Phối hợp chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo dựa trên nển tảng fuzzy logic

Nội dung text: Phối hợp chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo dựa trên nển tảng fuzzy logic

1. PHỐI HỢP CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN VÀ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO DỰA TRÊN NỂN TẢNG FUZZY LOGIC COMBINE THE DAYLIGHT AND ARTIFICIAL LIGHT BASED FUZZY LOGIC Quyền Huy Ánh (*), Lê Tấn Thanh Tùng (*), Phạm Thị Minh Thủy ( ) (*) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh ( )Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế ABSTRACT The paper present a strategy of artificial lighting control to respond the natural state of daylight based on fuzzy logic control. After building the fuzzy logic controller, simulation results using Matlab program in two scenarios are built. For each scenario, the survey simulation output responses the whole range of daylight corresponding to each of input statement. The simulation results show that the output of the fuzzy controller is good responsive the equilibrium when the input illumination changes, while the 4 zones scenario have more sensitive result than the 3 zones scenario. TÓM TẮT Bài báo trình bày phương thức điều khiển hệ thống chiếu sáng nhân tạo nhằm đáp ứng lại trạng thái của chiếu sáng tự nhiên dựa trên nền tảng điều khiển fuzzy. Sau khi xây dựng được bộ điều khiển fuzzy, kết quả được mô phỏng bằng chương trình Matlab trên 2 kịch bản chiếu sáng được dựng sẵn. Ứng với từng kịch bản, mô phỏng khảo sát đáp ứng ngõ ra trong toàn bộ trường ánh sáng tự nhiên ứng với từng vùng chiếu sáng của trạng thái ngõ vào. Kết quả mô phỏng cho thấy ngõ ra của bộ điều khiển fuzzy đáp ứng tốt mức cân bằng độ rọi khi trạng thái ngõ vào thay đổi, đồng thời kịch bản phân 4 vùng điều khiển cũng cho kết quả nhạy hơn so với kịch bản điều khiển trên 3 phân vùng. I. ĐẶT VẤN ĐỀ đổi của ánh sáng tự nhiên, yếu tố luôn thay Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày đổi theo thời gian trong ngày. Bên cạnh đó, càng tăng, tổng nhu cầu năng lượng trong bộ điều khiển fuzzy còn có khả năng chống công trình ngày càng được xem xét và tối lại tín hiệu nhiễu của môi trường do hiện ưu nhằm cực tiểu hóa nhu cầu năng lượng. tượng mây che hay bóng râm thoáng qua do Mặc dù tham gia rất nhỏ vào tổng cơ cấu hàm ngõ ra là không tuyến tính. năng lượng công trình nhưng hệ thống II. PHỐI HỢP CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN chiếu sáng đóng vai trò quan trọng liên VÀ NHÂN TẠO TRONG CÔNG TRÌNH quan đến tiện nghi của môi trường làm việc nên hệ thống cần thiết được nghiên cứu một Biểu đồ quang khí hậu cho thấy ánh cách xác đáng. Ngoài các giải pháp kỹ thuật sáng mặt trời tăng dần từ sáng đến trưa, đang được ứng dụng như sử dụng đèn có giảm dần từ trưa tới tối. Từ biểu đồ quang hiệu suất cao hơn, việc tận dụng nguồn ánh khí hậu có thể xác định thời gian chiếu sáng sáng tự nhiên cần được xem xét tận dụng do tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo cần cho tính sẵn có và liên tục trong suốt thời gian công trình. Trong đó, độ rọi giới hạn ngoài làm việc trong ngày. nhà ( ) là độ rọi ngoài nhà mà lúc đó trong nhà phải mở đèn, nghĩa là giới hạn độ Sự phối hợp điều khiển giữa ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo cần xây dựng rọi vượt quá 85% [5] thời gian làm việc từ bộ điều khiển đáp ứng được sự thay đổi liên 9g sáng đến 17g chiều trong suốt những tục ánh sáng tự nhiên trong ngày. Do tính ngày làm việc trong năm. chất linh hoạt trong điều khiển dựa trên hệ thống cơ sở tri thức, bộ điều khiển fuzzy được đề xuất nhằm đáp ứng lại những thay
2. III. PHÂN VÙNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU Chiều sâu lấy sáng tối ưu phụ thuộc vào hình dạng và chiều cao cửa sổ lấy sáng, thuộc tính vật lý của vật liệu làm cửa sổ, biểu đồ quang khí hậu và hướng cửa sổ lấy sáng. Với đặc tính độ rọi ánh sáng tự nhiên là rất lớn, nhưng sẽ giảm nhanh khi qua cửa sổ lấy sáng, phân bố không điều trên mặt phẳng làm việc tính từ vị trí cửa sổ lấy sáng đi vào. Vị trí gần cửa sổ sẽ có độ rọi rất cao, nhưng với những điểm xa cửa thì độ rọi sẽ giảm nhanh chóng. Ánh sáng tự nhiên chỉ thật ảnh hưởng lớn trong vùng chiếu sáng Hình 1 - Biểu đồ độ rọi ánh sáng tản tối ưu, tùy thuộc vào thuộc tính công trình xạ trên mặt nằm ngang tại Hà Nội [1]. như có lam che nắng hay không có lam che Theo biểu đồ quang khí hậu tại Việt nắng mà độ sâu vùng chiếu sáng tối ưu dao nam, khi chọn = 5.000 lux ứng với động từ 1.5 đến 2.5 lần chiều cao cửa. Vì thời điểm từ 7g đến 17g thì: vậy, việc phân vùng điều khiển trong phòng là rất quan trọng. Miền Bắc đạt được trong suốt 8 tháng. Miền Trung đạt được suốt 9-10 tháng. Do tính chất các vùng gần cửa sổ ảnh Miền Nam đạt được gần như quanh năm. hưởng bởi sự tác động nhanh và mạnh của ánh sáng tự nhiên trong khi các vùng xa cửa Nếu chọn chọn = 3.000 lux ứng sổ hầu như ít thay đổi theo điều kiện ánh với thời điểm từ 7g đến 17g thì: sáng tự nhiên nên chiến lược điều khiển sẽ được áp dụng ở mỗi vùng là khác nhau. Tại Từ Quảng Nam trở về phía Nam đã được suốt năm. vùng biên của phòng phù hợp với điều khiển bật/tắt trong khi vùng trung tâm lại Từ Thanh Hoá đến Đà Nẵng đạt được 11 phù hợp hơn với điều khiển dimming [4]. tháng (trừ tháng 12 hoặc 1). Kết quả bài báo thực hiện mô phỏng trên Các địa phương còn lại ở miền Bắc đạt kịch bản 3 vùng điều khiển và kịch bản 4 được 10 tháng. vùng điều khiển. Đối với ánh sáng tự nhiên, hệ thống không thể điều chỉnh được nguồn sáng mà chỉ có thể điều chỉnh ở nơi đón nhận theo hướng giảm bớt (làm giảm độ sáng – không thể làm tăng độ sáng). Vì vậy, nếu chỉ “trông chờ” vào nguồn sáng tự nhiên là rất bị động và kém hiệu quả [4]. Việc kết hợp chiếu sáng tự nhiên với chiếu sáng nhân tạo sẽ làm cho bổ sung nhau và làm tăng khả năng chủ động trong việc điều khiển toàn Hình 2. Kịch bản 3 vùng điều khiển. hệ thống chiếu sáng, dễ dàng đáp ứng các Mô phỏng thực hiện trên mô hình hoạt động khác nhau trong công trình, ở “căn phòng chuẩn”, trong đó, kích thước những thời điểm khác nhau. căn phòng là 10m x 20m nhằm xem xét độ Sự kết hợp giữa chiếu sáng tự nhiên sâu chiếu sáng tự nhiên đến 20m. Căn và chiếu sáng nhân tạo phải đảm bảo được phòng được lấy sáng 1 phía với các cửa sổ mật độ năng lượng chiếu sáng, độ rọi, độ nằm phía vùng 1. Hệ thống chiếu sáng tự chói theo các yêu cầu và chức năng sử dụng nhiên được thiết kế dựa trên phần mền của các công trình. Dialux với độ rọi ánh sáng nhân tạo (Ent)
3. yêu cầu là 500 lux, sử dụng 5 x 7 = 35 bộ Quá trình mờ hóa và giải mờ hóa đèn huỳnh quang 54W. Do độ sâu vùng được thực hiện bằng cách xây dựng các chiếu sáng tối ưu trong khoảng 1.5 ~2.5 lần phát biểu ngõ vào và phát biểu ngõ ra. chiều cao cửa lấy sáng nên vùng chiếu sáng b) Phát biểu ngõ vào 1 được chọn dãy đèn đầu tiên gần cửa sổ. Khu vực còn lại được chia làm 2 phân vùng Theo biểu đồ quang khí hậu, độ rọi điều khiển chiếu sáng nhằm phù hợp các của ánh sáng tự nhiên ở Việt Nam có quang chiến thuật điều khiển bật/tắt và dimming thông dao động lên đến 40.000lux [1] và [3]. Egh được chọn theo QCXDVN là 5.000 lux, từ đó các phát biểu ngõ vào như sau: BẢNG I. BẢNG TRẠNG THÁI HÀM NGÕ VÀO Trạng thái Min Giá trị Max 0 5.000 5.000 VL(very low) (0) (0.125) (0.125) 5.000 13.000 20.000 L(low) (0.125) (0.325) (0.5) Hình 3. Kịch bản 4 vùng điều khiển. 13.000 20.000 27.000 M(medium) Kịch bản 4 vùng điều khiển được (0.325) (0.5) (0.675) chọn bằng cách chia thêm 1 vùng điều 20.000 27.000 34.000 H(high) khiển nhằm quan sát đáp ứng điều khiển tại (0.5) (0.675) (0.85) vùng 2 và vùng 3. Việc chia nhỏ vùng điều 34.000 34.000 40.000 khiển cho phép đáp ứng của hệ thống gần VH(very high) hơn với ánh hưởng của ngõ vào [2]. (0.85) (0.85) (1) IV. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN FUZZY Phát biểu cận dưới (5.000 lux) và phát a) Mô hình đối tượng điều khiển biểu cận trên (40.000 lux) được sử dụng hàm trapmf ứng với các mức (VL) và (VH). Đáp ứng của hệ thống được điều Các phát biểu trong ngưỡng 5.000 lux và khiển bằng bộ điều khiển fuzzy vòng hở. 40.000 lux được sử dụng hàm trimf tương Ngõ vào được lấy từ tín hiệu của cảm biến ứng với 3 mức (L), (M), (H). Điều này cho quang đo độ rọi của ánh sáng tự nhiên bên phép điều khiển bật/tắt hệ thống chiếu sáng ngoài công trình. Sau khi được suy diễn khi độ rọi ánh sáng tự nhiên ngoài vùng bằng thuật toán fuzzy, tín hiệu ngõ ra được điều khiển và điều khiển dimming khi độ đưa đến bộ dimmer điều khiển đèn. Sau khi rọi ánh sáng tự nhiên nằm trong vùng điều xây dựng được mô hình điều khiển, cơ sở khiển. tri thức được hình thành dựa trên các kết quả các trạng thái cụ thể được giải bằng c) Phát biểu ngõ ra Matlab [2]. Các kết quả này là cơ sở để Ngõ ra cũng được chia làm 5 mức hình thành bộ suy luận. trạng thái tương ứng là: VL(very low), L(low), M(medium), H(high), VH(very high). Phát biểu ngõ ra là đồng nhất cho các Zone 1, Zone 2, Zone 3. Các trạng thái (VL) và (VH) cũng được chọn dạng hàm trapmf với lý do khi mức điều khiển dưới 20% thì hệ thống sẽ Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ. chuyển sang trạng thái tắt và khi mức điều khiển trên 80% thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái mở. Việc này cho phép hệ thống
4. không quá nhạy với các mức (VL) và (VH)  ()x 4 A4 1 nhờ đó nâng cao được tuổi thọ sử dụng đèn. ()()()()()x  x  x  x  x AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1 Các giá trị này cũng được chọn tương A ()x1 5 5 ứng như sau: ()()()()()x  x  x  x  x AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1 BẢNG II. Bảng trạng thái hàm ngõ ra ui Vậy: Trạng thái Min Giá trị Max c5 VL(very low) 0.0 0.2 0.2 c4 L(low) 0.2 0.35 0.5 c T u1 1 2 3 4 5 3  (3) M(medium) 0.35 0.5 0.65 c2 H(high) 0.5 0.65 0.8 c 1 VH(very 0.8 0.8 1.0 Công thức tập mờ nhận dạng ngõ ra high) cho Ui là: d) Xây dựng luật hợp thành 1 ˆ TT m1 (2) Xây dựng hàm nhận dạng tập mờ cho Luật hợp thành cho trường hợp 3 ngõ ra Ui: mục đích là để nhận dạng C , C , 1 2 vùng điều khiển: C3, C4, C5, C6, C7 cho hàm ngõ ra Ui. Việc If (X1 is VL) xây dựng các luận hợp thành dựa vào các then (U1 is VH) (U2 is VH) (U3 is VH) kịch bản chiếu sáng đã được xây dựng dựa If (X1 is L) trên “cơ sở tri thức”. Các kịch bản này là cơ then (U1 is M) (U2 is VH) (U3 is VH) sở để fuzzy logic suy luận dựa trên phương If (X1 is M) then (U1 is M) (U2 is H) (U3 is VH) pháp trung bình. If (X1 is H) then (U1 is VL) (U2 is M) (U3 is H) If (X1 is VH) then (U1 is VL) (U2 is L) (U3 is M) Hình 5. Các hệ số tập mờ. Thực hiện giải mờ bằng phương pháp trung bình: Hình 6. Bộ điều khiển fuzzy cho trường hợp 4 vùng điều khiển. c()()()()() x c  x c  x c  x c  x u1 5AAAAA1 14213 3 12 4 11 5 1 Tương tự, luật hợp thành cho trường ()()()()()x  x  x  x  x AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1 hợp 4 vùng điều khiển như sau: If (X1 is VL) (1) then (U1 is VH) (U2 is VH) (U3 is VH) (U4 is VH) Đặt: If (X1 is L)  ()x then (U1 is M) (U2 is H) (U3 is VH) (U4 is VH) 1 A1 1 ()()()()()x  x  x  x  x If (X1 is M) AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1 then (U1 is M) (U2 is H) (U3 is H) (U4 is VH)  ()x If (X1 is H) 2 A2 1 ()()()()()x  x  x  x  x then (U1 is L) (U2 is M) (U3 is M) (U4 is H) AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1 If (X1 is VH)  ()x 3 A3 1 then (U1 is VL) (U2 is VL) (U3 is L) (U4 is M) ()()()()()x  x  x  x  x AAAAA11 2 1 3 1 4 1 5 1
5. BẢNG IV – KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ MẶT BẰNG ĐẲNG a) Kết quả mô phỏng 3 vùng điều khiển ĐỘ RỌI TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP. Trường hợp 1 (3.500 lux) Hình 7. Mô hình điều khiển3 vùng. BẢNG III – KẾT QUẢ NGÕ RA CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG DỰA TRÊN FUZZY LOGIC Trường hợp U1 U2 U3 Trường hợp 1 1 1 1 (3.500 lux) Trường hợp 2 0.5 1 1 Trường hợp 2 (8.000 lux) (8.000 lux) Trường hợp 3 0.5 0.73 1 (18.000 lux) Trường hợp 4 0.23 0.55 0.73 (25.000 lux) Trường hợp 5 0 0.5 0.65 (30.000 lux) Trường hợp 6 0 0.35 0.5 (40.000 lux) Trường hợp 3 (18.000 lux) b) Kết quả mô phỏng 4 vùng điều khiển Trường hợp 4 (25.000 lux) Hình 8. Mô hình điều khiển 4 vùng. BẢNG V – KẾT QUẢ NGÕ RA CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG DỰA TRÊN FUZZY LOGIC Trường hợp U1 U2 U3 U4 Trường hợp 1 Trường hợp 5 (30.000 lux) 1 1 1 1 (3.500 lux) Trường hợp 2 0.5 0.65 1 1 (8.000 lux) Trường hợp 3 0.5 0.65 0.73 1 (18.000 lux) Trường hợp 4 0.5 0.65 0.65 1 (25.000 lux) Trường hợp 5 Trường hợp 6 (40.000 lux) 0.5 0.5 0.5 0.5 (30.000 lux) Trường hợp 6 0 0 0.35 0.43 (40.000 lux)
6. BẢNG VI - KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG kịch bản 3 phân vùng và kịch bản 4 phân CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ MẶT BẰNG ĐẲNG vùng. Tại vùng 1 và cùng 3 của cả hai kịch ĐỘ RỌI TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP. bản điều khiển, bộ điều khiển fuzzy đáp ứng các trạng thái tắt/mở do độ chênh lệch ngõ vào là lớn. Trường hợp 1 (3.500 lux) Hình 9. Đáp ứng ngõ ra trong 2 kịch bản điều khiển. Trường hợp 2 (8.000 lux) Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển fuzzy thật sự hiệu quả trong vùng chiếu sáng tối ưu tương ứng với chiến lược điều khiển dimming. Tại các vùng gần cửa lấy sáng hay vùng xa cửa lấy sáng thì phù hợp hơn với chiến lược điều khiển tắt/mở. Trường hợp 3 (18.000 lux) VI. KẾT LUẬN Kết quả mô phỏng các trường hợp phối hợp ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo cho thấy quang thông của hệ thống chiếu sáng nhân tạo được giảm đáng kể tại vùng gần cửa sổ và vùng chiếu sáng tối ưu. Trường hợp 4 (25.000 lux) Phương pháp phân vùng được đề xuất dựa trên độ sâu chiếu sáng tự nhiên là phù hợp với hầu hết các loại công trình có sử dụng ánh sáng tự nhiên. Việc phân vùng chiếu sáng đưa ra các chiến lược điều khiển ánh sáng nhân tạo theo điều kiện ánh sáng Trường hợp 5 (30.000 lux) tự nhiên phù hợp. Thuật toán fuzzy cho phép hệ thống đáp ứng mềm hơn với những trạng thái ngõ vào. Kết quả mô phỏng thuật toán fuzzy điều khiển chiếu sáng nhân tạo kết hợp chiếu sáng tự nhiên cho thấy khả năng tiết Trường hợp 6 (40.000 lux) kiệm năng lượng đáng kể từ hệ thống này. So sánh kết quả giữa 2 kịch bản điều VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO khiển 3 phần vùng và 4 phân vùng cho thấy [1] Nguyễn Duy Dinh, Nghiên cứu đặc điểm khí bộ điều khiển fuzzy đáp ứng tốt với những hậu ánh sáng ở Việt Nam để hoàn thiện bản thay đổi của độ rọi tự nhiên bên ngoài công đồ phân vùng khí hậu ánh sáng và đề xuất trình. Bộ điều khiển fuzzy đáp ứng sát nhất phương án tính toán, sử dụng ánh sáng tự với sự biến thiên ngõ vào tại vùng 2 của nhiên ở Việt Nam, 1986-1990.
7. [2] A. Cziker, M. Chindris, A. Miron, Fuzzy controller for indoor lighting system with daylighting contribution, Technical University of Cluj-Napoca / Power System Department, Cluj-Napoca, Romania, ELECO 2007. [3] A. Cziker, M. Chindris, Anca Miron, Fuzzy Controller for a Shaded Daylighting System, Technical University of Cluj-Napoca / Power System Department, Cluj-Napoca, Romania, 2008. [4] A. Cziker, M. Chindris, A. Miron, Implementation of Fuzzy Logic in Daylighting Control, Technical University of Cluj-Napoca / Power System Department, Cluj-Napoca, Romania, INES 2007. [5] Sherif Matta, Syed Masud Mahmud, An Intelligent Light Control System, for Power Saving, Wayne State University, Detroit, Michigan, IECON 2010. [6] Girija H Kulkarni, Poorva G Waingankar, Fuzzy Logic Based Traffic Light Controller, Unique Academy, Nashik, India, IAS 2011.
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.