百葉窗模糊控制系統(tǒng)策略研究

宋來(lái)鵬,　馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京　211800)

百葉窗模糊控制系統(tǒng)策略研究

宋來(lái)鵬,馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京211800)

摘要：研究了百葉窗模糊控制系統(tǒng)策略,根據(jù)工作面的設(shè)定照度值與實(shí)際照度值的差值來(lái)確定百葉窗的開(kāi)度。分析了模糊控制器的控制規(guī)則,并利用MATLAB進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明,相比單模糊控制系統(tǒng),雙模糊控制系統(tǒng)室內(nèi)工作面的實(shí)際照度值與設(shè)定照度值的差值更小,可限制強(qiáng)度過(guò)高的太陽(yáng)光直接進(jìn)入室內(nèi),提高了室內(nèi)天然光的均勻度。

關(guān)鍵詞：百葉窗; 室內(nèi)采光; 單模糊控制系統(tǒng); 雙模糊控制系統(tǒng)

0引言

百葉窗作為一種常見(jiàn)的建筑室內(nèi)采光系統(tǒng),具有調(diào)節(jié)方便、安裝簡(jiǎn)單、裝飾美觀等優(yōu)點(diǎn),通常根據(jù)室外天氣狀況控制進(jìn)入室內(nèi)的天然光。自動(dòng)百葉窗系統(tǒng)中存儲(chǔ)建筑所在緯度、經(jīng)度為基礎(chǔ)的一年內(nèi)太陽(yáng)位置的數(shù)據(jù),通過(guò)這些數(shù)據(jù)與室外照度傳感器來(lái)調(diào)節(jié)百葉窗的開(kāi)度,不但能夠保證視野(開(kāi)放感),還可以達(dá)到最有效的窗口采光[1-2]。

本文引入模糊推理思想,設(shè)計(jì)百葉窗控制系統(tǒng),根據(jù)設(shè)定的工作面照度值和設(shè)定值與實(shí)際照度值的差值確定百葉窗的開(kāi)度,以限制強(qiáng)度過(guò)高的太陽(yáng)直射光直接進(jìn)入室內(nèi);同時(shí),根據(jù)天空模式和太陽(yáng)高度角產(chǎn)生的調(diào)節(jié)系數(shù),進(jìn)一步抑制因進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)直射光強(qiáng)度過(guò)大而產(chǎn)生的不舒適眩光[3-4]。

1百葉窗模糊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1輸入、輸出量的確定與模糊化

設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)包括主模糊控制器和從模糊控制器,主要確定兩個(gè)模糊控制器的輸入、輸出量并模糊化[5-6]。

1.1.1主模糊控制器

(1) 設(shè)定的照度值E。E作為主模糊控制器的一個(gè)輸入變量,是根據(jù)不同性質(zhì)的工作而設(shè)定的,其論域?yàn)閇0, 1 000],模糊子集為{TS, S, RS, M, RB, B, TB},分別對(duì)應(yīng)特別小、小、較小、中、較大、大、特別大。

(2) 設(shè)定的照度值與室內(nèi)實(shí)際照度值的差值D。差值D作為主模糊控制器的第二個(gè)輸入變量,其論域?yàn)閇-1 000, 1 000],模糊子集為{NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB},分別對(duì)應(yīng)負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

(3) 百葉窗的開(kāi)度U。U為主模糊控制器的輸出變量,定義為百葉窗的葉片與豎直方向形成的夾角,夾角為0°,則開(kāi)度最小;夾角為90°,則開(kāi)度最大。因此U的論域?yàn)閇0,90],模糊子集為{TS, S, RS, M, RB, B, TB}。

主模糊控制器隸屬函數(shù)如圖1所示。

圖1　主模糊控制器隸屬函數(shù)

1.1.2從模糊控制器

(1) 太陽(yáng)高度角H。H作為從模糊控制器的一個(gè)輸入變量,主要由建筑物所處的地理位置決定。如南京市最大的太陽(yáng)高度角為81.7°,則H的論域?yàn)閇0, 81.7](不考慮黑夜),模糊子集為{TS, VS, S, M, B, VB, TB},分別對(duì)應(yīng)特別小、一般小、較小、適中、較大、一般大、特別大。

(2) 天空模式M。天空模式分為晴天、陰天和混合天三種天空模式,可以用天頂亮度來(lái)表示不同的天空模式,將M作為從模糊控制器的第二個(gè)輸入變量,其論域?yàn)閇0, 45 000],模糊子集為{TS, VS, S, M, B, VB, TB}。

(3) 系數(shù)K。K是根據(jù)天空模式和太陽(yáng)高度角而產(chǎn)生的,作為從模糊控制器的輸出變量,其論域?yàn)閇0,2],模糊子集為{TS, VS, S, M, B, VB, TB}。

從模糊控制器隸屬函數(shù)如圖2所示。

1.2模糊控制規(guī)則的建立

1.2.1主模糊控制器的控制規(guī)則

主模糊控制器有兩個(gè)輸入變量E、D,模糊語(yǔ)言量均為7個(gè),則模糊規(guī)則共有49條。主模糊控制器控制規(guī)則如表1所示。

圖2　從模糊控制器隸屬函數(shù)

表1主模糊控制器控制規(guī)則

DETSSRSMRBBTBNBTSTSSSRSRSMNMTSSSRSRSMRBNSSSRSRSMMRBZSRSRSMMRBBPSRSRSMMRBRBBPMRSMMRBRBBTBPBRSMMRBBBTB

主模糊控制器曲面如圖3所示?；谝陨峡刂埔?guī)則,通過(guò)模糊規(guī)則瀏覽器進(jìn)行驗(yàn)證,當(dāng)E=500 lx、D=0時(shí),U=45°;當(dāng)E=900 lx、D=0時(shí),U=66.3°。因此,當(dāng)照度設(shè)定值較大時(shí),應(yīng)盡量增加百葉窗開(kāi)度,減小誤差;當(dāng)照度設(shè)定值較小時(shí),應(yīng)盡量減小百葉窗開(kāi)度,降低誤差。

1.2.2從模糊控制器的控制規(guī)則

從模糊控制器有兩個(gè)輸入變量H、M,模糊語(yǔ)言量均為7個(gè),則模糊規(guī)則共有49條。從模糊控制器控制規(guī)則如表2所示。

圖3　主模糊控制器曲面

表2從模糊控制器控制規(guī)則

EHHTSVSSMBVBTBTSTSVSVSSSMMVSTSVSVSSMMMSVSVSSMMBBMVSSSMBBBBVSSMBBVBVBVBSMMBVBVBTBTBSMBVBVBTBTB

從模糊控制器曲面如圖4所示。

圖4　從模糊控制器曲面

從圖4可以看出,隨著太陽(yáng)高度角或天頂亮度增大時(shí),系數(shù)K也會(huì)增大,使得K與百葉窗的開(kāi)度、室內(nèi)天然光照度的乘積也會(huì)隨之增大。經(jīng)過(guò)反饋調(diào)節(jié)后,百葉窗開(kāi)度會(huì)逐漸減小。

2仿真分析

2.1單模糊控制器百葉窗控制系統(tǒng)

單模糊控制器的仿真模型如圖5所示。用階躍輸入信號(hào)模擬照度設(shè)定值(500 lx),正弦波信號(hào)模擬室內(nèi)工作面照度的預(yù)測(cè)值(2 000 lx),將正弦波信號(hào)模擬的照度預(yù)測(cè)值與百葉窗開(kāi)度的乘積作為室內(nèi)工作面的實(shí)際照度值。

圖5　單模糊控制器的仿真模型

單模糊控制器照度曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6　單模糊控制器照度曲線(xiàn)

單模糊控制器百葉窗開(kāi)度曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖6、圖7可見(jiàn),照度仿真結(jié)果與預(yù)期相符,當(dāng)太陽(yáng)高度角為0°時(shí),照度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值都為0,百葉窗處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著太陽(yáng)高度角的增大,照度值和百葉窗開(kāi)度隨之增大。進(jìn)入正午時(shí)分,太陽(yáng)高度角漸漸達(dá)到最大值,為了防止過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)直射光進(jìn)入室內(nèi),百葉窗開(kāi)度慢慢減小;到了傍晚,室內(nèi)照度值減小,百葉窗開(kāi)度逐漸變大。

圖7　單模糊控制器百葉窗開(kāi)度曲線(xiàn)

2.2雙模糊控制器百葉窗控制系統(tǒng)

雙模糊控制器的仿真模型如圖8所示。用階躍輸入信號(hào)作為室內(nèi)設(shè)定的照度值,并輸入至主模糊控制器中,照度設(shè)定值為500 lx,將百葉窗的開(kāi)度、模擬室內(nèi)工作面照度預(yù)測(cè)值的正弦函數(shù)曲線(xiàn)和從模糊控制器的輸出三者的乘積作為系統(tǒng)的輸出(即系數(shù)K);對(duì)于從模糊控制器,均用正弦波信號(hào)來(lái)模擬太陽(yáng)高度角和天空模式,對(duì)應(yīng)的幅值分別為81.7°和45 000 lx,系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)整幅值的大小來(lái)模擬不同的天氣和季節(jié),選用的三個(gè)正弦波信號(hào)頻率相同。

雙模糊控制器照度曲線(xiàn)如圖9所示。

圖8　雙模糊控制器的仿真模型

圖9　雙模糊控制器照度曲線(xiàn)

雙模糊控制器百葉窗開(kāi)度曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10　雙模糊控制器百葉窗開(kāi)度曲線(xiàn)

由圖9、圖10可見(jiàn),雙模糊控制系統(tǒng)室內(nèi)工作面的實(shí)際照度值與照度預(yù)定值相比偏差更小,較單模糊控制系統(tǒng)有較大的改善。

3結(jié)語(yǔ)

本文采用雙模糊控制器調(diào)節(jié)百葉窗開(kāi)度,以遮擋強(qiáng)烈的陽(yáng)光,限制過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)光直接進(jìn)入室內(nèi),并調(diào)節(jié)室內(nèi)光線(xiàn),從而減弱了光的方向性及窗戶(hù)的亮度,同時(shí)提高了室內(nèi)天然光的均勻度,可在室內(nèi)墻上安裝照度傳感器,并對(duì)室內(nèi)光源進(jìn)行分區(qū)控制,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

[1]俞立華.電氣照明[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2001.

[2]肖輝.電氣照明技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]石良辰.MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[4]盧伯澎.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自來(lái)水余氯控制[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[5]向滎.用信息法研究天空亮度分布[D].重慶:重慶大學(xué),2008.

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Strategy Research of Fuzzy Control System for Shutter

SONG Laipeng,MA Xiaojun

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

Abstract：This paper researched the strategy of fuzzy control system for shutter,which determined the opening of shutter according to the difference value between setting illuminance value and actual illuminance value of working plane.The control rules of fuzzy controller were analyzed,and simulation analysis was carried out by using MATLAB software.The simulation results show that the difference value between setting illuminance value and actual illuminance value of double fuzzy control system is smaller compared with the single fuzzy control system,which limits the high-intensitive sunlight directly into the room in order to improve the uniformity of indoor natural light.

Key words:shutter; indoor daylighting; single fuzzy control system; double fuzzy control system

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2016)05-0013-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.004

收稿日期：2016-03-01

馬小軍(1956—),男,教授,研究方向?yàn)榻ㄖ姎馀c智能化。