毕业设计开题报告

电子信息工程

一种基于PID控制的照度自动控制系统

一、 选题的背景、意义

设计一个基于PID控制的智能LED照明控制器，能够根据外界光强自适应调整LED

灯光亮度，周期性采集室内光强、温度等环境信息并及时响应用户的控制命令，达到智能控制和节约能源的目的。设计目标为延长LED光源寿命、改善工作环境、提高照明质量、实现多种照明效果，具有应用价值[1]。

随着我国经济建设的发展，照明对能源需求和消耗不断加大，城市路灯公共照明用电占城市用电量10%[2]。目前大多数公共场所照明系统依赖人工控制或触发定时的控制方式，不具备根据自然光的变化自动调节照明系统的能力，会造成环境光照过强或过弱，低效率、高能耗、光污染等问题仍然较为突出[3]。国内关于照明系统自动控制的研究逐步走向实用阶段，高压钠的模糊预测控制成功应用在人工温室，达到了较高的精度r- [4]。光源自适应控制在影像测量中取得了良好的效果，能够在0．7s内能拍摄出清晰的图像，但其系统复杂度高，不适合在公共场所推广[5]。

二、相关研究的最新成果及发展趋势

自动控制系统（automatic control systems）是在无人直接参与下可使生产过

程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。[6]自动控制系统是实现自动化的主要手段。简称自控系统[7]。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段[8]。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统[9]。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。

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控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的[10]。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器[11]。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等[12]。可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能[13]。 自动照明控制系统是利用先进电磁调压及电子感应技术，对供电进行实时监控与跟踪，自动平滑地调节电路的电压和电流幅度，改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高功率因素，降低灯具和线路的工作温度，达到优化供电目的照明控制系统[14]。

其主要特点为:1.系统可控制任意回路连续调光或开关。2.场景控制：可预先设置多个不同场景，在场景切换时淡入、淡出。3.可接入各种传感器对灯光进行自动控制。4.移动传感器：对人体红外线检测达到对灯光的控制；如人来灯亮，人走灯灭（暗）。5.光亮照度传感器：对某些场合可根据室外光线的强弱调整室内光线，如学校教室的恒照度控制。6.时间控制：某些场合可以随上下班时间调整亮度。7.红外遥控：可用手持红外遥控器对灯光进行控制。8.系统联网：可系统联网，利用上述控制手段进行综合控制或与楼宇智能控制系统联网[15]。

自动照明控制系统在确保灯具能够正常工作的条件下，给灯具输出一个最佳的照明功率，既可减少由于过压所造成的照明眩光，使灯光所发出的光线更加柔和，照明分布更均匀，又可大幅度节省电能，自动照明控制系统节电率可达20%-40%。自动照

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明控制系统它可在照明及混合电路中使用，适应性强，能在各种恶劣的电网环境和复杂的负载情况下连续稳定地工作,同时还将有效地延长灯具寿命和减少维护成本[16]。针对不同的工作场合，自动照明控制系统还可分为单相和三相两种类型[17]。

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标

1．主要内容: 设计一个基于PID控制的智能LED照明控制器，能够根据外界光强自适应调整LED灯光亮度，周期性采集室内光强、温度等环境信息并及时响应用户的控制命令，达到智能控制和节约能源的目的。设计目标为延长LED光源寿命、改善工作环境、提高照明质量、实现多种照明效果，具有应用价值。

2．基本要求: 以SST89E516RD2单片机作为核心控制单元，设计包括以下： a).硬件电路的设计。包括测量电路，调理电路，AD采样电路，控制单元电路、输出电路，电源模块等。

b).通过对单片机编程，在LCD液晶上实现测量信号的动态实时显示，显示环境信息等相关参数。

c).整合程序，编程实现照度的PID自动控制功能。 d).完善程序，增加系统稳定性。

3.研究方法：要求实现对观测点照度的自动控制，能够人工设定观测点参考照度。系统可以划分为以单片机为核心的控制部分、光强传感器的信号输入部分、LED光源的控制量输出部分、用于交互的输入输出部分。照度信息经光传感器采样后输入单片机，在单片机内部将实际照度值与设定照度值进行对比，计算出补偿照度的数字控制量。数字控制量通过调节PWM 占空比从而控制输出电压的有效值，再经执行电路驱动LED光源，从而使被控制区的照度达到设定值。构成的闭环系统减小了由于光源器件的非线性、温度漂移等因素产生的输出误差。观测点所需的照度信息采用红外方式输入，系统工作状态由LCD显示。系统框图如图所示。

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ADC 光传感器 观测点照度 光源驱动 光源 LCD显示 单片机 红外输入

开始 照度信息采样

PID计算控制量

PWM输出 是否继续 是 否 结束 软件流程图

4.技术难点：PID的参数选择，PID的硬件实现。

5.预期达到的目标：PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。 在完成毕业设计期间，主要完成以下的工作：

采样周期延时 4