本發(fā)明屬于極值搜索
技術(shù)領(lǐng)域：
，更為具體地講，涉及一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法。
背景技術(shù)：
：據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球能源耗用與日趨增的同時(shí)，電能消耗量也在隨之攀升，其中單照明便占全球全年總用電量20％之高。顯然，節(jié)約電能，降低電能的使用量是整個(gè)節(jié)能工程必不可少的一部分。本發(fā)明以更好的節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)在照明系統(tǒng)中能最大限度的降低能耗。在現(xiàn)有的技術(shù)中，采用pid控制算法和基于梯度的極值搜索算法的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用pid控制算法保證了目標(biāo)區(qū)域照度值穩(wěn)定在設(shè)定照度值附近，實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)能，采用梯度極值搜索算法在滿足照度需求的情況下尋找到系統(tǒng)能耗的極小值，并保持最小值穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)了二次節(jié)能，對(duì)于應(yīng)用在照明系統(tǒng)節(jié)能上有著重要的控制作用。在上述發(fā)明中，對(duì)照明系統(tǒng)中的燈具進(jìn)行分組控制，這有助于對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行靈活控制，通過對(duì)燈具分組后采用梯度極值搜索方法尋找相對(duì)最低能耗值的算法，對(duì)照明系統(tǒng)節(jié)能而言是一種新型且有效地控制方法。然而，采用梯度極值搜索最低能耗值時(shí)，其搜索的效率低，需要消耗大量時(shí)間，且搜索精確度不夠準(zhǔn)確，不能更快更準(zhǔn)的尋找到系統(tǒng)能耗的極小值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法，采用分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法在滿足照度需求的情況下，能更快更準(zhǔn)的尋找到系統(tǒng)能耗的極小值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)、將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具劃分為n組，每組燈具的電流分配系數(shù)為ω，其中，ω＝[ω1,ω2,ω3,...,ωn]t，且通過改變電流分配系數(shù)ω的值來控制各組燈具的亮度；在照度控制區(qū)域安裝一個(gè)光傳感器，用于照度控制區(qū)域照度的采集；(2)、設(shè)定照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值，初始化每組燈具的電流分配系數(shù)計(jì)算出所有燈具的初始能耗e；其中，i表示所有燈具的總電流，ri表示第i組燈具的電阻值；(3)、將初始能耗e經(jīng)過一個(gè)分?jǐn)?shù)階高通濾波器濾除信號(hào)的直流分量γ，產(chǎn)生新的信號(hào)e-γ，即其中，s表示s域，q為分?jǐn)?shù)階的階次，且0＜q≤1，ωh為分?jǐn)?shù)階高通濾波器的截止頻率；(4)、將信號(hào)e-γ先經(jīng)過擾動(dòng)f(t)的作用后，再輸入至一個(gè)頻率為ωl的分?jǐn)?shù)階低通濾波器產(chǎn)生出穩(wěn)定的信號(hào)即(5)、將信號(hào)通過一個(gè)分?jǐn)?shù)階積分器得到每組燈具的電流分配系數(shù)ω的估計(jì)值即其中，k為分?jǐn)?shù)階積分器增益；(6)、將估計(jì)值與擾動(dòng)w(t)作和后得到各組燈具的電流分配系數(shù)ω，即(7)、利用步驟(6)得到的各組燈具的電流分配系數(shù)ωi更新各組燈具的初始電流分配系數(shù)并按照步驟(2)所述方法計(jì)算本輪迭代的總能耗，判斷本輪迭代的總能耗與上一輪迭代的總能耗的差值δe是否小于設(shè)定的閾值，如果小于閾值，則結(jié)束；否則返回步驟(3)，通過多次循環(huán)迭代，最終搜索到穩(wěn)定的最小能耗值。本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法，通過實(shí)時(shí)跟蹤所設(shè)照度值，使目標(biāo)區(qū)域照度值穩(wěn)定在所設(shè)照度值范圍內(nèi)，再通過分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索控制算法搜索到系統(tǒng)能耗的相對(duì)極小值，使燈具達(dá)到并保持相對(duì)最低能耗值的組合輸出，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能。同時(shí)，本發(fā)明一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法還具有以下有益效果：(1)、本發(fā)明是在之前發(fā)明的基礎(chǔ)上，對(duì)基于梯度極值搜索算法進(jìn)行了優(yōu)化，得到一個(gè)分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法，新算法相對(duì)于原整數(shù)階極值搜索算法擁有相似的概念和分析方法，但搜索結(jié)果相比較，新算法在搜索效率上更快，搜索精確度上更精確。(2)、本發(fā)明引入了系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階次，相對(duì)于原梯度極值搜索算法，該算法采用分?jǐn)?shù)階求導(dǎo)，將原梯度極值搜索算法進(jìn)行了擴(kuò)展，使該算法的適應(yīng)性得到了提高，通過調(diào)整分?jǐn)?shù)階的階次q，可以使該算法更快更準(zhǔn)的搜索到最小能耗點(diǎn)，其次，引入分?jǐn)?shù)階次使系統(tǒng)的性能調(diào)節(jié)范圍變大，適應(yīng)性得到提高，故可得到更好的優(yōu)化效果。(3)、本發(fā)明在保證目標(biāo)區(qū)域照度值維持在期望值時(shí)，該算法通過調(diào)節(jié)各燈組的電流分配系數(shù)，使該照明系統(tǒng)消耗的能耗值保持最低。(4)、本發(fā)明利用擾動(dòng)的作用，在某一迭代點(diǎn)處沿能耗下降的方向，尋找到下一個(gè)迭代點(diǎn)，一直循環(huán)下去，直到能耗維持在一個(gè)穩(wěn)定的最小值，這樣在搜索最優(yōu)能耗的同時(shí)可保證目標(biāo)區(qū)域照度值穩(wěn)定在用戶設(shè)定照度值附近，這樣即滿足了用戶的需求，又達(dá)到了節(jié)能的效果。附圖說明圖1是本發(fā)明基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法流程圖；圖2是照度控制區(qū)域內(nèi)照明的所有燈具劃分為兩組示意圖；圖3是兩組燈遍歷實(shí)驗(yàn)中實(shí)際光照值隨時(shí)間的變化圖；圖4是兩組燈遍歷實(shí)驗(yàn)中能耗e與電流分配系數(shù)ω之間的關(guān)系；圖5是燈具分兩組時(shí)分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中實(shí)際光照值隨時(shí)間的變化；圖6是燈具分兩組時(shí)分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中能耗隨時(shí)間的變化；圖7是燈具分兩組時(shí)新舊算法能耗隨時(shí)間的變化對(duì)比；圖8是燈具分兩組時(shí)變光照值分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中實(shí)際光照值隨時(shí)間變化；圖9是燈具分兩組時(shí)變光照值分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中能耗隨時(shí)間的變化；圖10是燈具分兩組時(shí)變光照值新舊算法能耗隨時(shí)間的變化對(duì)比；圖11是照度控制區(qū)域內(nèi)照明的所有燈具劃分為三組示意圖；圖12是三組燈遍歷實(shí)驗(yàn)中能耗e與電流分配系數(shù)ω1和ω2之間的關(guān)系；圖13是燈具分三組時(shí)變光照值分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中實(shí)際光照值隨時(shí)間變化；圖14是燈具分三組時(shí)變光照值分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索中能耗隨時(shí)間的變化；圖15是燈具分三組時(shí)變光照值新舊算法能耗隨時(shí)間的變化對(duì)比。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。實(shí)施例在本實(shí)施例中，將本發(fā)明應(yīng)用于智能照明實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，下面對(duì)該平臺(tái)的運(yùn)作流程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。照明平臺(tái)主要包括小房子、小燈、光照度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦。光照度傳感器將當(dāng)前小房子內(nèi)特定區(qū)域的光照值通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給電腦，電腦作為控制器對(duì)采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，分別控制各燈組的照度值，從而構(gòu)成了整個(gè)照明控制閉環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明采用分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索控制的照明系統(tǒng)最低能耗搜索方法，包括使目標(biāo)區(qū)域照度值穩(wěn)定在用戶設(shè)定照度值附近的控制方法和基于分?jǐn)?shù)階梯度法的極值搜索控制方法。為使目標(biāo)區(qū)域照度值穩(wěn)定在用戶期望照度值附近，我們采用簡(jiǎn)單的pid控制，將采集到的特定區(qū)域的照度值與期望照度值比較產(chǎn)生差值，該差值經(jīng)過pid控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，該控制量由極值搜索算法按一定的比例分配給各個(gè)燈組，以控制各組燈的光照度，使得目標(biāo)區(qū)域的光照度維持在期望值附近。我們要保證在極值搜索算法進(jìn)行搜索時(shí)，即pid輸出的控制量的分配比例在變化時(shí)，目標(biāo)區(qū)域的光照度要維持在期望值附近。下面結(jié)合圖1，對(duì)本發(fā)明一種基于照明平臺(tái)的分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索方法進(jìn)行詳細(xì)說明，具體包括以下步驟：s1、將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具劃分為n組，每組燈具的電流分配系數(shù)為ω，其中，ω＝[ω1,ω2,ω3,...,ωn]t，且通過改變電流分配系數(shù)ω的值來控制各組燈具的亮度；在照度控制區(qū)域安裝一個(gè)光傳感器，用于照度控制區(qū)域照度的采集；s2、設(shè)定照度控制區(qū)域的目標(biāo)照度值，初始化每組燈具的電流分配系數(shù)在當(dāng)前電流分配系數(shù)的前提下，由pid控制實(shí)現(xiàn)照度控制區(qū)域的實(shí)際照度值達(dá)到期望照度值，輸出相應(yīng)的控制量i。由此計(jì)算出所有燈具的初始能耗e；其中，i表示所有燈具的總電流，ri表示第i組燈具的電阻值；s3、將初始能耗e經(jīng)過一個(gè)分?jǐn)?shù)階高通濾波器濾除信號(hào)的直流分量γ，產(chǎn)生新的信號(hào)e-γ，即其中，s表示s域，q為分?jǐn)?shù)階的階次，且0＜q≤1，ωh為分?jǐn)?shù)階高通濾波器的截止頻率；該過程經(jīng)反拉氏變換，由s域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，得到s4、將信號(hào)e-γ先經(jīng)過擾動(dòng)f(t)的作用后，再輸入至一個(gè)頻率為ωl的分?jǐn)?shù)階低通濾波器產(chǎn)生出穩(wěn)定的信號(hào)即將該過程由s域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，有其中，擾動(dòng)f(t)的表達(dá)式為：其中，ai為設(shè)計(jì)參數(shù)，i＝1,2,...,n，σi為擾動(dòng)頻率，[·]t表示轉(zhuǎn)置；s5、將信號(hào)通過一個(gè)分?jǐn)?shù)階積分器得到每組燈具的電流分配系數(shù)ω的估計(jì)值即其中，k為分?jǐn)?shù)階積分器增益；同樣將該過程由s域轉(zhuǎn)換到時(shí)域得到s6、將估計(jì)值與擾動(dòng)w(t)作和后得到各組燈具的電流分配系數(shù)ω，即其中，擾動(dòng)w(t)的表達(dá)式為：w(t)＝[a1sinσ1t,...,ansinσnt]ts7、利用步驟s6得到的各組燈具的電流分配系數(shù)ωi更新各組燈具的初始電流分配系數(shù)并按照步驟s2所述方法計(jì)算本輪迭代的總能耗，判斷本輪迭代的總能耗與上一輪迭代的總能耗的差值δe是否小于設(shè)定的閾值，如果小于閾值，則結(jié)束；否則返回步驟s3，通過多次循環(huán)迭代，最終搜索到穩(wěn)定的最小能耗值。實(shí)例在本實(shí)施例中，我們將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具分為兩組，分組示意圖如圖3所示，設(shè)定目標(biāo)區(qū)域照度值45lux，55lux，65lux，對(duì)3個(gè)照度設(shè)定值分別進(jìn)行遍歷實(shí)驗(yàn)。在照度設(shè)定值為45lux情況下，目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H照度值隨時(shí)間的變化如圖3所示；同時(shí)得到該照度設(shè)定值情況下的電流分配系數(shù)ω及其對(duì)應(yīng)的能耗值e之間的關(guān)系如圖4所示。在相同的分組情況下，分別對(duì)照度設(shè)定值為55lux及65lux進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示；表1設(shè)定目標(biāo)區(qū)域照度值55lux，進(jìn)行分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索算法可行性的驗(yàn)證。保持小燈分組情況不變，采用分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法搜索該情況下照明平臺(tái)的最小能耗點(diǎn)，得到目標(biāo)區(qū)域光照隨時(shí)間的變化如圖5，該照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化如圖6。可知該算法在保證目標(biāo)區(qū)域照度值維持55lux的同時(shí)，搜索到穩(wěn)定的最小能耗e，且在e*誤差的27％范圍內(nèi)，即我們認(rèn)為該算法可以搜索到照明平臺(tái)的最小能耗值。保持上述條件不變，改用原梯度極值搜索算法，得到該算法對(duì)應(yīng)的照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化，與分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法的結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖可以看出，運(yùn)用分?jǐn)?shù)階極值搜索方法可以更準(zhǔn)確的搜到系統(tǒng)的最小能耗點(diǎn)，而且搜索過程抖顫較小，更加穩(wěn)定。下面進(jìn)行變光照值實(shí)驗(yàn)，光照設(shè)定值隨時(shí)間的變化發(fā)生跳變，每150秒變一次，分別為55lux，65lux，45lux，保持小燈的分組情況不變。首先進(jìn)行分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索算法可行性的驗(yàn)證，利用該算法搜索各光照設(shè)定值對(duì)應(yīng)的照明平臺(tái)最小能耗點(diǎn)，得到目標(biāo)區(qū)域光照隨時(shí)間的變化如圖8，該照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化如圖9。首先，由圖形可以看出，該算法適用于用戶對(duì)照明需求有變化的情況，且在實(shí)際光照度維持在變化的設(shè)定值附近時(shí)，該算法搜索到的能耗在最小能耗的27％誤差范圍內(nèi)，即可以搜索到極值。保持上述條件不變，改用原梯度極值搜索算法，得到該算法對(duì)應(yīng)的照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化，與分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法的結(jié)果對(duì)比如圖10所示。可以看出分?jǐn)?shù)階極值搜索搜索的最小能耗值更加準(zhǔn)確，而且抖顫更小，說明了該算法相對(duì)于原梯度極值搜索算法擁有更好的性能。下面我們將用于照度控制區(qū)域照明的所有燈具分為三組，分組示意圖如圖11所示，設(shè)定目標(biāo)區(qū)域照度值40lux，50lux，60lux，對(duì)3個(gè)照度設(shè)定值分別進(jìn)行遍歷實(shí)驗(yàn)。在設(shè)定值為40lux時(shí)，在目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H照度維持在設(shè)定值情況下，得到電流分配系數(shù)ω1，ω2及其對(duì)應(yīng)的能耗值e之間的關(guān)系，如圖12所示同樣我們可以得到設(shè)定值為50lux和60lux情況下的圖形和數(shù)據(jù)，由于該圖形基本相同，這里不予展示，所測(cè)的結(jié)果如表2所示；光照設(shè)定值(lux)405060最低能耗值e*0.91391.45322.2e*誤差范圍1+5％0.95961.52592.31e*誤差范圍1+27％1.16071.84562.794表2下面進(jìn)行變光照值實(shí)驗(yàn)，光照設(shè)定值隨時(shí)間的變化發(fā)生跳變，每150秒變一次，分別為60lux，40lux，50lux，保持小燈的分組情況不變。首先進(jìn)行分?jǐn)?shù)階梯度法極值搜索算法可行性的驗(yàn)證，利用該算法搜索各光照設(shè)定值對(duì)應(yīng)的照明平臺(tái)最小能耗點(diǎn)，得到目標(biāo)區(qū)域光照隨時(shí)間的變化如圖13，該照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化如圖14?？芍撍惴ㄔ趯?shí)際照度值達(dá)到并維持設(shè)定值的情況下，搜索到的能耗值在最小能耗值27％的誤差范圍內(nèi)，即該算法搜索到了最小能耗點(diǎn)。保持上述條件不變，改用原梯度極值搜索算法，得到該算法對(duì)應(yīng)的照明平臺(tái)小燈總能耗隨時(shí)間的變化，與分?jǐn)?shù)階梯度極值搜索算法的結(jié)果對(duì)比如圖15所示。由對(duì)比圖形可知，分?jǐn)?shù)階算法相對(duì)于原算法搜索到的能耗值更加接近最小能耗值，即搜索的極值更加準(zhǔn)確，并且算法的穩(wěn)定性更好，從而實(shí)現(xiàn)了更加節(jié)能的目標(biāo)。盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。當(dāng)前第1頁12