一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法和系统技术方案

本申请实施例提供了一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法，该方法的步骤包括：基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。本方案能够针对现有智慧路灯控制方式落后的问题，在考虑外部突发干扰光源的情况下，将干扰观测器和PID控制器相结合，对LED路灯进行调光控制，从而提高路灯的节能性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法和系统
本申请涉及LED灯控制领域，特别涉及一种将干扰观测器与PID组合对LED路灯进行调光控制的方法和系统。
技术介绍
全国现有路灯1亿盏，占照明耗电30％，达到全国耗电总量的10％，相当于1个三峡水电站的年发电量，超过大亚湾核电站年发电站年发电量7倍。据统计，由于未及时关电问题，大约35％的路灯电能被浪费。目前，利用智慧路灯实现城市节能照明的工作迫在眉睫。现有智慧路灯使用的节能化控制技术存在以下几点问题：1、控制方式落后：大多数智慧路灯采取时控和集中控制，调光参数不可灵活变动，在季节和环境变化时，需要人员远程调控，不能实现真正的智能化控制。2、电能浪费严重：不能实现按需照明，过度照明和照明时间不合理导致严重的电能浪费。
技术实现思路
为解决上述问题之一，本申请提供了一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法和系统。根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法，该方法的步骤包括：基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制系统，该系统包括：建模模块，基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；观测器构建模块，基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；控制量输出模块，利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本方案通过使用干扰观测器，有效地观测出系统低频干扰量，并进行了反馈补偿。构建干扰观测器的方法简单、计算量小，并能够有效提高系统的鲁棒性与抗干扰能力。(2)本方案能够有效的对外界光强的干扰进行观测和抑制，能够在多源外界干扰的情况下使用。例如，在LED灯同时受到两类外界光强干扰时，所设计的干扰观测器能够具备同时观测多源干扰的能力，具有较广的应用范围。(3)本方案使用了融合干扰观测器的PID控制方法，实现了LED路灯抵抗外界光强干扰的自主调光过程。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1示出本方案所述LED路灯调光控制方法的示意图；图2示出本方案所述LED路灯调光控制系统的示意图。具体实施方式为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本方案的核心思路是将夜晚汽车等对LED自主调光路灯产生的光强干扰，利用干扰观测器对低频(相对于控制频率)光强干扰分量进行估计，并作为干扰估计量输出，利用干扰估计值反馈补偿调光控制量u0达到干扰抑制的作用，实现路灯抗干扰的自主调光过程。本方案公开了一种基于干扰观测器的LED路灯控制方法，该方法能够对外界光强干扰对LED路灯系统带来的干扰问题进行反馈补偿控制。通过本方法能够改善系统鲁棒性，对系统建模误差、参数摄动及各种外界干扰具有良好的估计和控制效果。本方案中，首先利用电压调光型LED路灯电路进行RCL等效化处理；其次，利用电压调光型LED路灯等效电路的物理特性建立控制系统状态模型，并设计针对外界光强干扰的干扰观测器；再次，将受干扰的二维状态向量作为干扰观测器的输入，利用干扰观测器输出的干扰估计值反馈补偿调光控制量u0，利用新控制量u2代替原来控制量ui，完成自主调光控制过程。如图1所示，该方法可以通过如下方式实现：步骤1、将电压调光型LED路灯电路等效化将单台LED路灯灯珠回路在PN结导通后可等效为RCL电路，调光电压ui(t)作为回路输入电压，回路电流为i(t)，则有：步骤2、建立LED路灯系统的状态模型将等效RCL电路的表达式两边同时对t求导：设x1＝i(t),x2＝i′(t)，则有：选择向量作为状态量，状态模型表示为：对模型进行简化，获得LED路灯状态模型：其中，向量。在此将其视为系统的当量控制量。步骤3、构建外界光强干扰的干扰观测器夜晚路灯受到公路上过往车辆的光照干扰，光强传感器无法分辨是正常光照与干扰光照，干扰通过PID反馈回路耦合至系统中，因此将考虑外界光线干扰的系统状态模型表示为：式中，干扰量与输入电压的倒数相同量纲，d与u0共同作用于调光系统中，d对于的输出造成干扰。传统的PID控制方法无法抵抗外界干扰，造成路灯的误调光。根据上步骤中建立的状态模型，干扰量d可表示为：设计干扰估计量满足等式：其中，L为干扰观测器增益矩阵，L的选取影响观测器的估计性能和稳定性。令中间变量则有：结合上述式子得到：在系统中，常取L为对角阵：L＝diag{L1，L2}综上，干扰观测器设计如下：干扰观测器详细表示为如下a、b式。a、中间变量z微分方程b、干扰观测量计算式另外，为确保干扰观测器的鲁棒稳定性，增益矩阵L具有一定取值范围。由李雅普诺夫稳定性定理可证明Li>0(i＝1,2)时，干扰观测器的误差微分方程保持全局渐进稳定。在Li>0(i＝1,2)的约束下调节矩阵L，可以提高干扰观测器对振动干扰准确快速的观测性能。步骤4、将干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿量，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。利用干扰观测器输出值反馈至调光控制量u0上，得出补偿后系统控制量矢量u，具体实现方法如下：其中，ui＝P·(Δy)+D·(Δ(Δy))是光强PD控制器输出量，Δy是实测光强与目标光强的偏差，因此，新控制量u2：利用u2代替原来控制量ui，即可完成最终的抗干扰控制。本方案进一步公开了一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制系统，该系统包括：建模模块，基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；观测器构建模块，基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；控制量输出模块，利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。如图2所示，是干扰观测器+PID路灯控制方法的结构框图，框图中明确显示了控制方法在路灯调光系统中的作用机制。利用构建的系统状态模型和干扰观测器，进一步结合PID控制器和系统的量测模型对LED路灯进行调光控制。从系统状态模型来看，利用反馈补偿干扰量d，得到补偿后系统状态矢量ed为干扰估计误差。增益矩阵L使得干扰估计值接近真实干扰d，则状态x受干扰d的影响趋近于0。从系统量测模型来看y＝mx1+k其中，y是LED灯输出光强，参数m、k取决于LED灯电流-光强曲线，x1受干扰影响较小，则路灯光强输出越准确。综上所述，本方案能够针对现有智慧路灯控制方式落后的问题，在考虑外部突发干扰光源的情况下，将干扰观测器和PID控制器相结合，对LED路灯进行调光控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法，其特征在于，该方法的步骤包括：基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的LED路灯调光控制方法，其特征在于，该方法的步骤包括：基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型；基于LED路灯状态模型，构建外界光强干扰下的干扰观测器；利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制。2.根据权利要求1所述的LED路灯调光控制方法，其特征在于，所述基于LED路灯电路的等效RCL电路，构建LED路灯状态模型的步骤包括：将每台LED路灯灯珠的回路，在PN结导通下的等效RCL电路的表达式为：其中，调光电压ui(t)作为回路输入电压，回路电流为i(t)；根据等效RCL电路的表达式，获得LED路灯状态模型：其中，向量。3.根据权利要求2所述的LED路灯调光控制方法，其特征在于，所述根据等效RCL电路的表达式，获得LED路灯状态模型：的步骤包括：等效RCL电路的表达式的两边对t求导：设x1＝i(t),x2＝i′(t)，则有：选择向量作为状态量，状态模型表示为：对模型进行简化，获得LED路灯状态模型：4.根据权利要求2所述的LED路灯调光控制方法，其特征在于，所述干扰观测器的表达式为：其中，变量z的微分方程为：干扰观测量计算式为：L为增益矩阵，为干扰观测器的输入。5.根据权利要求4所述的LED路灯调光控制方法，其特征在于，所述利用干扰观测器输出的干扰估计值对调光控制量进行反馈补偿，获得新控制量，并利用新控制量对LED路灯进行调光控制的步骤包括：利用干扰观测器输出值反馈至调光控制量u0上，得出补偿后系统控制矢量u：其中，ui＝P·(Δy)+D·(Δ(Δy))是光强PD控制器输出量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王悦，杨帆，马玉林，甄玉龙，陈涛，王旭，张亮，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11