本发明专利技术公开了一种基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法，通过PID闭环控制保持照度需求，同时又通过变幅值牛顿极值搜索算法，不断迭代快速寻找到照明系统能耗的最低值，并保持最低值稳定输出；在变幅值牛顿极值搜索算法中，引入一个正信号来改变扰动的幅值，此变量先快速增大，以保证算法的精确度，然后减小，缩短了算法搜索所需的时间。采用本发明专利技术，可以提高牛顿极值搜索算法的速度和准确度，从而提高照明节能控制方法的整体性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于照明控制
，更为具体地讲，涉及一种基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法。
技术介绍
“节能也是生产力”，在满足日益增长的能源需求的基础上，如何最大限度的节约能源，达到能源利用最优，就显得尤为重要。这也是我国乃至当今世界普遍关心的主要问题之一，而本专利技术就是从节能的角度出发，以实现在照明系统中能最大限度的降低能耗。传统的照明系统只能通过开和关进行照明控制，而现有的照明控制系统能通过调节灯的亮暗程度来满足用户的需求，实现了一定的节能，但控制方法较复杂，而且节能的效果不佳。因此需要提出一种既能保证用户照度需求，又能实现进一步节能的控制算法。在申请人于2016年5月23申请、2016年10月12日公布、公布号为“CN106028585A”名称为“一种基于牛顿极值搜索算法的双闭环照明节能控制方法”中，提出了一种采用PID控制算法和基于牛顿的极值搜索算法的双闭环控制方法，通过PID闭环控制保持照度需求，同时又通过牛顿极值搜索算法，不断迭代快速寻找到照明系统能耗的最低值，并保持最低值稳定输出，该控制应用在照明系统节能上有着重要的控制作用但是，在对以上方法进行进一步研究和实验验证过程中，申请人发现该方法在极值搜索的速度和准确度方面不够理想，仍然需要进一步改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法，通过提高牛顿极值搜索算法的速度和准确度，从而提高照明节能控制方法的整体性能。为实现上述专利技术目的，本专利技术基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法包括以下步骤：(1)、将用于照度控制区域照明的所有灯具划分为n组，且每组灯具百分比用w1,w2,…,wn表示，其中w1+w2+…+wn＝1，通过改变百分比w1,w2,…,wn的值，可以进一步控制各组灯具之间的亮度；在照度控制区域安装一个光传感器，用于照度控制区域照度的采集；(2)、设定照度控制区域的目标照度值，初始化每组灯具的百分比为第n组构成向量初始化正信号r；(3)、向量经过扰动S(t)和信号r乘积的作用产生输入向量W′＝[w1′,w2′,…,w′n-1]T；所述的扰动S(t)为[a1sinσ1t,a2sinσ2t,...,an-1sinσn-1t]T，其中，t为时间，系数a1,a2,…,an-1、频率参数σ1,σ2,…,σn-1，根据具体情况确定；所述的作用为：W′=w1′w2′...wn-1′=W^+rS(t)=w^1w^2...w^n-1+ra1sinσ1ta2sinσ2t...an-1sinσn-1t;]]>(4)、将输入向量W′与百分比的第n项wn′＝1-w1′-w2′-…-wn′-1进行整合得到输入向量W＝[w1,w2,…,wn]T，光传感器将照度控制区域的采集照度值通过I2C协议传入控制器，控制器通过串口将采集照度值数据传入到上位机；在上位机中，采集照度值与目标照度值做PID闭环控制，即目标照度值减去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器输出控制量，控制量作用于各组灯具的百分比即w1,w2,…,wn，将作用后的结果通过串口输出传给控制器，然后对各组灯具亮暗程度进行控制；而当灯具的亮暗程度改变时，再通过光传感器对照度控制区域照度进行实时采集，再次进行PID闭环控制，不断减小采集照度值和目标照度值的差值，最终使采集照度值稳定在目标照度值；(5)、计算每组灯具的能耗，然后求和，得到总能耗E′；(6)、如果总能耗E′与上一次得到的每组灯具的亮度百分比w1,w2,…,wn下的总能耗E0的差值ΔE，即|E′-E0|小于设定的阈值，则结束，此时输出的每组灯具的亮度组合即百分比w1,w2,…,wn为满足用户照度需求，同时能耗最低亮度组合；否则，进入步骤(7)；(7)、对总能耗E′进行滤波，以滤去不稳定的波动，得到滤波后的总能耗E；滤波后的总能耗E经过低通滤波器后乘以增益p产生正信号r，其表达式为：drdt=-hr+phE]]>其中，h是预设的常数，取值范围为h＞0；增益参数p的选择要求为令信号r为正信号；(8)、滤波后的总能耗E分别与扰动M(t)和扰动N(t)作用，其中：所述的扰动M(t)为：M(t)=[2a1sinσ1t,2a2sinσ2t,...,2an-1sinσn-1t]T;]]>所述的总能耗E与扰动M(t)作用为M(t)·E，即：M(t)·E=2a1sinσ1t2a2sinσ2t...2an-1sinσn-1tE;]]>所述的扰动N(t)为一个(n-1)×(n-1)的矩阵，其中，i行i列元素Nii、i行j列元素Nij分别为：Nii=16ai2(sin2(σit)-12),Nij=4aiajsin(σit)sin(σjt)(i≠j);]]>所述的总能耗E与扰动N(t)作用为N(t)·E，即：总能耗E与扰动N(t)作用后，其结果通过Riccati方程构造出Hessian矩阵H的逆矩阵的估计矩阵Γ，然后，将估计矩阵Γ乘以总能耗E与扰动M(t)作用后的结果，产生变量ΔW′＝ΓM(t)E；(9)、将变量ΔW′乘以-K(常系数)后积分，在向量处寻找到使能耗降低的下一个估计迭代点即向量即：W^1=W^-KΔW′;]]>然后将向量作为向量返回步骤(3)。本专利技术基于变增益牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法，通过PID闭环控制保持照度需求，同时又通过变增益牛顿极值搜索算法，不断迭代快速寻找到照明系统能耗的最低值，并保持最低值稳定输出；在变增益牛顿极值搜索算法中，引入一个正信号来改变扰动的幅值，此变量先快速增大，以保证算法的精确度，然后减小，缩短了算法搜索所需的时间。本专利技术是在一迭代点处沿输出能耗E下降的方向(即负牛顿方向)寻找到下一迭代点，然后循环迭代，直到能耗E下降的方向趋于0，即|ΔE|≈0，此时的输入ω就能稳定的收敛到ω*，从而就能稳定的搜索到相应的最小能耗值E*，其稳定性可通过中心流定理和霍尔维茨定理进行证明，本专利技术在搜索最优能耗的同时可保证目标区域照度值稳定在用户设定照度值附近，相对于原牛顿极值搜索算法，本发在满足用户需求的情况下，优化了照明系统，并实现了更进一步节能的效果。附图说明图1是本专利技术基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法的一种具体实施方式流程图；图2是本实施例中室内所有灯具分两组情况图；图3是灯具分两组时本专利技术方法中照度为40lux时随时间变化图；图4是照度40lux下灯具分两组时遍历实验能耗随百分比w1变化图；图5是照度40lux下灯具分两组时对比方法和本专利技术方法实验能耗E随时间变化图；图6是灯具分两组时本专利技术方法中照度为50lux时随时间变化图；图7是照度50ux下灯具分两组时遍历实验能耗随百分比w1变化图；图8是照度50lux下灯具分两组时本专利技术方法和对比方法实验能耗E随时间变化图；图9是本实施例中室内所有灯具分三组情况图；图10是灯具三两组时本专利技术方法中照度为60lux时随时本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、将用于照度控制区域照明的所有灯具划分为n组，且每组灯具百分比用w1,w2,…,wn表示，其中w1+w2+…+wn＝1，通过改变百分比w1,w2,…,wn的值，可以进一步控制各组灯具之间的亮度；在照度控制区域安装一个光传感器，用于照度控制区域照度的采集；(2)、设定照度控制区域的目标照度值，初始化每组灯具的百分比为第n组构成向量初始化正信号r；(3)、向量经过扰动S(t)和信号r乘积的作用产生输入向量W′＝[w′1,w′2,…,w′n‑1]T；所述的扰动S(t)为[a1sinσ1t,a2sinσ2t,...,an‑1sinσn‑1t]T，其中，t为时间，系数a1,a2,…,an‑1、频率参数σ1,σ2,…,σn‑1，根据具体情况确定；所述的作用为：W′=w1′w2′...wn-1′=W^+rS(t)=w^1w^2...w^n-1+ra1sinσ1ta2sinσ2t...an-1sinσn-1t;]]>(4)、将输入向量W′与百分比的第n项w′n＝1‑w′1‑w′2‑…‑w′n‑1进行整合得到输入向量W＝[w1,w2,…,wn]T，光传感器将照度控制区域的采集照度值通过I2C协议传入控制器，控制器通过串口将采集照度值数据传入到上位机；在上位机中，采集照度值与目标照度值做PID闭环控制，即目标照度值减去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器输出控制量，控制量作用于各组灯具的百分比即w1,w2,…,wn，将作用后的结果通过串口输出传给控制器，然后对各组灯具亮暗程度进行控制；而当灯具的亮暗程度改变时，再通过光传感器对照度控制区域照度进行实时采集，再次进行PID闭环控制，不断减小采集照度值和目标照度值的差值，最终使采集照度值稳定在目标照度值；(5)、计算每组灯具的能耗，然后求和，得到总能耗E′；(6)、如果总能耗E′与上一次得到的每组灯具的亮度百分比w1,w2,…,wn下的总能耗E0的差值ΔE，即|E′‑E0|小于设定的阈值，则结束，此时输出的每组灯具的亮度组合即百分比w1,w2,…,wn为满足用户照度需求，同时能耗最低亮度组合；否则，进入步骤(7)；(7)对总能耗E′进行滤波，以滤去不稳定的波动，得到滤波后的总能耗E；滤波后的总能耗E经过低通滤波器后乘以增益p产生正信号r，其表达式为：drdt=-hr+phE]]>其中，h是预设的常数，取值范围为h＞0；增益参数p的选择要求为令信号r为正信号；(8)、滤波后的总能耗E分别与扰动M(t)和扰动N(t)作用，其中：所述的扰动M(t)为：M(t)=[2a1sinσ1t,2a2sinσ2t,...,2an-1sinσn-1t]T;]]>所述的总能耗E与扰动M(t)作用为M(t)·E，即：M(t)·E=2a1sinσ1t2a2sinσ2t...2an-1sinσn-1tE;]]>所述的扰动N(t)为一个(n‑1)×(n‑1)的矩阵，其中，i行i列元素Nii、i行j列元素Nij分别为：Nii=16ai2(sin2(σit)-12),Nij=4aiajsin(σit)sin(σjt)(i≠j);]]>所述的总能耗E与扰动N(t)作用为M(t)·E，即：总能耗E与扰动N(t)作用后，其结果通过Riccati方程构造出Hessian矩阵H的逆矩阵的估计矩阵Γ，然后，将估计矩阵Γ乘以总能耗E与扰动M(t)作用后的结果，产生变量ΔW′＝ΓM(t)E；(9)、将变量ΔW′乘以‑K(常系数)后积分，在向量处寻找到使能耗降低的下一个估计迭代点即向量即：W^1=W^-KΔW′;]]>然后将向量作为向量返回步骤(3)。...
【技术特征摘要】
1.一种基于变幅值牛顿极值搜索算法的照明节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、将用于照度控制区域照明的所有灯具划分为n组，且每组灯具百分比用w1,w2,…,wn表示，其中w1+w2+…+wn＝1，通过改变百分比w1,w2,…,wn的值，可以进一步控制各组灯具之间的亮度；在照度控制区域安装一个光传感器，用于照度控制区域照度的采集；(2)、设定照度控制区域的目标照度值，初始化每组灯具的百分比为第n组构成向量初始化正信号r；(3)、向量经过扰动S(t)和信号r乘积的作用产生输入向量W′＝[w′1,w′2,…,w′n-1]T；所述的扰动S(t)为[a1sinσ1t,a2sinσ2t,...,an-1sinσn-1t]T，其中，t为时间，系数a1,a2,…,an-1、频率参数σ1,σ2,…,σn-1，根据具体情况确定；所述的作用为：W′=w1′w2′...wn-1′=W^+rS(t)=w^1w^2...w^n-1+ra1sinσ1ta2sinσ2t...an-1sinσn-1t;]]>(4)、将输入向量W′与百分比的第n项w′n＝1-w′1-w′2-…-w′n-1进行整合得到输入向量W＝[w1,w2,…,wn]T，光传感器将照度控制区域的采集照度值通过I2C协议传入控制器，控制器通过串口将采集照度值数据传入到上位机；在上位机中，采集照度值与目标照度值做PID闭环控制，即目标照度值减去采集照度值，差值送入PID控制器中，PID控制器输出控制量，控制量作用于各组灯具的百分比即w1,w2,…,wn，将作用后的结果通过串口输出传给控制器，然后对各组灯具亮暗程度进行控制；而当灯具的亮暗程度改变时，再通过光传感器对照度控制区域照度进行实时采集，再次进行PID闭环控制，不断减小采集照度值和目标照度值的差值，最终使采集照度值稳定在目标照度值；(5)、计算每组灯具的能耗，然后求和，得...
【专利技术属性】
技术研发人员：程玉华，殷春，周士伟，吴姗姗，魏修岭，胡彬杨，白利兵，黄雪刚，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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