节能环保和智能控制是城市智慧照明的发展趋势,近年来此领域研究取得了极大进展。张立萍等^[1]将蚁群控制策略应用于大规模LED灯通信组网的研究,既提高了城市照明的节能效率,又降低了大型系统的管控成本,形成良好的社会效应。林海军等^[2]提出一种基于约束条件的神经网络方法用于LED灯的光照强度控制,其模型误差小,泛化能力强,但需要收集大量数据对模型进行反复训练,不够便捷。模糊自适应PID控制因具有较高控制精度,且不需要训练过程,因而逐渐被广泛应用,如陈佳洲等^[3]基于该策略研发了LED舞台灯自适应调节系统,调光响应快,稳定性高。但模糊控制的本质是一种非线性控制,无法彻底消除稳态误差,且控制时只对PID参数进行间歇性调整,因此还会出现控制死区。为解决这一难题,李洪兴^[4]提出了变论域自适应模糊控制理论,根据误差大小调变论域范围,确保在误差零点附近的规则足够多,从而消除控制死区。该理论被提出后,先后被应用于电机控制^[5-6]、光伏发电系统MPPT控制^[7]、机器人控制^[8-9]等精密控制领域,在控制复杂程度没有显著增加的前提下,大大提高了系统控制精度。

KNX总线协议先后被美国、中国等批准为国家标准^[10],夏长凤^[11]应用KNX技术设计一套智能家居控制系统,对灯光、窗帘、安防等进行综合组网,信号传输较无线通信技术更加稳定,控制便捷。卜军^[12]基于KNX现场总线成功研发图书馆照明智能控制系统,验证了KNX技术在楼宇集中监控、照明节能控制上的显著优势。本研究结合变论域模糊PID控制策略和KNX技术的优点,设计一种变论域模糊PID调光控制器用于恒照度控制,以KNX技术实现照度数据采集和系统通信控制。

图1 系统平面布局
Fig.1 System layout plan

系统应用于面积6 m×8 m,层高3.8 m的会议室,10路LED灯(L1,L2,…,L10)如图1所示,照明监控系统预置照度设定值300 lx。照度传感器在会议室四壁的中线及四角处离地0.75 m位置各装1只(S1,S2,…,S8),并将室内照度数据通过KNX总线发送到主控器。

LED驱动器硬件结构整体设计如图2所示,LED驱动器设计指标见表1。

图2 LED驱动单元结构
Fig.2 Structure of LED drive unit

表1 LED驱动器设计指标
Table 1 Design index of LED driver

AC/DC变换单元由boost型APFC模组、半桥LLC谐振模组及10路可调光恒流输出模组构成。

提高设备功率因数有助于减小输电线能量损耗,改善设备的电流品质。APFC技术谐波抑制效果好,可为设备提供宽输入电压范围及宽工作频带。现设计工作在CCM模式的boost型APFC模组如图3所示,控制芯片PFS7628H是PI公司最新款boost型APFC电路单芯片解决方案,供电电压为直流12 V,最大持续输出功率350 W,功率因数大于0.95,额定输入电压下10%至100%负载间能效均超95%^[13]。

图3 boost型APFC模组
Fig.3 boost type APFC module

半桥LLC谐振模组如图4所示,以软开关方式降压至直流40 V给恒流模组。半桥LLC谐振模组的控制芯片选用PI公司的LCS705HG,内置LLC控制器及2个功率MOSFET及驱动,由12 V直流稳压电源供电,最大输出功率350 W^[14]。半桥LLC谐振模组的原副边电路间通过光耦LTV817A作反馈。

图4 半桥LLC谐振模组
Fig.4 Half bridge LLC resonant module

半桥LLC模组中,L_r与C_r为谐振电感与谐振电容,L_m为变压器原边线圈励磁电感,n为变压器匝比,Q为品质因数,P_{i_LLC}与P_{o_LLC}为模块输入输出功率,U_f为副边整流二极管导通压降,归一化频率=f_{s_HB}/f_r。参数k_RATIO=L_m/L_r。若k_RATIO值设计过低,则影响模组输出稳压,若k_RATIO值过高,则电路能效降低。现将k_RATIO值设计为7。

采用FHA模型^[15]设计LLC谐振槽参数。

1)前级APFC模组输入到半桥LLC谐振模组的电压U_{i_LLC}最小值取300 V,最大值取420 V,半桥LLC谐振模组输出电压U_{o_LLC}取40 V,输出功率300 W,能效为0.96。

2)半桥LLC模组谐振槽的直流电压增益M=2n|(U_{o_LLC}+U_f)/(U_{i_LLC})|,则n≥(385 V)/(2(40 V+0.7 V))=4.7,取n=5。

3)谐振频率f_r取250 kHz,LCS705HG引脚DT/BF外分压器电阻设计为6.8 kΩ和62 kΩ(即脉冲模式阈值设为2),此时该引脚灌电流约为325 μA,查询LCS705HG数据表得:此时芯片理想最大工作频率被设为800 kHz,半桥死区时间T_D=270 000/800=338 ns,半桥MOSFET寄生电容C_oss取150 pF。

4)使用第一种求法,当输入电压最小,输出满载时,求得最大品质因数Q_max1(M_max和M_min为直流电压增益上下限值):

Q_max1=1/(k_RATIOM_max)(k_RATIO+(M²_max)/(M²_max-1))^1/2。

使用第二种求法,当输入电压最大,输出空载时,求得最大品质因数Q_max2(_max为归一化频率上限值):

Q_max2=(π³T_DP_{o_LLC})/(64n²(1+k_RATIO)_maxC_ossU²_{o_LLC})。

得到两种求法中的较小值,乘以0.95作为品质因数Q估算值。

将以上参数带入FHA模型得到的结果见表2。

表2 半桥LLC谐振模组设计参数
Table 2 Parameters of half bridge LLC resonant module

图5 12V直流稳压电源模组
Fig.5 12 V DC regulated power supply module

基于离线式开关芯片LNK302DG的12 V直流稳压电源电路如图5所示,变压器匝比5:1:1,芯片反馈引脚FB从2号副绕组采样,隔离主电路与12 V稳压电源。

PWM调光的恒流输出模组如图6所示,共10路,各路都选用TI公司的Buck型芯片TPS92515HV驱动LED,其输入直流电压范围5.5～65 V,最大输出平均电流2 A,满足设计要求^[16]。模组采用PWM调光方式,调光精度高、范围宽,无LED色偏。PWM信号由STM32经高速光耦6N137隔离,提供给TPS92515HV,进行模糊调光控制。TPS92515HV的VCC引脚可输出稳定的直流5 V,为6N137供电。

图6 可调光恒流输出模组
Fig.6 Adjustable optical constant current output module

KNX通信介质使用双绞线TP1,总线收发器选用NCN5120芯片,通信控制器选用STM32F103C8T6。NCN5120芯片是OS公司的KNX收发器芯片,由KNX总线供电,内置DC/DC转换器提供3.3 V固定输出电压^[17]。STM32F103C8T6(以下简称STM32)是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位MCU,其供电电压2～3.6 V^[18]。如图7所示,NCN5120与STM32间以SPI方式通信,NCN5120作为SPI主机,STM32作为SPI从机。NCN5120为STM32提供3.3 V供电电压及16 MHz同步时钟信号。

图7 KNX通信单元电路图
Fig.7 KNX communication unit circuit diagram

带KNX通信的照度传感器如图8所示,由KNX收发器NCN5120、通信控制器STM8S105K4和照度传感器芯片BH1750FVI组成。STM8S105K4(以下简称STM8)属于8位MCU,其RAM为2 KB,flash存储器为16 KB,供电电压2.95～5.5 V^[19]。NCN5120与STM8间以SPI通信。BH1750FVI内部集成16位ADC,直接将光照度转变为16位数字信号,由STM8用I2C通信来驱动,选择H-resolution Mode方式工作,分辨率为1 lx。传感器3.3 V电源由KNX总线通过NCN5120提供。

图8 带KNX通信的照度传感器
Fig.8 Illuminance sensor with KNX communication

系统的通信配置与照度监控由PC上位机使用ETS3软件完成,使用EITT3软件^[20]完成在线调控。LED驱动器及照度传感器使用Keil C语言环境编程,实现KNX通信功能以及变论域PID恒照度控制功能。照度传感器每隔5 s自动给LED驱动器发送1次照度采样数据。

KNX协议栈程序的功能是实现与KNX总线间的通信(图9),分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层5个层级。其中,应用层通信对象包括10个开关通信对象,10个远程照度设置通信对象,8个照度数据采集通信对象。

图9 KNX报文的解析与装配
Fig.9 Analysis and assembly of KNX message

经典PID控制理论在数字式控制系统中应用时,需进行离散化,设计为增量式PID控制,以节省计算资源,减小超调量,其中Δu(n)为当前控制器输出量,l(n)为当前误差,l(n-1)为上一次采样时误差,l(n-2)为上两次采样时误差。

Δu(n)=k_p[l(n)-l(n-1)]+k_il(n)+k_d[l(n)-2l(n-1)+l(n-2)]

变论域PID控制策略如图 10所示,以经典PID控制为基础,对比例、积分、微分3个控制参数(k_p、k_i、k_d)进行自适应调整:

图 10 变论域PID控制器
Fig.10 Variable-universe fuzzy PID controllor

设计变论域PID控制的输入量为照度误差l及误差变化率lc,其模糊化后得到模糊变量L与LC,输出模糊变量U=ΔK_p,i,d,去模糊化后得到精确输出量u包含k_p、k_i、k_d的自适应调整值Δk_p,Δk_i和Δk_d,输入与输出量论域范围见表3,划为{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}7个子集,输入输出量的隶属函数都为等腰三角形函数。

表3 输入与输出量论域范围
Table 3 Universe range of input and output

输入与输出量 基本论域 初始模糊论域(α(l)=1)l [-300,300]单位:lxlc [-100,100]单位:lx/sΔK_p,i,d [-3,3] [-3,3]

变论域PID控制原理如图 11所示,输入与输出量基本论域及模糊化后的初始模糊论域范围见表3。可以随误差量变小实时收缩模糊论域范围,相对增加误差零点附近控制规则数目,以消除控制死区,增加控制精度。设计比例型伸缩因子α(l)如下,其中l为照度误差,E取300,τ取0.8。

α(l)=(l/E)^τ。

图 11 输入输出量隶属函数
Fig.11 Membership function of the input and output

模糊控制规则,即如果l=L_i且lc=LC_j,则u=U_ij,其中模糊量L_i,LC_j,U_ij{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL},同一组(l,lc)可隶属于不同的(L_i,LC_j)组合,对应到不同的输出模糊量U_ij。设定如下(表4～6):

表4 Δkp模糊控制规则
Table 4 Fuzzy control rules of Δkp

表5 Δki模糊控制规则
Table 5 Fuzzy control rules of Δki

表6 Δkd模糊控制规则
Table 6 Fuzzy control rules of Δkd

按照Mamdani法的Max-Min法则作模糊推理:

式(1)中:μ_Li为L_i的隶属度函数; μ_LCj为LC_j的隶属度函数; μ_Uij为U_ij的隶属度函数; μ_U为综合各个μ_Uij后推理得到的输出量隶属度函数。

由重心法去模糊化得:

设计使用Matlab2016的模糊编辑器计算出l与lc在[-3,3]上Δk_p、Δk_i和Δk_d各自的清晰值曲面,然后离散化建立数据表存入STM32,输入不同组合的l与lc查表实现PID参数的自适应调整。

KNX通信功能测试的线路结构如图 12所示,KNX电源选用台湾明纬公司开发的KNX-20E-640。首先在PC上位机上使用ETS3软件设置各元件物理地址和各通信对象的关联组地址,然后在EITT3软件中测试各元件间照度数据采集报文及远程照度设置报文的收发,并在EST3中进行在线监控,各报文收发均正常,这说明系统的KNX通信及照明监控功能运行成功,并得到KNX通信单元性能测试数据(表7)。

图 12 KNX通信功能测试的系统线路
Fig.12 System diagram of KNX communication function test

表7 KNX通信单元性能测试数据
Table 7 KNX communication unit test data sheet

使用10组30 Ω功率电阻替代LED灯,在不同输入电压U_i条件下,分半载和满载两种情况测试驱动器样机,得到能效与功率因数数据如图 13所示。根据现行的GB/T 24825-2009《LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求》^[21]可知,该LED驱动器在半载时,功率因数仍能达到95%以上,满足国标要求,而能效仍能达到90%以上,能效等级为1级,达到最高等级。图 14为输入220 V满载时,由示波器直接读取的半桥LLC谐振模组及恒流驱动模组输出电压波形图,横轴为时间轴,每格100 μs,纵轴为电压轴,每格20 V,下方曲线为LLC谐振模块输出给恒流模组的电压波形U_{o_LLC},上方曲线为恒流模组输出给LED灯的电压波形U_{o_LED}。

图 13 两种负载时LED驱动器性能曲线
Fig.13 LED Drive performance curves under two kinds of loads

图 14 半桥LLC谐振模组及恒流驱动模组输出电压试验波形图
Fig.14 Experimental waveforms of output voltage of half bridge LLC resonant module and constant current output module

表8 照度误差测试数据
Table 8 Illuminance error test data sheetlx

在输入交流电压220 V下,分别采用变论域PID控制和论域固定的模糊PID控制进行10路LED灯恒照度控制测试,环境照度设置值为300 lx,得到不同自然光亮度下会议室内平均照度误差(表8)。由表8测试数据可知,在不同的自然光照度下,系统使会议室内平均照度稳定在预设范围内。当自然光照度接近300 lx时,变论域PID照度控制的误差比论域固定的模糊PID更小,性能更优。当自然光照度已超过预设照度,则都能自动关灯。

本设计在LED驱动器硬件上采用boost型APFC电路结合半桥LLC谐振电路与PWM调光的恒流输出电路,实现高能效和高功率因数,并通过KNX通信连接上位机、驱动器与照度传感器,采用数字式变论域PID技术进行照度控制,效果稳定精确,系统开放性良好,未来可通过KNX组网机器视觉等技术,进一步提升系统性能。