夏華鳳，劉艷君，徐雪藝，丁恩宇，吳韻，呂煜坤

（1.泰州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇泰州225300；2.江南大學(xué)控制科學(xué)與工程研究中心，江蘇無(wú)錫214122）

基于智能控制技術(shù)的家居系統(tǒng)的研究

夏華鳳1，劉艷君2，徐雪藝1，丁恩宇1，吳韻1，呂煜坤1

（1.泰州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇泰州225300；2.江南大學(xué)控制科學(xué)與工程研究中心，江蘇無(wú)錫214122）

家居系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，具有非線性時(shí)變及變量之間動(dòng)態(tài)耦合，不易建立精確的數(shù)學(xué)方程，將PLC控制技術(shù)和基于平均速度的粒子群優(yōu)化模糊PID算法相結(jié)合，通過(guò)電力載波線組網(wǎng)，采用組態(tài)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居智能控制。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地開(kāi)窗通風(fēng)、啟動(dòng)窗簾調(diào)光及開(kāi)啟空調(diào)調(diào)溫等，使家居溫度穩(wěn)定，環(huán)境舒適，而且界面簡(jiǎn)單易操作，方便在線修改，推廣價(jià)值良好。

家居智能；平均速度；粒子群算法；模糊PID；PLC

【本文獻(xiàn)信息】夏華鳳，劉艷君，徐雪藝，等.基于智能控制技術(shù)的家居系統(tǒng)的研究［J］.電視技術(shù)，2015，39（10）.

智能家居是一個(gè)能提供不同功能的建筑實(shí)體，通過(guò)信息通信技術(shù)使其內(nèi)部一系列的產(chǎn)品和服務(wù)具有互操作性而實(shí)現(xiàn)其附加功能［1］。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線及電力線是目前用于家居網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)。無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)具有節(jié)省布線、方便設(shè)備安裝、輕松分離強(qiáng)弱電等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居系統(tǒng)中發(fā)展迅猛，家居網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee、藍(lán)牙、Z-wave、WiFi等?，F(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)技術(shù)比較成熟，在家居網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用比較廣泛，家居網(wǎng)絡(luò)中使用RS-485、SCS-BUS及CAN總線等總線技術(shù)。無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)存在頻譜干擾和信號(hào)穿墻衰減等缺點(diǎn)，總線組網(wǎng)需要重新敷設(shè)線纜，難免需要穿墻打洞。而電力線組網(wǎng)則無(wú)需布線，且永久在線［2］。本文提出以電力載波線組網(wǎng)的家居智能控制，充分利用已有的設(shè)施，避免破壞建筑物和設(shè)施，大大節(jié)約資源。由于PLC可靠的運(yùn)行、易于操作、便于開(kāi)發(fā)，選用PLC結(jié)合智能控制技術(shù)使家居系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地通過(guò)開(kāi)窗通風(fēng)、啟動(dòng)窗簾調(diào)光及開(kāi)啟空調(diào)調(diào)溫等，使家居溫度穩(wěn)定，環(huán)境舒適；利用組態(tài)觸摸屏的可視化界面，方便操作，支持在線修改，是未來(lái)家居智能化的發(fā)展方向。

1　系統(tǒng)總體框架

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的家居控制系統(tǒng)布局如圖1所示［3］。電力線完成家居內(nèi)部組網(wǎng)，通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)通信，內(nèi)網(wǎng)通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程終端可以通過(guò)訪問(wèn)PC機(jī)上的組態(tài)畫面對(duì)家居內(nèi)部進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1　系統(tǒng)布局圖

1.2系統(tǒng)主要功能說(shuō)明

每一個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)RS-232接口掛接在電力線上，完成相互間的通信。照明系統(tǒng)分為可調(diào)光燈具和不可調(diào)光燈具。家電分為信息家電［4］、普通家電和紅外家電，普通家電通過(guò)加接智能插座，紅外家電通過(guò)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，從而和信息家電一樣進(jìn)行簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)量處理（空調(diào)除外）。PLC結(jié)合基于平均速度的粒子群優(yōu)化模糊PID算法，協(xié)同照明系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、安防系統(tǒng)及部分家電動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度和光照度等的處理，從而實(shí)現(xiàn)家居智能控制。

2　家居智能控制的數(shù)據(jù)處理

2.1簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)量的處理

該系統(tǒng)有許多簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)量（電視機(jī)、洗衣機(jī)、門、窗、燈、飲水機(jī)、閥門等），PLC對(duì)這些開(kāi)關(guān)量的處理通過(guò)簡(jiǎn)單的編程就可以實(shí)現(xiàn)。

2.2家居環(huán)境系統(tǒng)的處理

家居系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響環(huán)境溫濕度、空氣質(zhì)量和光照度等的因素很多，而且這些量之間是相互影響的，比如遮陽(yáng)時(shí)溫度會(huì)降低，溫度過(guò)高時(shí)采取降溫措施濕度會(huì)升高，加大濕度時(shí)溫度又會(huì)變化，對(duì)這些物理量采取經(jīng)典的PID控制，效果不甚理想。本文采用將模糊PID控制和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)這些量的控制，不僅具有直接PID控制的簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，搜索速度快，從而達(dá)到理想的效果。

2.2.1家居環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

家居環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量和光照度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各類傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)整送到模糊PID控制器，PLC根據(jù)模糊PID控制器優(yōu)化后的參數(shù)kp，ki，kd產(chǎn)生的決策信號(hào)使驅(qū)動(dòng)部件（加熱器、加濕器、除濕器、冰箱、窗戶、窗簾、排氣風(fēng)扇、燈）動(dòng)作，確保房間溫度、濕度及光照度等波動(dòng)在誤差范圍內(nèi)。

2.2.2基于平均速度的粒子群優(yōu)化模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器一般由3個(gè)部分組成，即模糊化處理、模糊推理和清晰化處理。取系統(tǒng)的誤差值E和誤差變化率EC為模糊控制器的2個(gè)輸入，在其論域上定義語(yǔ)言子集［NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB］，選三角形隸屬度函數(shù)來(lái)進(jìn)行模糊化。粒子群算法對(duì)模糊PID控制器中的誤差量化因子kE、誤差變化量化因子kEC、PID控制量的比例因子kup、kui、kud這5個(gè)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。粒子群優(yōu)化模糊PID控制器設(shè)計(jì)如圖3所示［5］。

圖2　溫、濕度、光照度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　粒子群優(yōu)化模糊PID控制器框圖

2.2.3模糊PID控制器設(shè)計(jì)［6］

以溫度控制為例，房間溫度以25°為宜。實(shí)際溫度比設(shè)定值高很多，且保持持續(xù)上升趨勢(shì)，此時(shí)需要開(kāi)啟降溫設(shè)施；實(shí)際溫度跟設(shè)定值相差不多，但仍在上升時(shí)，此時(shí)打開(kāi)門窗即可。

PID控制根據(jù)參考值r（t）與實(shí)際輸出值y（t）構(gòu)成系統(tǒng)偏差e（t）控制，即e（t）=r（t）-y（t），對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分和微分求和，得到輸出量u（t）。PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：kp為比例參數(shù)；Ti為積分參數(shù)；Td為微分參數(shù)。傳遞函數(shù)為

經(jīng)過(guò)分析，建立家居環(huán)境系統(tǒng)室溫和室溫控制設(shè)備的數(shù)學(xué)方程［7］，表達(dá)式分別為

在PID控制中，kp，ki和kd決定了其性能品質(zhì)，所以，優(yōu)化這3個(gè)參數(shù)意義重大。本文按照階躍響應(yīng)分段圖各個(gè)參數(shù)的作用（如圖4）建立模糊控制規(guī)則庫(kù)。

圖4系統(tǒng)響應(yīng)的曲線圖

根據(jù)操作者調(diào)整kp，ki，kd的規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出系統(tǒng)輸入E，EC與輸出kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表，如表1～表3所示。

表1kp模糊規(guī)則表

表2ki模糊規(guī)則表

表3kd模糊規(guī)則表

模糊規(guī)則1：

if E=NB and EC=NB then kp=PB and ki=NB and kd=PS即如果溫度誤差是負(fù)大，溫度誤差的變化率也是負(fù)大，那kp是正大，ki是負(fù)大，kd是正小。系統(tǒng)實(shí)測(cè)值與給定參考值相比偏差較大，且偏差有繼續(xù)增大趨勢(shì)，需要通過(guò)加大比例系數(shù)來(lái)提高響應(yīng)的速度，同時(shí)減小積分系數(shù)，防止超調(diào)增大，使微分系數(shù)增加少許，以抑制超調(diào)。

2.2.4基于平均速度的粒子群算法

PID參數(shù)的優(yōu)化是通過(guò)算法來(lái)使kp，ki，kd這3個(gè)參數(shù)優(yōu)化，即是基于一定的適度函數(shù)參數(shù)的尋優(yōu)，本文選用能體現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量的ITAE指標(biāo)作適度函數(shù)，定義為

式中：||e（t）是絕對(duì)誤差。

粒子在搜索空間中，其速度和位置根據(jù)式（6）、式（7）來(lái)決定

式中：xi（k）是微粒的位子；vi（k）是微粒的速度；w（k）是微粒的慣性權(quán)重；c1（k）、c2（k）為加速度值；r1、r2是［0，1］間的任意數(shù)；Pi（k）是到目前為止微粒搜索到的最佳位子；Pg（k）是到目前為止全部微粒群所能搜索的最佳位子。采用粒子群的平均速度指標(biāo)［8］來(lái)衡量粒子群的收斂速度，粒子群的平均速度定義為

式中：D是每一個(gè)粒子的維數(shù)；N是總的粒子個(gè)數(shù)；vij（k）是第i個(gè)粒子在第j維上的速度分量。函數(shù)適度值的增減決定了粒子群的平均速度的增減。平均速度用以表征粒子群系統(tǒng)活躍的水平，即收斂狀況?；谄骄俣刃畔⒌牧Ｗ尤簯T性系數(shù)調(diào)節(jié)公式為

即跟隨平均速度值的減小，加速因子c1（k）逐步變小，c2（k）逐步變大，C為一常數(shù)值。

2.2.5參數(shù)優(yōu)化的PSO算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

利用基于平均速度的粒子群算法對(duì)kE，kEC，kup，kui及kud5個(gè)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，尋優(yōu)向量X=｛kE，kEC，kup，kui，kud｝，迭代總數(shù)設(shè)為N=300，當(dāng)前迭代次數(shù)為k，PSO的流程如圖5所示。

圖5　粒子群算法優(yōu)化流程圖

2.2.6采用MATLAB仿真的結(jié)果

初始PID參數(shù)設(shè)為kp0=0.16，ki0=0.001 48，kd0=0.5，經(jīng)模糊推理機(jī)得模糊輸入量化因子kE=1.6，kEC=1，控制量比例因子kup=0.006，kui=0.01，kud=0.5，編寫尋優(yōu)程序的m文件，通過(guò)sim命令調(diào)用在Simulink界面建立的仿真模型計(jì)算粒子群的適應(yīng)度。得到尋優(yōu)后的仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果顯示，采用基于平均速度的粒子群算法優(yōu)化模糊PID控制器的輸出參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)快，超調(diào)小、調(diào)節(jié)時(shí)間短，可以使室溫穩(wěn)定在設(shè)定值25℃。

3　結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用PLC作為核心控制器，系統(tǒng)功能可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展，比如，需要對(duì)老人進(jìn)行照顧，可以考慮在老人特定部位安裝傳感器［9］，在門、馬桶、洗臉池某個(gè)位置安裝壓力傳感器［9］等，方便了解情況。利用已經(jīng)鋪設(shè)的電力線增設(shè)傳感器不會(huì)影響房屋的整體觀感。將PLC與智能控制理論相結(jié)合，可以使家居環(huán)境不僅方便，而且舒適，真正實(shí)現(xiàn)智能化，從而有力推動(dòng)家居智能化的發(fā)展與普及。

圖6　尋優(yōu)后的仿真圖形

［1］ALEXANDER P.Technological paradigms and complex technical systems--the case of smart homes［J］.Research Policy，2008（37）：508-529.

［2］唐義權(quán).基于PLC的智能家居網(wǎng)絡(luò)研究［D］.寧波：寧波大學(xué)，2012.

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［4］汪宇，呂衛(wèi)，楊博菲，等.基于Android平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，2012，36（2）：36-38.

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［7］曹建秋，徐凱.遺傳算法優(yōu)化的模糊+變論域自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制策略［J］.信息與控制，2011，40（1）：44-60.

［8］高哲，廖曉鐘.基于平均速度的混合自適應(yīng)粒子群算法［J］.控制與決策，2012，27（1）：152-160.

［9］DING D，COOPER R A，PASQUINA P F，LAVINIA F P.Sensor technology for smart homes［J］.Maturitas，2011（69）：131-136.

Study of Home System Based on Intelligent Control Technology

XIA Huafeng1，LIU Yanjun2，XU Xueyi1，DING Enyu1，WU Yun1，Lü Yukun1
（1.College of Electromechanical Engineering，Taizhou University，Jiangsu Taizhou 225300，China；2.Control Science and Engineering Research Center，Jiangnan University，Jiangsu Wuxi 214122，China）

Home system is a complex multivariable system.It is nonlinear and time-varying.And dynamic coupling relationship exits among variables.It is hard to found accurate system equations.PLC control technology joining with particle swarm optimization（PSO）based on average velocity fuzzy PID algorithm has taken in the paper，power line carrier has adopted as networking technique，and configuration technology has used to force home intelligent control. Experiments show that the household temperature acts stably and the environment feels comfortable through actions like dynamically window ventilated，curtain dimmer started and air-conditioning opened according to the real-time environment.Moreover configuration interface operation is easy，and online modification is convenient.Therefore it owns a good popularization value.

home intelligent control；average velocity；PSO algorithm；fuzzy PID；PLC

TP273

A

10.16280/j.videoe.2015.10.008

夏華鳳（1981—），女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程；

時(shí)雯

2014-07-04

江蘇省實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（201412917024X）

劉艷君（1983—），女，副教授，博士，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)辨識(shí)理論與方法等。