基于模糊PID的建筑照明恒照度控制策略研究

一、引言

在当今社会，建筑能耗在总能源消耗中占比日益增大，照明能耗作为建筑能耗的重要组成部分，其优化控制意义重大。传统的建筑照明控制方式 控 制等 存在诸多弊端。定时控制虽然能够按照预设时间进行开关操作，但在实际 变化和实际需求的动态响应能力。PID 控制作为工业控制领域的 优点得到广泛应用。将模糊控制与PID 控制相结合形成的模糊PID 控制策 照度控制提供了创新且有效的解决方案。

二、建筑照明系统与控制理论基础

（一）建筑照明系统组成与需求

建筑照明系统是一个复杂的有机整体，主要由照明灯具、光源、控制装置和传感器等部分组成。照明灯具类型丰富多样，吊灯常用于酒店大堂、宴会厅等空间开阔、需要营造豪华氛围的场所；吸顶灯因简洁美观、安装方便，常见于家庭卧室、客厅；壁灯作为辅助照明，多安装在走廊、楼梯等区域，兼具装饰和照明功能；筒灯和射灯则常用于商业店铺、展览馆，用于重点照明，突出展示商品或展品。

控制装置是实现建筑照明系统智能化控制的核心。早期控制装置功能单一，主要为机械开关和调光器。随着电子与计算机技术发展，现代控制装置向智能化、自动化方向发展，可实现远程控制、场景控制、自动调光等功能。

（二）PID 与模糊控制理论要点

PID 控制器由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个基本环节构成，根据系统给定值与实际输出值的偏差，通过比例、积分、微分运算输出控制量，调节被控对象，使系统输出接近给定值，达到稳定系统的目的。

模糊控制基于模糊数学理论，适用于复杂系统控制。其基本原理包括模糊化、模糊推理和清晰化三个步骤。模糊化将输入精确量转换为模糊量，先定义模糊语言变量。模糊推理依据预先制定的模糊控制规则，对模糊化后的输入推理运算得出模糊控制输出。规则基于专家经验或实际数据，以“如果„„那么„„”形式表达。清晰化将模糊推理的模糊输出转换为精确控制量，常见方法有重心法、最大隶属度法等。

三、模糊PID 控制器设计与工作原

（一）控制器整体架构

基于模糊 PID 的建筑照明恒照度控制器旨在融合模糊控制和 PID 控制优势，实现高精度、稳定控制。在系统运行初期偏差大时，模糊 PID 控制器快速调整 PID 参数，加快系统响应、减少偏差；系统接近稳定状态时，自动调整参数，减小超调量，提高控制精度，实现稳定恒照度控制。

模糊 PID 控制器由模糊化、模糊推理、清晰化和 PID 控制四个模块构成。模糊化模块将精确输入量转换为模糊量；模糊推理模块依据规则推理运算，得出 PID 参数模糊调整量；清晰化模块将模糊输出转换为精确调整值；PID 控制模块根据调整后的参数控制灯具亮度。

（二）模糊控制关键环节设计

在模糊 PID 控制器中，模糊控制关键环节包括模糊化设计、模糊控制规则制定、模糊推理与清晰化，其设计质量直接影响控制器性能。

模糊控制规则是核心，需深入分析建筑照明系统特性并借鉴专家经验制定。通过分析各种偏差和偏差变化率组合，制定完整、合理的模糊控制规则，以“如果„„那么„„”形式呈现并整理成表，作为模糊推理依据，决定控制器对不同工况的响应策略和控制效果。模糊推理采用 Mamdani 推理法等，根据规则和输入模糊量合成运算得出模糊输出。采用重心法等清晰化方法，将模糊输出转换为具体 PID 参数调整值，实现对 PID 参数的有效调整，使控制器能根据系统运行状态动态优化控制策略。

四、基于模糊PID 的照明控制系统实现

（一）硬件系统搭建

基于模糊 PID 的建筑照明恒照度控制系统硬件主要由控制器、传感器和执行器组成，各部分协同完成对建筑照明系统的监测与控制。

控制器作为核心处理单元，接收传感器数据，执行模糊 PID 控制算法，向执行器发送控制指令。选型时，PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、易于维护， 于大型建筑 定性要求高的场所；单片机成本低、灵活性高，适合小型建筑照明控制系统 发。 光照 型，能准确感知环境光照强度并快速转换为电信号输出，为控制器提供 人体红外传感器检测 员存在与否，实现智能照明控制；声音传感器可用于特定场所，根据声 明开关。执行器采用可调光的 LED 驱动电源，能够精准接收控制器的控制信号，实现对LED 灯具亮度的连续调节。

（二）软件系统开发

软件系统开发是基于模糊 PID 的建筑照明恒照度控制系统实现的关键，主要包括控制器程序编写和上位机监控程序设计。

控制器程序实现模糊 PID 控制算法，采用模块化编程思想，将模糊化、模糊推理、清晰化以及 PID 控制等功能模块独立编写，提高程序的可读性和可维护性。在程序编写过程中，需根据硬件平台的特点和资源，合理优化算法代码，确保程序高效运行。上位机监控程序用于实时显示建筑照明系统的运行状态，包括光照强度设定值、实际值、PID 参数等信息，方便用户直观了解系统运行情况。同时，上位机监控程序还支持用户对控制参数进行远程设置和调整，实现远程监控和管理功能。

（三）系统调试与优化

系统调试与优化是确保基于模糊PID 的建筑照明恒照度控制系统正常运行和达到良好控制效果的重要环节。

首先进行硬件调试，检查传感器、执行器与控制器之间的连接是否正确，电气线路是否存在短路、断路等问题。通过测量各部件的工作电压、电流等参数，判断硬件设备是否正常工作。对于发现的硬件故障，及时进行修复或更换部件。然后进行软件调试，通过模拟输入信号，验证模糊 PID 控制算法的正确性和有效性。在调试过程中，逐步调整输入信号，观察系统的输出响应，检查控制器是否能根据输入信号的变化，准确调整 PID参数，实现对灯具亮度的精确控制。根据调试过程中出现的问题，对模糊控制规则、隶属度函数以及 PID 参数进行优化调整。

五、结论与展望

本文研究的基于模糊 PID 的建筑照明恒照度控制策略，成功融合了 PID 控制和模糊控制的优势，针对建筑照明系统的特性，设计并实现了一套完整的控制方案。通过实际应用和调试表明，该策略能够显著提高建筑照明系统照度控制精度与稳定性，有效满足了不同场景下对建筑照明的需求，同时在节能方面也展现出良好的效果，为建筑照明系统的智能化、节能化发展提供了理论与技术支持。通过对建筑内各类设备的运行数据进行实时监测和分析，实现能源的合理分配和优化利用，进一步降低建筑能耗，推动建筑行业向绿色、可持续方向发展。

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