百叶窗模糊控制系统策略研究

宋来鹏,　马小军

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京　211800)

百叶窗模糊控制系统策略研究

宋来鹏,马小军

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京211800)

摘要：研究了百叶窗模糊控制系统策略,根据工作面的设定照度值与实际照度值的差值来确定百叶窗的开度。分析了模糊控制器的控制规则,并利用MATLAB进行仿真分析。仿真结果表明,相比单模糊控制系统,双模糊控制系统室内工作面的实际照度值与设定照度值的差值更小,可限制强度过高的太阳光直接进入室内,提高了室内天然光的均匀度。

关键词：百叶窗; 室内采光; 单模糊控制系统; 双模糊控制系统

0引言

百叶窗作为一种常见的建筑室内采光系统,具有调节方便、安装简单、装饰美观等优点,通常根据室外天气状况控制进入室内的天然光。自动百叶窗系统中存储建筑所在纬度、经度为基础的一年内太阳位置的数据,通过这些数据与室外照度传感器来调节百叶窗的开度,不但能够保证视野(开放感),还可以达到最有效的窗口采光[1-2]。

本文引入模糊推理思想,设计百叶窗控制系统,根据设定的工作面照度值和设定值与实际照度值的差值确定百叶窗的开度,以限制强度过高的太阳直射光直接进入室内;同时,根据天空模式和太阳高度角产生的调节系数,进一步抑制因进入室内的太阳直射光强度过大而产生的不舒适眩光[3-4]。

1百叶窗模糊控制系统的实现

1.1输入、输出量的确定与模糊化

设计的模糊控制系统包括主模糊控制器和从模糊控制器,主要确定两个模糊控制器的输入、输出量并模糊化[5-6]。

1.1.1主模糊控制器

(1) 设定的照度值E。E作为主模糊控制器的一个输入变量,是根据不同性质的工作而设定的,其论域为[0, 1 000],模糊子集为{TS, S, RS, M, RB, B, TB},分别对应特别小、小、较小、中、较大、大、特别大。

(2) 设定的照度值与室内实际照度值的差值D。差值D作为主模糊控制器的第二个输入变量,其论域为[-1 000, 1 000],模糊子集为{NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB},分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

(3) 百叶窗的开度U。U为主模糊控制器的输出变量,定义为百叶窗的叶片与竖直方向形成的夹角,夹角为0°,则开度最小;夹角为90°,则开度最大。因此U的论域为[0,90],模糊子集为{TS, S, RS, M, RB, B, TB}。

主模糊控制器隶属函数如图1所示。

图1　主模糊控制器隶属函数

1.1.2从模糊控制器

(1) 太阳高度角H。H作为从模糊控制器的一个输入变量,主要由建筑物所处的地理位置决定。如南京市最大的太阳高度角为81.7°,则H的论域为[0, 81.7](不考虑黑夜),模糊子集为{TS, VS, S, M, B, VB, TB},分别对应特别小、一般小、较小、适中、较大、一般大、特别大。

(2) 天空模式M。天空模式分为晴天、阴天和混合天三种天空模式,可以用天顶亮度来表示不同的天空模式,将M作为从模糊控制器的第二个输入变量,其论域为[0, 45 000],模糊子集为{TS, VS, S, M, B, VB, TB}。

(3) 系数K。K是根据天空模式和太阳高度角而产生的,作为从模糊控制器的输出变量,其论域为[0,2],模糊子集为{TS, VS, S, M, B, VB, TB}。

从模糊控制器隶属函数如图2所示。

1.2模糊控制规则的建立

1.2.1主模糊控制器的控制规则

主模糊控制器有两个输入变量E、D,模糊语言量均为7个,则模糊规则共有49条。主模糊控制器控制规则如表1所示。

图2　从模糊控制器隶属函数

表1主模糊控制器控制规则

DETSSRSMRBBTBNBTSTSSSRSRSMNMTSSSRSRSMRBNSSSRSRSMMRBZSRSRSMMRBBPSRSRSMMRBRBBPMRSMMRBRBBTBPBRSMMRBBBTB

主模糊控制器曲面如图3所示。基于以上控制规则,通过模糊规则浏览器进行验证,当E=500 lx、D=0时,U=45°;当E=900 lx、D=0时,U=66.3°。因此,当照度设定值较大时,应尽量增加百叶窗开度,减小误差;当照度设定值较小时,应尽量减小百叶窗开度,降低误差。

1.2.2从模糊控制器的控制规则

从模糊控制器有两个输入变量H、M,模糊语言量均为7个,则模糊规则共有49条。从模糊控制器控制规则如表2所示。

图3　主模糊控制器曲面

表2从模糊控制器控制规则

EHHTSVSSMBVBTBTSTSVSVSSSMMVSTSVSVSSMMMSVSVSSMMBBMVSSSMBBBBVSSMBBVBVBVBSMMBVBVBTBTBSMBVBVBTBTB

从模糊控制器曲面如图4所示。

图4　从模糊控制器曲面

从图4可以看出,随着太阳高度角或天顶亮度增大时,系数K也会增大,使得K与百叶窗的开度、室内天然光照度的乘积也会随之增大。经过反馈调节后,百叶窗开度会逐渐减小。

2仿真分析

2.1单模糊控制器百叶窗控制系统

单模糊控制器的仿真模型如图5所示。用阶跃输入信号模拟照度设定值(500 lx),正弦波信号模拟室内工作面照度的预测值(2 000 lx),将正弦波信号模拟的照度预测值与百叶窗开度的乘积作为室内工作面的实际照度值。

图5　单模糊控制器的仿真模型

单模糊控制器照度曲线如图6所示。

图6　单模糊控制器照度曲线

单模糊控制器百叶窗开度曲线如图7所示。

从图6、图7可见,照度仿真结果与预期相符,当太阳高度角为0°时,照度预测值与实际值都为0,百叶窗处于关闭状态。随着太阳高度角的增大,照度值和百叶窗开度随之增大。进入正午时分,太阳高度角渐渐达到最大值,为了防止过强的太阳直射光进入室内,百叶窗开度慢慢减小;到了傍晚,室内照度值减小,百叶窗开度逐渐变大。

图7　单模糊控制器百叶窗开度曲线

2.2双模糊控制器百叶窗控制系统

双模糊控制器的仿真模型如图8所示。用阶跃输入信号作为室内设定的照度值,并输入至主模糊控制器中,照度设定值为500 lx,将百叶窗的开度、模拟室内工作面照度预测值的正弦函数曲线和从模糊控制器的输出三者的乘积作为系统的输出(即系数K);对于从模糊控制器,均用正弦波信号来模拟太阳高度角和天空模式,对应的幅值分别为81.7°和45 000 lx,系统可根据调整幅值的大小来模拟不同的天气和季节,选用的三个正弦波信号频率相同。

双模糊控制器照度曲线如图9所示。

图8　双模糊控制器的仿真模型

图9　双模糊控制器照度曲线

双模糊控制器百叶窗开度曲线如图10所示。

图10　双模糊控制器百叶窗开度曲线

由图9、图10可见,双模糊控制系统室内工作面的实际照度值与照度预定值相比偏差更小,较单模糊控制系统有较大的改善。

3结语

本文采用双模糊控制器调节百叶窗开度,以遮挡强烈的阳光,限制过强的太阳光直接进入室内,并调节室内光线,从而减弱了光的方向性及窗户的亮度,同时提高了室内天然光的均匀度,可在室内墙上安装照度传感器,并对室内光源进行分区控制,最终实现节能的效果。

[1]俞立华.电气照明[M].上海:同济大学出版社,2001.

[2]肖辉.电气照明技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

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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

中图分类号：TU 855

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)05-0013-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.004

收稿日期：2016-03-01

马小军(1956—),男,教授,研究方向为建筑电气与智能化。