約能耗的控 制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有照明節(jié)能控制方法的不足，提供一種基于牛頓極值搜 索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法，在滿足用戶照度需求的情況下，能快速穩(wěn)定地尋找到 能耗相對(duì)最低點(diǎn)
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] (1)、將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具劃分為η組，且每組燈具百分比用Wl， W2,…，Wn表示，其中Wl+W2+'"+Wn=l，通過改變百分比Wl，W2,…，W n的值，可以進(jìn)一步控制各組 燈具之間的亮度;在照度控制區(qū)域安裝一個(gè)光傳感器，用于照度控制區(qū)域照度的采集；
[0008] (2)、設(shè)定照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值，初始化（估計(jì)）每組燈具的百分比為 A, %…，第η組成，我們用屯=1 -水-vl'2-----U導(dǎo)到，所以在搜索算法循環(huán)的過程 中只需要n-1項(xiàng)，構(gòu)成向量 向量W' = [W1' V2，···，wV1]T;
[0009] 所述的擾動(dòng)5(1：)為[318；[11011：，328；[11021：，...，311-18；[110 11-11：]1'，其中，1：為時(shí)間，系數(shù) ai，a2，…，an-1、頻率參數(shù)〇丨，σ2，…，ση-i，根據(jù)具體情況確定；
[0010] 所述的作用為：
[0012] (4)、將輸入向量f與百分比的第r^w\= 1-w/ -W2'-----w\-1進(jìn)行整合得到輸入 向量W=[W1，w2,…，wn]T，光傳感器將照度控制區(qū)域的采集照度值通過I 2C協(xié)議傳入控制器， 控制器通過串口將采集照度值數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī);在上位機(jī)中，采集照度值與目標(biāo)照度值 做PID閉環(huán)控制，即目標(biāo)照度值減去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器輸出控 制量，控制量作用于各組燈具的百分比即 ￥1，￥2，…，Wn，將作用后的結(jié)果通過串口輸出傳給 控制器，然后對(duì)各組燈具亮暗程度進(jìn)行控制;而當(dāng)燈具的亮暗程度改變時(shí)，再通過光傳感器 對(duì)照度控制區(qū)域照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再次進(jìn)行PID閉環(huán)控制，不斷減小采集照度值和目標(biāo)照 度值的差值，最終使采集照度值穩(wěn)定在目標(biāo)照度值；
[0013] (5)、計(jì)算每組燈具的能耗，然后求和，得到總能耗E';對(duì)總能耗E'進(jìn)行濾波，以濾 去不穩(wěn)定的波動(dòng)，得到濾波后的總能耗E;
[0014] (6)、如果總能耗E與上一次得到的每組燈具的亮度百分比wi，W2,…，wn下的總能耗 Eo的差值ΔΕ，即|E-E q|小于設(shè)定的閾值，則結(jié)束，此時(shí)輸出的每組燈具的亮度組合即百分比 WIW2，···，％為滿足用戶照度需求，同時(shí)能耗最低亮度組合;否則，進(jìn)行步驟(7);
[0015] (7)、濾波后的總能耗E分別與擾動(dòng)Μ⑴和N⑴作用，其中：
[0016] 所述的擾動(dòng)M(t)為：
[0018]所述的總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用為M(t) · E，即：
[0020]所述的擾動(dòng)N(t)為一個(gè)(n-l)X(n-l)的矩陣，其中，i行i列元素Nu、i行j列元素 Nij分別為：
[0022]所述的總能耗E與擾動(dòng)N(t)作用為N(t) · E，即：
[0024]總能耗E與擾動(dòng)N(t)作用后，其結(jié)果通過Riccati方程構(gòu)造出Hessian矩陣Η的逆矩 陣的估計(jì)矩陣r，然后，將估計(jì)矩陣r乘以總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用后的結(jié)果，產(chǎn)生變量δ Ψ ；
[0025] (8)、將變量Δ，乘以-Κ(常系數(shù))后積分，在向量W ? A, · f處尋找到使 能耗降低的下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)即向量^，即：
[0026] #, =W-￡A：W,;
[0027] 然后將向量，作為向量W，返回步驟(3)。
[0028]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0029] 本發(fā)明基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法，通過PID閉環(huán)控制保 持照度需求，同時(shí)又通過牛頓極值搜索算法，不斷迭代快速尋找到照明系統(tǒng)能耗的最低值， 并保持最低值穩(wěn)定輸出，該控制應(yīng)用在照明系統(tǒng)節(jié)能上有著重要的控制作用。針對(duì)照明能 耗問題，最理想的情況是既保證區(qū)域照度需求又保持能耗降到最低值，本發(fā)明中，通過牛頓 極值搜索控制算法來調(diào)節(jié)燈組(每組燈具）的分組情況即百分比，既保證了照度控制區(qū)域達(dá) 到照度要求即目標(biāo)照度值，同時(shí)照明系統(tǒng)能保持較低能耗穩(wěn)定輸出。
[0030] 本發(fā)明是在一迭代點(diǎn)處沿輸出總能耗E下降的方向（令其為負(fù)牛頓方向）尋找到下 一迭代點(diǎn)，然后循環(huán)迭代，直到總能耗E下降的方向趨于0，即|變量| △ W' |趨近于0，此時(shí)的 輸入向量W = [ Wl，W2，…，Wn ] ^就能穩(wěn)定的收斂到百分比W*，從而就能穩(wěn)定的搜索到相應(yīng)的最 低能耗值E*，而其穩(wěn)定性可通過霍爾維茨定理進(jìn)行證明。因此本發(fā)明在搜索最低能耗的同 時(shí)可保證照度控制區(qū)域照度值穩(wěn)定在用戶設(shè)定照度值附近，這樣即滿足了用戶的需求，又 達(dá)到了節(jié)能的效果。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法一種具體實(shí)施方 式流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明一種【具體實(shí)施方式】室內(nèi)所有燈具分兩組情況圖；
[0033] 圖3是圖2所示兩組燈具分組情況下采集照度值隨時(shí)間變化圖；
[0034] 圖4是圖2所示兩組燈具分組情況下不采用本發(fā)明控制方法時(shí)總能耗隨百分比W1 變化圖；
[0035] 圖5是圖2所示兩組燈具分組情況下加本發(fā)明控制方法使百分比町隨時(shí)間變化圖；
[0036] 圖6圖2所示兩組燈具分組情況下總能耗隨時(shí)間變化圖；
[0037] 圖7是本發(fā)明一種【具體實(shí)施方式】室內(nèi)所有燈具分四組情況圖；
[0038]圖8是圖7所示四組燈具分組情況下不采用本發(fā)明控制方法時(shí)遍歷能耗 E三維圖；
[0039] 圖9是圖7所示四組燈具分組情況下不采用本發(fā)明控制方法時(shí)能耗最低值Eo*所在 W2-W3-能耗E三維圖；
[0040] 圖10是圖7所示四組燈具分組情況下采用本發(fā)明控制方法搜索中采集照度值隨時(shí) 間變化圖；
[0041] 圖11是圖7所示四組燈具分組情況下采用本發(fā)明控制方法搜索中百分比W1，W2，W3 隨時(shí)間變化圖；
[0042]圖12是圖7所示四組燈具分組情況下采用本發(fā)明控制方法搜索中能耗E*隨時(shí)間變 化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。
[0044] 圖1是本發(fā)明基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法一種具體實(shí)施方 式流程圖。
[0045] 在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制 方法包括以下步驟：
[0046] S1、燈組劃分及光傳感器安裝
[0047] 將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具劃分為η組，且每組燈具百分比用奶，《2，…， Wn表示，其中W1+W2+…+Wn=l，通過改變百分比W1，W2,…，Wn的值，可以進(jìn)一步控制各組燈具 之間的亮度，其中，照明控制區(qū)域就是我們需要進(jìn)行調(diào)光的區(qū)域。為了得到需要的即目標(biāo)照 明值，在照度控制區(qū)域安裝一個(gè)光傳感器，用于照度控制區(qū)域照度的采集，以便在經(jīng)過PID 控制后，使實(shí)際的照度值即采集照度值穩(wěn)定在(達(dá)到)設(shè)定的照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值。 [0048] S2、設(shè)定目標(biāo)照度值及百分比初始化
[0049] 設(shè)定照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值，初始化（估計(jì)）每組燈具的百分比為 ，第11組屯，我們用化=1-4-屯-…得到，所以在搜索算法循環(huán)的過程 中只需要n-1項(xiàng)，構(gòu)成向量翁=[為為,···，命《-if &
[0050] S3、向量命經(jīng)過擾動(dòng)S(t)的作用產(chǎn)生輸入向量W =[w/，···νη-i]T;
[0051 ]所述的擾動(dòng)S(t)為[aisinOii^assino〗!:，· · ·，an-isin0n-it]1"，其中，t為時(shí)間，系數(shù) ai，a2，…，an-1、頻率參數(shù)。!，σ2，…，ση-；l，根據(jù)具體情況確定；
[0052]所述的作用為：
[0054] S4、整合輸入及PID閉環(huán)照明控制
[0055] 將輸入向量f與百分比的第η項(xiàng)V nil-w/ -W2'-----w'η-ι進(jìn)行整合得到輸入向量W =[W1，W2,…，Wn-1]T，整合輸入的目的是使每組燈具百分比用W1，W2,…，Wn滿足Wl+W2+'"+Wn = 1的要求，便于進(jìn)行燈組的控制。
[0056] 光傳感器將照度控制區(qū)域的采集照度值通過I2C協(xié)議傳入控制器，控制器通過串 口將采集照度值數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī);在上位機(jī)中，采集照度值與目標(biāo)照度值做PID閉環(huán)控 制，即目標(biāo)照度值減去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器輸出控制量，控制量 作用于各組燈具的百分比即WU2，···，％，將作用后的結(jié)果通過串口輸出傳給控制器，然后 對(duì)各組燈具亮暗程度進(jìn)行控制；而當(dāng)燈具的亮暗程度改變時(shí)，再通過光傳感器對(duì)照度控制 區(qū)域照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再次進(jìn)行PID閉環(huán)控制，不斷減小采集照度值和目標(biāo)照度值的差 值，最終使采集照度值穩(wěn)定在目標(biāo)照度值。需要說明的是，PID閉環(huán)控制還有一些等同的控 形式，具體實(shí)施過程中，不限于上述具體形式。
[0057] S5、計(jì)算總能耗并濾波
[0058]計(jì)算每組燈具的能耗值，然后求和，得到總能耗E';對(duì)總能耗E'進(jìn)行濾波，以濾去 不穩(wěn)定的波動(dòng)，得到濾波后的總能耗E。
[0059] S6、判斷
[0000]如果總能耗E與上一次得到的每組燈具的亮度百分比W1，W2，…，wn下的總能耗Eo的 差值ΔΕ，即lE-Eol小于設(shè)定的閾值，則結(jié)束，此時(shí)輸出的每組燈具的亮度組合即百分比W1， w 2，…，wn為滿足用戶照度需求，同時(shí)能耗最低亮度組合;否則，進(jìn)行步驟S7。
[0061 ] S7、產(chǎn)生反應(yīng)能耗差值的變量Ar
[0062]濾波后的總能耗E分別與擾動(dòng)M(t)和N(t)作用，其中：
[0063]所述的擾動(dòng)M(t)為：
[0065]所述的總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用為M(t) · E，即：
[0067] 在本發(fā)明中，總能耗E與擾動(dòng)M(t)是為了估計(jì)總能耗E的一階導(dǎo)數(shù)。
[0068] 所述的擾動(dòng)N(t)為一個(gè)(n-l)X(n-l)的矩陣，其中，i行i列元素Nu、i行j列元素 Nij分別為：
[0070]所述的總能耗E與擾動(dòng)N(t)作用為N(t) · E，即：
[0072]總能耗E與擾動(dòng)N(t)作用后，其結(jié)果通過Riccati方程構(gòu)造出Hessian矩陣Η的逆矩 陣的估計(jì)矩陣r，然后，將估計(jì)矩陣r乘以總能耗Ε與擾動(dòng)M(t)作用后的結(jié)果，產(chǎn)生變量δ Ψ 〇
[0073] S8、獲取下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)即向量命并返回步驟S3
[0074] 將變量AW'乘以-K(常系數(shù))后積分，在向量訪=[屯Μν??#尋找到使能耗 降低的下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)即向量味，即：
[0075] W, = W-KAW ;
[0076] 然后將向量$作為向量脅.，返回步驟S3。
[0077] 牛頓法的迭代公式為:w(k+1)=w(k)-V 2E(W(k))-1VE(w(k))，其中 V2E(W(k))即為 Hessian矩陣的估計(jì)即為Γ，VE(w (k))即為濾波后的總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用 后的估計(jì)，-即為所令負(fù)牛頓方向，在此處二個(gè)估計(jì)點(diǎn)的差值： Δ# =味-舍-尺Aif，所以積分后能尋找到下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)$。
[0078] 在本發(fā)明中，使用了牛頓極值搜索算法，其輸入為各組燈組百分比構(gòu)成的輸入向 量評(píng)=^1，抑，…，Wn]T，輸出為總能耗 E/，總能耗E/經(jīng)過高通濾波器，產(chǎn)生穩(wěn)定信號(hào)即總能耗 E，在經(jīng)過擾動(dòng)M(t)作用后，與Hessian矩陣Η的逆矩陣的估計(jì)矩陣Γ相乘，其中Hessian矩陣 Η是總能耗E對(duì)輸入向量W的二階導(dǎo)數(shù)，而估計(jì)矩陣Γ是通過Riccati方程構(gòu)造而得，相乘后 進(jìn)行積分得到能耗降低的下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)即向量，此時(shí)：
[0081] 其中K和h都是正常數(shù)，是設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)具體情況設(shè)定。
[0082] 所述的擾動(dòng)N(t)為一個(gè)(n-l)X(n-l)的矩陣，其中，i行i列元素Nu、i行j列元素 Nij分別為：
[0084]用其與濾波后的總能耗E作用來估計(jì)Hessian矩陣H。在經(jīng)過擾動(dòng)S(t)的作用后產(chǎn) 生輸入向量評(píng)/，其中，所述的擾動(dòng)5(1：)為[318；[11011：，328；[11021：，...，3 11-18；[11011-11：]1'。
[0085]定義輸入誤差為r:
[0086] # = W-W" (3)
[0087] 貝丨 J:
[0089] 由（4)可知當(dāng)％+_S(t>能穩(wěn)定的收斂于0時(shí)，W就能穩(wěn)定的收斂到W'從而就能穩(wěn)定 的搜索到相應(yīng)的最低能耗E*，而其穩(wěn)定性的證明可通過對(duì)（1)和（2)式進(jìn)行均值化處理，然 后求出其霍爾維茨矩陣，用霍爾維茨定理進(jìn)行穩(wěn)定性證明，基于牛頓法的極值搜索控制系 統(tǒng)也是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過不斷的循環(huán)，最終可穩(wěn)定的尋找到最低能耗E*。
[0090] 一、數(shù)據(jù)處理與分析
[0091] 記錄穩(wěn)定后得各組燈具百分比W1，W2，···，％，以及此時(shí)的總能耗E，即為相對(duì)最低能 耗值。通過觀察總能耗(E)-時(shí)間（t)的仿真圖可以觀察采用牛頓法搜索到最優(yōu)能耗值的過 程，最終總能耗E將穩(wěn)定在最低耗值周圍，同時(shí)得到最低能耗值對(duì)應(yīng)的燈組百分比組合為 * .* * 。
[0092]通過將牛頓極值搜索控制算法得到的穩(wěn)定最低能耗E*與相同環(huán)境下不加控制算 法獲得的最低能耗Eo*相比較，若存在| E*-Eo* | <Εο*Χ ε，（ε為小于1的較小正數(shù))則證明采用 牛頓法搜索到的最優(yōu)能耗值達(dá)到了降低能耗的效果，從而證明了牛頓極值搜索算法尋找相 對(duì)最低能耗的可行性。
[0093] 二、實(shí)例 1
[0094] 現(xiàn)以分組η = 2為例，對(duì)照明控制區(qū)域中所有燈具進(jìn)行分組，即分為2組，具體控制 過程如下：
[0095] 第一步：如圖2所示，對(duì)于室內(nèi)需要進(jìn)行照明控制的區(qū)域C，根據(jù)相關(guān)配置信息，人 為地將室內(nèi)所有11盞燈具分為兩組:其中編號(hào)為1的的5盞燈為燈組1，百分比為w 1，剩下的 編號(hào)為2的6蓋燈為燈組2，百分比為W2。百分比W1+W2 = 1，通過改變百分比W1，W2的值可以控制 兩組燈具之間的亮度。在照度控制區(qū)域即區(qū)域C中安裝一個(gè)光傳感器，用于采集該區(qū)域的照 度。
[0096]第二步:設(shè)置其照度為701ux，初始化即估計(jì)兩組燈具中第一個(gè)的百分比，然后，經(jīng) 過擾動(dòng)作用產(chǎn)生百分比奶，另一個(gè)輸入W2通過1-W1得到。
[0097]啟動(dòng)光傳感器實(shí)時(shí)采集區(qū)域C的照度值，如圖3所示，通過PID控制器不斷調(diào)節(jié)能夠 使區(qū)域C光照值穩(wěn)定在目標(biāo)照度值附近，即701ux附近。
[0098]第三步:計(jì)算兩個(gè)燈組總能耗并濾波得到總能耗E，以負(fù)牛頓方向作為搜索方向， 結(jié)合PID閉環(huán)控制，尋找總能耗的最低值；
[0099] 第四步:記錄和保存整個(gè)搜索過程的百分比W1，W4P總能耗E的變化值，找出最終趨 于穩(wěn)定的百分比以及對(duì)應(yīng)的最低能耗值礦。整理數(shù)據(jù)，匯總到表1。
[0100]

[0102] 表1
[0103] 主要數(shù)據(jù)具體分析如下：
[0104] 在本實(shí)施例中，如圖4所示，為百分比W1_總能耗E的二維圖，此時(shí)搜索到的（實(shí)際） 最低能耗值E〇*= 1.172對(duì)應(yīng)的百分比W1 = 0.73411。從圖4上可知奶在0.25~1時(shí)滿足能耗誤 差27%的最大范圍，而當(dāng)奶在0.60~0.85時(shí)則表示此時(shí)搜索到百分比比較精準(zhǔn)，而采用本 發(fā)明控制方法，其總能耗與實(shí)際最低能耗誤差在3.83%，從而達(dá)到節(jié)約能耗的效果。
[0105] 在本實(shí)施例中，如圖5所示，為本發(fā)明控制方法下百分比《藤時(shí)間的變化圖，將數(shù) 據(jù)加入表1。從圖5中，在180秒后，可以看出百分比 W1穩(wěn)定在0.54左右。在本實(shí)施例中，從圖6 可以看出，在25秒后總能耗E穩(wěn)定在1.16左右，實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定地尋找到能耗相對(duì)最低點(diǎn)的 目的。
[0106] 二、實(shí)例2
[0107]現(xiàn)以分組n = 4為例，對(duì)照明控制區(qū)域中所有燈具進(jìn)行分組，即分為4組，具體控制 過程如下：
[0108] 第一步:在本實(shí)施例中，如圖7所示，對(duì)于室內(nèi)需要進(jìn)行照明控制的區(qū)域C，根據(jù)相 關(guān)配置信息，人為地將室內(nèi)所有11盞燈具分為四組:其中位于區(qū)域C中編號(hào)為1的燈為燈組 1，百分比為W1;編號(hào)為2的4盞燈為燈組2，百分比為W2;編號(hào)為3的2盞燈為燈組3，百分比為 W3,占編號(hào)為4的4蓋燈為燈組4,百分比為W4。百分比Wl+W2+W3+W4=l，通過改變百分比W1，W2, W3，W4的值可以控制兩組燈具之間的亮度。在照度控制區(qū)域即區(qū)域C中安裝一個(gè)光傳感器，用 于采集該區(qū)域的照度。
[0109] 第二步:設(shè)置其照度為501UX，初始化即估計(jì)四組燈具中前三個(gè)的百分比，然后，經(jīng) 過擾動(dòng)作用產(chǎn)生百分比wi，W2，W3，另一個(gè)輸入W4通過1-W1-W2-W3得到。
[0110] 第三步:計(jì)算四個(gè)燈組總能耗并濾波得到總能耗E，以負(fù)牛頓方向作為搜索方向， 結(jié)合PID閉環(huán)控制，尋找總能耗的最低值；
[0111] 第四步:記錄和保存整個(gè)搜索過程的百分比W1，W2，W3，W4和總能耗E的變化值，找出 最終趨于穩(wěn)定的百分比M，>K，以及對(duì)應(yīng)的最低能耗值整理數(shù)據(jù)，匯總到表2。
[0112]
[0113] 表2
[0114] 在本實(shí)施例中，如圖8所示，在采用本發(fā)明控制方法的情況下，固定抑從。到0.9(間 隔為ο. 1)，測(cè)得當(dāng)區(qū)域C中照度值保持在501ux時(shí)，繪制相應(yīng)W2-W3-能耗E的10幅三維圖（從左 到右，從上到下分別為奶為0到0.9,間隔為0.1時(shí)繪制的能耗E三維圖），通過求得10幅三維 圖的最低值，從而獲得總體能耗最低值E*o，計(jì)算得出能耗最低值E V斤在的W2-W3-能耗E三維 圖如圖9所示，星形點(diǎn)表示采用本發(fā)明控制方法后搜索到的最終的穩(wěn)定點(diǎn)( W2，W3，E*)，根據(jù) 表2中誤差范圍數(shù)據(jù)分析以及該三維圖可采用本發(fā)明控制方法驗(yàn)證獲得的數(shù)據(jù)能穩(wěn)定在最 低能耗值的最大誤差范圍以內(nèi)。
[0115] 在本實(shí)施例中，本發(fā)明控制方法作用下區(qū)域C中照度隨時(shí)間變化圖如圖10所示，可 以看出通過PID調(diào)節(jié)作用能使照度值穩(wěn)定在501ux附近。
[0116] 在本實(shí)施例中，本發(fā)明控制方法作用下，百分比隨時(shí)間的變化過程如圖 11所示。從圖11中分析可得:在200秒左右，百分比 < 最終穩(wěn)定在0.58左右，百分比w〗:最終 穩(wěn)定在0.19左右，百分比 < 最終穩(wěn)定在0.07左右。根據(jù)圖8所示的10幅三維圖數(shù)據(jù)得出最低 能耗叭= 0.3911，可根據(jù)能耗誤差的27%得出百分比V的范圍為0~0.7,百分比g的范圍 為0.1~0.8,百分比< 的范圍為0~0.51，最低能耗Ε*的范圍為0.29~0.50。若本方面控制 方法下，百分比數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)，則說明加入本方面控制方法后可將能耗穩(wěn)定在相對(duì)最低 能耗附近從而證明本發(fā)明控制方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。進(jìn)一步根據(jù)能耗誤差的20%得出百 分比<的范圍為0~0.6，百分比w〗的范圍為0.2~0.7，百分比g的范圍為0~0.46，最低能 耗E*的范圍為0.31~0.47,若本發(fā)明控制方法下，數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)，則說明加入本發(fā)明控制 方法后搜索出的最低能耗值精確度很高。
[0117] 在本實(shí)施例中，采用本發(fā)明控制方法后，能耗E*隨時(shí)間的變化過程如圖12所示，從 圖12中分析可得:最低能耗礦在130秒最終穩(wěn)定在0.4628左右，通過圖8中分析實(shí)際最低能 耗6 = 0.3911，說明采用本發(fā)明控制方法后獲得的最低能耗礦能很快穩(wěn)定在實(shí)際最低能耗 E$〇誤差范圍的20%以內(nèi)，具有良好的精度。
[0118] 盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù) 人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于牛頓極值搜索算法的雙閉環(huán)照明節(jié)能控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1 )、將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具劃分為η組，且每組燈具百分比用奶，w2，…， Wn表示，其中W1+W2+…+Wn=I，通過改變百分比W1，W2,…，Wn的值，可以進(jìn)一步控制各組燈具 之間的亮度;在照度控制區(qū)域安裝一個(gè)光傳感器，用于照度控制區(qū)域照度的采集；(2) 、設(shè)定照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值，初始化（估計(jì)）每組燈具的百分比為 ^^,???，九_(tái)1，第11組<，我們用屯=1-龜-屯-…-U導(dǎo)到，所以在搜索算法循環(huán)的過程 中只需要n_l項(xiàng)，構(gòu)成向I (3) 、向量訪1經(jīng)過擾§ 所述的擾動(dòng)S(t)為[aisinoii^assino〗!:，· · ·，an-isin〇n-it]1"，其中，t為時(shí)間，系數(shù)ai, a2，…，an-1、頻率參數(shù)。!，σ2，…，ση-；l，根據(jù)具體情況確定； 所述的作用為：(4) 、將輸入向量f與百分比的第= I-w\-w、-----w\-i進(jìn)行整合得到輸入向量W 二^^:^…^一^光傳感器將照度控制區(qū)域的采集照度值通過^"辦議傳入控制器^空制器 通過串口將采集照度值數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī);在上位機(jī)中，采集照度值與目標(biāo)照度值做PID閉 環(huán)控制，即目標(biāo)照度值減去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器輸出控制量，控 制量作用于各組燈具的百分比即W 1,w2,…，wn，將作用后的結(jié)果通過串口輸出傳給控制器， 然后對(duì)各組燈具亮暗程度進(jìn)行控制；而當(dāng)燈具的亮暗程度改變時(shí)，再通過光傳感器對(duì)照度 控制區(qū)域照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再次進(jìn)行PID閉環(huán)控制，不斷減小采集照度值和目標(biāo)照度值的 差值，最終使采集照度值穩(wěn)定在目標(biāo)照度值； (5) 、計(jì)算每組燈具的能耗，然后求和，得到總能耗E';對(duì)總能耗E'進(jìn)行濾波，以濾去不 穩(wěn)定的波動(dòng)，得到濾波后的總能耗E; (6 )、如果總能耗E與上一次得到的每組燈具的亮度百分比Wl，W2，…，Wn下的總能耗Eo的 差值ΔΕ，即IE-Eo I小于設(shè)定的閾值，則結(jié)束，此時(shí)輸出的每組燈具的亮度組合即百分比W1， w2，···，％為滿足用戶照度需求，同時(shí)能耗最小亮度組合;否則，進(jìn)行步驟(7); (7)、濾波后的總能耗E分別與擾動(dòng)M(t)和N(t)作用，其中： 所述的擾動(dòng)M(t)為：所述的總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用為M(t) · E，即：所述的擾動(dòng)N(t)為一個(gè)(n-1) X (n-1)的矩陣，其中，i行i列元素Nn、i行j列元素Nlj分別 為：總能耗E與擾動(dòng)N(t)作用后，其結(jié)果通過Riccati方程構(gòu)造出Hessian矩陣H的逆矩陣的 估計(jì)矩陣F，然后，將估計(jì)矩陣F乘以總能耗E與擾動(dòng)M(t)作用后的結(jié)果，產(chǎn)生變量AW';(8)、將變量△ W'乘以-K(常系數(shù))后積分，在向 ??：尋找到使能耗 降低的下一個(gè)估計(jì)迭代點(diǎn)即向量食，即：然后將向量乘作為向量W，返回步驟⑶。
【文檔編號(hào)】H05B37/02GK106028585SQ201610346293
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】殷春, 程玉華, 周士偉, 吳姍姍, 魏修嶺, 王偉, 黃雪剛, 白利兵, 胡彬楊
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)