办公楼中基于遗传算法的恒照度控制策略的研究与实施论文_侯睿

摘要：随着我国国民经济的飞速发展和企业效益的不断提高，高层办公楼因其为员工提供安全、舒适高效、节能的办公环境，受到了越来越多人的青睐，成为现代各种机构主要的办公场所。办公环境内灯光的舒适度直接关系到办公楼内各部门工作是否能够正常、高效、有序地进行。

关键词：恒照度控制；遗传算法

1引言

DALI[1]系统是现在比较先进的照明调光技术，它是一种控制照明设备之间数据通信的接口标准，为保证其扩展性和兼容性由知名的镇流器厂家联合锐高公司创立。DALI照明控制系统能够对灯具进行智能化控制、管理与监控。

2基于DALI的数字可寻址调光镇流器

DALI控制系统由硬件和软件[2]两部分组成，硬件部分通过一系列整流、校正电路实现对电子镇流器的控制，而软件通过智能方式完成相关执行功能，并响应相关命令。

调光芯片选用IR21592，它是集成600V半桥输出驱动电路和调光控制功能于一体的电子镇流器控制集成电路。它具有功率检测和相位控制灯调节功能，无需变压器控制。在调光芯片控制下，能线性控制电压相位与功率之间的变化。

其中，调光芯片有五种工作模式，通过设计小于200μA的静态电流实现欠压输出锁定。当VDC超过5.1V且VCC超过UVLO上限阈时，它进入预热模式。此时，HO和LO以最大工作频率，50％占空比和2μs的死区时间振荡。当CPH引脚电压超过5V时，调光芯片进入点火模式。连接到VCO引脚的电容通过1μA电流源线性放电，使振荡f向谐振点降低。灯两端的电压和负载电流上升，最终到达灯点火或电流达到过电流值。当调光芯片开启调光模式时，相位控制环路闭合，用户在DIM上输入控制反相位和负载电流。DIM连接到CPH通过DIM的电阻放电，直到达到相对应的亮度值，实现调光效果。

3 遗传算法在恒照度控制系统中的应用

3.1室内照度推算

室内工作面照度与距离窗户远近有关，不同距离工作面所需补充的额外照度也不同[3]。使用传感器测得室外照度很简单，但如何确定由室外传递到室内照度的关系式是智能照明系统中首要考虑的问题。方法是记录全天不同时刻的工作面的照度值，由数据得出其关系式，由于墙壁反射系数和能量衰减系数是固定的，所以这种方法简单直接，便于操作，但会存在一些误差，适合于非精密要求的场所。本文为了简化模型，采用第三种方法即通过实验测量数据得到室内外自然光传递式。以本项目一间办公室为例，设置两个工作面S1和S2，在某天通过光照度计测量室外照度值和室内两个工作面的照度值，实验数据如下：室外照度值与S1工作面室内的照度值从8：30到16：30之间每隔半小时的照度分别为（144lx，1240lx）、（19llx，1621lx）、（221x，1887lx）、（222lx，1919lx）、（223lx，1581lx）、（183lx，1180lx）、（137lx，677lx）、（79lx，6051lx）、（7llx，95lx）。室外照度值与S2工作面室内的照度值从8：30到16：30之间每隔半小时的照度分别为（137lx，1239lx）、（175lx，1623lx）、（202x，1889lx）、（209lx，1923lx）、（208lx，1576lx）、（171lx，1185lx）、（127lx，675lx）、（73lx，6031lx）、（66lx，601lx）。

由实验数据可得出，离窗户最近的工作面S1上的室内外光照度传递式为：

3.2 室内恒照度设计及MATLAB仿真

本文选取一间长、宽、高分别为12米、9米和3米的办公室为例，设置3个工作面和6盏灯具，以这6盏灯具为研究对象。工作面距地0.8米，并以工作面为中心建立空间坐标系，将工作面定义为S1（1.8，2.1，0），S2（1.8，3.5，0）。灯具坐标定义为L1（1.5，2.1，2.5），L2（1.5，3.5，2.5），L3（1.5，4.9，2.5），L4（3.5，2.1，2.5），L5（3.5，3.5，2.5），L6（3.5，4.9，2.5）。忽略墙壁反射系数，并将各盏灯具简化为点光源，则其照度可表示为：

针对所选照明模型，遗传算法对模型求解的实施步骤如下[4]：

（1）种群初始化。办公室照度为300lx。为了降低寻优运算时间，将搜索范围设定为[285lx，315lx]，对此范围所有点进行实数编码。实数值会连成含有n个照度值的染色体，随机产生若干染色体并淘汰不符合条件的染色体。

（2）确定适应度函数。本系统的目标函数是能耗，但本实验又以节能为目的，所以取能耗的倒数作为目标函数。适应度的计算函数为：

（3）选择、交叉、变异操作。选择操作是以一定的概率从群体中选出具有优秀特征的个体组成新的种群。个体被选中的概率由个体适应度值决定；交叉是指随机将两个染色体信息进行交换与组合，从而把优良特征遗传给下一代。变异主要目的在于维持种群多样性，并通过变异产生更优秀的个体，此案例变异概选为0.002。

（4）寻优计算结束。寻优运算结束的条件是个体平均适应值大于设定值或者遗传代数超过设定值，此案例设定最大遗传代数为100。

MATLAB运行结果：X=[125.1900，4.1772，177.0300，85.5090，15.3832，96.2925]

运行结果表明，在室外自然光辅助照明的前提下，室内6盏灯具的照度值分别为125.19，4.17，177.03，85.50，15.38，96.29，就能达到设定值300lx左右，既满足办公室照度要求的同时又能实现节能的目的。

图3.2 仿真过程中遗传100代时种群均值变化和解的变化

图3.2是仿真过程中遗传100代时种群均值变化和解的变化，从图中可以看出遗传算法在40代时运算趋于稳定，50代左右时运算结束，结果表明基于遗传算法的恒照度智能控制系统是有效可行的，可以根据室外光线动态补偿室内照度，在满足照度的同时达到节能目的，也延长了灯具的寿命。

结束语

在DALI恒照度控制系统中，通过在室外放置照度计测得传递到室内的照度值，再与所设定的照度值进行比较得出DALI恒照度控制系统需要提供的照度，控制芯片通过电路实现对灯具的控制、调光，达到恒照度的目的。DALI恒照度控制系统可以充分利用室外自然光，达到节能的目的。

参考文献：

[1] 高小敬.基于智能控制策略的采光与照明技术研究[D].上海：同济大学，2005．

[2] Edward Ng，Vicky Cheng，Ankur Gadi，Jun Mu，Max Lee，Ankit Gadi.Defining standardskies for Hong Kong[J].Building and Environment，2007（42）：866-876.

[3] 胡国剑，郝洛西．照明计算软件DIALux与Agi32的比较分析[J].照明工程学报，2005，16（3）：52-55．

[4] Francis Miguet，Dominique Groleau．A daylight simulation tool for urban and architectural spaces-application to transmitted direct and diffuse light through glazing[J]．Building and Environment，2002，37（9）：833-843．

论文作者:侯睿

论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期

论文发表时间:2020/3/3

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