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1、硕士学位论文智能型太阳能路灯控制器的应用研究Study on Application of Solar Energy Street Lamp Intelligent Controller作者姓名 指导教师 教授学科专业控制理论与控制工程 二0一 0 年 十二月学位论文书脊论智能型太阳能路灯控制器的应用研究王禹辽宁工程技术大学样式： 关于论文使用授权的说明本学位论文作者及指导教师完全了解辽宁工程技术大学有关保留、使用学位论文的规定，同意辽宁工程技术大学保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩
2、印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名：_ 导师签名：_ 年 月 日 年 月 日学校代码 10147 分类号 TK513 密 级 UDC 智能型太阳能路灯控制器的应用研究Study on Application of Solar Energy Street Lamp Intelligent Controller硕 士 学 位 论 文作者姓名 指导教师教授申请学位工学硕士学科专业控制理论与控制工程研究方向计算机测控技术及应用辽宁工程技术大学 感谢家人和朋友的支持！摘 要在当今能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。太阳能光伏发电在路灯照
3、明领域得到了广泛应用。但是，传统的太阳能路灯存在着控制精度不高、抗干扰能力差和成本昂贵等问题。因此开发研制具有智能型的太阳能路灯控制器更具广泛的社会价值。本文对太阳能路灯的智能控制器的理论和实践进行了研究，研制出以DSP为控制核心的太阳能路灯控制器。该控制器包括：硬件设计、软件设计和近端/远程上位机监控。其中硬件部分包括：Cuk充电电路设计、电流检测电路设计、电池电压检测电路设计、MOSFET保护电路设计、电池输出开关控制电路设计、工作电源设计、RAM和FLASH电路设计。软件部分：根据太阳能电池的模型，本文结合模糊神经网络控制算法，对太阳能电池板进行控制，使得其工作的最大功率跟踪状态。近端/
4、远程上位机监控采用Labview软件编写，实现了近端/远程的太阳能路灯监控。经实际运行表明，本控制器可以满足太阳能路灯的智能控制需求，而且降低了控制器的成本，具有广阔的应用前景，它的应用和推广具有很好的社会与经济效益。关键词：太阳能路灯；DSP；模糊神经网络；最大功率跟踪；智能控制- I -AbstractIn the present situation of energy shortage, countries have stepped up the pace of the development of PV. Solar photovoltaic power generation has
5、developed rapidly, and in the street lighting which began to be widely used. However, the existence of traditional solar street light control accuracy is not high, anti-interference ability is poor and expensive issues. Therefore, developed with the intelligent controller for solar street lamp more
6、broad social value.This intelligent controller for solar street lamp theory and practice have been studied, developed for the control of the DSP core of the solar street light controller. The controller includes: hardware design, software design and proximal / remote PC monitoring. The hardware part
7、 includes: Cuk charging circuit design, current detection circuit design, the battery voltage detection circuit design, MOSFET protection circuit design, battery output switch control circuit design, power supply design, RAM and FLASH circuit design. Software components: a model based on solar cells
8、, this combination of fuzzy neural network control algorithms, control of solar panels, making the maximum power tracking of their work status. Local / remote PC control using Labview software development, to achieve the proximal / remote monitoring of solar lights.The practical operation shows that
9、 the controller can meet the demand for intelligent control of solar street lights, and lower the cost of the controller, and has broad application prospects, its application and promotion of good social and economic benefits.Key Words：Solar lights；DSP；Fuzzy neural network ；MPPT；Intelligent control-
10、 V -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究发展的状况21.3 课题研究的目的和意义31.4 本课题的关键技术41.5 本文的主要研究内容42 智能型太阳能路系统52.1 太阳能路灯系统组成简介52.2 控制器框图52.3 其他主要部件特点62.3.1 太阳能电池及其分类62.3.2 阀控式铅酸蓄电池72.3.3 LED照明灯具93 基于模糊神经网络的MPPT算法研究103.1 模糊控制103.2 人工神经网络113.2.1 神经网络的学习123.2.2 RBP神经网络133.2.3 RBP神经网络的结构133.3 模糊控制与神经网络控制的结合143
11、.4 光伏电源特性及现有最大功率点跟踪(MPPT)方法比较163.5 模糊控制原理及实现方案163.5.1 控制方案设计163.5.2 模糊神经网络结构设计173.5.3 补偿模糊理论173.5.4 补偿神经网络的学习算法193.5.5 实验结果及分析194 铅酸蓄电池充电控制214.1 铅酸蓄电池的充放电原理214.2 充电控制器电路设计224.3 Cuk电路的MATLAB仿真分析244.4 铅酸蓄电池过放电保护策略研究255 智能型太阳能路灯控制器的实现315.1 系统硬件设计315.1.1 Cuk充电电路硬件设计315.1.2 电流检测电路设计325.1.3 电池电压检测电路设计335.
12、1.4 MOSFET保护电路设计335.1.5 电池输出开关控制电路设计345.1.6 工作电源设计355.1.7 DSP主电路365.1.8 RAM和FLASH电路375.1.9 DSP工作电源设计375.2 硬件抗干扰设计385.2.1 地线设计385.2.2 电磁兼容性设计395.2.3 去耦电容配置395.3 系统软件设计405.3.1 基于CCS2.2平台的DSP软件开发405.3.2 基于LABVIEW的上位机监控软件设计415.4 测试结果425.4.1 Cuk充电电路PWM测试425.4.2 MPPT测试记录数据435.4.3 实验用样机44结 论45参 考 文 献46作 者
13、简 历48学位论文原创性声明49学位论文数据集50辽宁工程技术大学硕士学位论文1 绪论1.1 课题背景近些年来，人类面临全球可持续发展的重大挑战。据有关数据显示，全球己探明的石油储量仅能满足未来10年左右的需求量，而煤炭只能维持300年左右。同时，由于煤炭、石油等化石燃料的燃烧，全球每年大气污染非常严重，数万吨的有害气体（CO2、全氟化物、氮的各种氧化物等）排放到大气中，直接影响到人们的身体健康，并导致严重的温室效应，进而影响了全球气候的变化。有关国际组织多次召开会议，限制各国CO2排放量，营造低碳性生产可持续发展模式。新能源技术已经成为21世纪能源研究的热点问题1-2。而做为新能源之一的太阳
14、能光伏技术相关产业在世界发达国家及我国得到了迅速发展，产业规模也迅速增长。在当今能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争3-5。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。2009年全球新装置的太阳能发电容量为7.2GW，其中欧盟就占了5.8GW。至于德国，由于第4季需求大增，全年新增的太阳能发电容量有3.8GW，约占全球的1/2。欧洲光伏工
15、业协会(EPIA)公布了年度市场数据，2008年全球光伏市场增长至少达到5.5GW，而2007年为2.4GW。其中，按地区排名西班牙位列首位，德国第二。2008年全球太阳能累积安装总量已达15GW，而2007年为9GW。西班牙以2.5GW几乎占2008年新增安装量的一半，德国以1.5GW排名第二，美国以342MW排名第三，韩国以274MW排名第四，意大利260MW排名第五，以下依次是捷克51MW,葡萄牙50MW、比利时48MW及法国46MW。2008年全球太阳能产业的产值高达371亿美元。中国也不甘落后，2009年相继提出了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法、金太阳示范工程等鼓励光伏发
16、电产业发展的政策，2020年的光伏发电目标从原先的1.6GW提高到现在的20GW，一系列的政策支持和长远规划让中国的光伏发电发展之路更加宽广。2008年中国光伏安装总量是40MW，累计安装总量只有140MW，而2009年全年安装量就有160MW，是上一年的4倍，比以往累计安装总量还要多，足见中国光伏呈现飞速发展的趋势6。2010年7月下旬美国通过的千万太阳能屋顶计划将引发全球光伏市场激增。随着发电成本下降和补贴政策出台，美国光伏发电安装量不断攀升，正逐步追赶传统的欧洲市场，预计北美市场将在未来几年成为全球光伏发电应用的主要新兴市场。而随着成本的持续降低，光伏发电应用最终将向中国和世界其他地区转
17、移。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。根据可再生能源中长期发展规划，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦
18、）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上7。 我国的太阳能资源非常丰富，如果能充分利用太阳能资源，用于解决人民生活生产能源问题，将对我国经济发展有巨大的促进作用。特别近几年来，在国家快速的城市化进程中，利用太阳能资源可以在一定程度上缓解能源紧张的局面，同时减轻了环境污染的程度。随着太阳能这种清洁环保的能源为大众所熟识，太阳能庭院灯、景观灯被越来越广泛地使用，太阳能路灯也正渐渐进入人们的视野。它以无需敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点得到了社会的广泛认可，很多城市和乡村
19、也开始以试验或示范的形式，在部分地区、部分道路推广使用太阳能路灯，并收到了一定的效果。我国太阳能路灯产业发展很快，在国内的应用首先是从沿海发达地区开始。深圳市从2007年起，分别在福田区下沙大道等地安装了大量太阳能路灯，太阳能路灯采用独立/并网双向系统。2006年11月，青岛市政府在青岛市宾川路进行太阳能路灯示范性试点安装。太阳能路灯工程实施在国内己越来越多。1.2 国内外研究发展的状况由于太阳能灯与生俱来的种种优势，其必将会成为照明行业的新宠。业内人士认为，节能环保的太阳能路灯将是灯具发展的方向之一，很多企业也纷纷投入了大量的技术和资金开发这一新兴产业。不仅企业，政府也相继出台有关政策，支持
20、太阳能灯的示范与推广应用。如2010年1月5日，北京市发布文件北京是加快太阳能开发利用促进产业发展指导意见，到2012年北京市50%的中小学要全部建成为“阳光校园“，市属公园和30%的区县属公园完成园林阳光夜景照明工程；自去年以来，全国各地先后出台相关政策，支持太阳能灯的示范与推广应用。据有关方面估计中国现有路灯总数大约在一亿盏以上，并以每年20%的速度递增，假设这一亿盏路灯可以折合成为6000万盏250瓦的路灯，如果这6000万盏路灯全部改为太阳能路灯，那么可以节约1500万千瓦的功率。假如每盏路灯每天工作12个小时，那么1年内可以节约657亿度电。而三峡水电站在2007年的发电总量为616
21、亿度电。因此，把全国的路灯改为太阳能路灯后所节省的电量将超过三峡水电站一年的发电量。这是一个惊人的数字8-10。我国目前在LED光源技术、太阳能电池等方面的研究在世界上处于前列，产业规模也在不断扩大。但太阳能路灯核心部件之一的太阳能路灯控制器的研究有待进一步深入11-12。以德国PhocoS公司为代表的国外高端产品，利用先进的IT技术，并根据外部光线的变化，控制由太阳能电池、光源和蓄电池组成的太阳能照明系统的充放电过程，智能性比较高。同时产品还具有短路、过载等安全功能，实用价值较高。 而国内相关企业和研究机构产品由于研发起步较比较晚，所生产的控制器只具有基本的充放电控制与管理功能，不能满足行业
22、快速发展的需求13。目前生产的控制器多是简易的非智能控制器，严重制约了太阳能相关技术推广应用。太阳能路灯产品的可靠性、成本、智能化以及使用效率不很理想。因此有必要进一步提高太阳能路灯控制器的稳定性、智能性。1.3 课题研究的目的和意义2009年哥本哈根会议上，中国承诺到2020年，单位国内生产总值CO2排放较2005年下降40%-50%，非化石能源占一次能源的消费比重达到15%左右。据初步预测，到2050年我国核能、风能和太阳能等新能源可以取代煤炭成为我国能源的主力。在各式各样的新能源中，太阳能以其清洁、廉价的特点广受推崇。我国太阳日照时数在2200小时以上的地区约占全国土地面积的2/3，太阳
23、能理论储量达每年1700Gt标准煤。据2007年新能源产业振兴发展规划(草案)数据显示，我国太阳能发电装机容量规模2011年达到2GW，到2020年将达到20GW，可见我国太阳能产业的发展前景非常广阔。太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数万亿桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。1.4 本课题的关键技术太阳能路灯控制控制
24、器是太阳能路灯的核心部件，本课题的重点研究其实现智能化的应用研究。太阳能路灯控制其的智能化主要表现两个方面：(1) 基于神经网络的MPPT控制器的研究。MPPT控制器，即“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）控制器的智能化应用研究。(2) 太阳能储能系统，即蓄电池充放电控制系统的智能化应用研究。Cuk变换器同时具有升压和降压功能，将Cuk变换器应用于光伏系统充电控制器中，可以在较大范围内实现最大功率点跟踪，有利于系统效率的提高。1.5 本文的主要研究内容第1章，讲述了本设计的目的意义和太阳能路灯控制器的发展概况以及本设计的主要研究内容。第2章，阐述了太阳
25、路灯系统的组成结构，并对每一组成部分进行了简要的说明。第3章，提出了基于模糊神经网络的MPPT最大功率跟踪算法。详细说明了模糊算法的推导和神经网络的算法设计。第4章，研究了智能型铅酸蓄电池充电控制的设计。首先参数了蓄电池的充放电特性，结合MPPT的算法思想采用Cuk升降压控制实现最大效率地对蓄电池充电。通过MATLAB对Cuk电路进行了仿真。理论验证了设计的正确性。第5章，设计了智能型太阳能路灯控制器的样机。重点说明了Cuk电路的设计和DPS控制系统的设计，及其相关的下位机软件设计和上位机监控关键的设计。最后给出了实验样机图片的介绍和相关波形。2 智能型太阳能路系统2.1 太阳能路灯系统组成简
26、介太阳能路灯系统的电气部分一般主要由四大部分组成：太阳能电池板、太阳能阳能路灯控制器、蓄电池和照明灯具。当外外界光照条件符合要求时，太阳能电池板接收太阳光照射将太阳能转化成电能，经过控制器给蓄电池充电；当光照条件变化，如黑夜或者自然照明条件差的情况下，路灯控制器将蓄电池存储的电能经过转换提供给照明灯具进行照明。由此可见，太阳能路灯控制器在整个路灯的运行过程中起着关键的作用。太阳能路灯系统组成如图2.1所示。图2.1 太阳能路灯系统组成Fig2.1 Solar street lighting system components2.2 控制器框图图2.2 太阳能控制器框图Fig2.2 Solar
27、controller block diagram如图2.2所示为太阳能控制器的总体框图。它主要由Cuk电路、由光伏模块、模糊神经网络控制器构成。具体参数：开路电压：21V；最大输出功率：60W；最大输出功率点对应输出电压：17V；短路电流：4.2A；最大输出功率点对应输出电流：3.54A。本文设计的太阳能控制器采用TMS320F2812作为太阳能路灯控制器的核心，并有键盘设定、液晶显示电源转换模块以及MOSFET的驱动电路和Cuk升降压电路作为充电电路。2.3 其他主要部件特点2.3.1 太阳能电池及其分类太阳能电池大部分为半导体材料制造，发展到今天，种类也是非常多。可以按照结晶状态分类，按照
28、结构的不同分类，按照材料不同分类或按照用途不同分类等。下面对按照结构和材料进行的分类加以介绍14-15。(一)结晶状态分类太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 （1）单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，这是目前的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大。但其坚固耐用，使用寿命一般可达15年。 （2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的光电转换效率比单晶硅要低不少。但其材料制造简便，节约电耗，生产成本较低，因此发展较快。(二) 按照结构不同分类(1) 同质结太阳能电池由同一种半导体材料所形成
29、的PN结为同质结。用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池，如砷化镓太阳能电池、硅太阳能电池等。(2) 异质结太阳能电池由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结。用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池，如硅化亚铜/硫化镉太阳能电池、砷化镓/硅太阳能电池等。 (3) 肖特基太阳能电池利用金属-半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池，也称为MS太阳能电池，如铝硅肖特基太阳能电池等。其原理是基于金属-半导体接触时，在一定条件下可产生整流接触的肖特基效应。(4) 复合结太阳能电池由多个PN结形成的太阳能电池，称为复合结太阳能电池，如水平多结太阳能电池、垂直多结太阳能电池等。(5)
30、光化学电池用浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池，称为光化学电池。(三) 按材料的不同分类(1) 硅太阳能电池硅太阳能电池是指以硅为基体材料的太阳能电池，按硅材料的结晶形态，可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%-24，这在所有太阳能电池中光电转换效率是最高的，但其成本较高，应用不普遍，但其坚固耐用，寿命可达1525年。 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅的差不多，但其光电转换效率较降。其制造简便，生产成本较低，因此发展较快。其使用寿命比单晶硅太阳能电池短。非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，工艺过程大大简化，它的主要优
31、点是在弱光条件下也能发电。但其光电转换效率随着时间的延长而衰减。(2) 多元化合物半导体太阳能电池 多元化合物半导体太阳能电池是指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。(3) 有机半导体太阳能电池有机半导体太阳能电池，是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。可分为3类；分子晶体，如奈、蒽、芘（嵌二奈）、酞菁铜等；电荷转移络合物，如芳经卤素络合物，芳经金属卤化物等；高聚物。(4) 薄膜太阳能电池 薄膜太阳能电池是指用硅、硫化镉、砷化镓等薄膜为基体材料的太阳能电池。薄膜太阳电池可以在价格低廉的玻璃、塑料、金属片等不同材料当
32、基板来使用。形成可产生电压的薄膜厚度仅需数m，目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因具有可挠性，可与建筑物结合，因此其应用非常广泛。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。此外，按照应用还可将太阳能电池分为空间用太阳能电池和地面用太阳能电池两大类，地面用太阳能电池又可分为电源用太阳能电池和消费用太阳能电池两种。2.3.2 阀控式铅酸蓄电池阀控式铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead Acid Battery）诞生于20世纪70年代，到1975年时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市
33、场。这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，因此倍受用户欢迎。(1) 板栅合金的选择由于VRLA电池在运行中处于不完全充电状态，有时还存在深放电后的静置，所以要注重蓄电池的充电效率和深放电后的恢复性能。本课题采用结合国际先进铅酸蓄电池联合会（ALABC）的研究成果，开发出的一种太阳能用VRLA电池的板栅合金，经实验和样品测试证实，其容量充电效率和深放电后的恢复性能都很理想，不同的板栅合金决定蓄电池的不同的使用特性。低锑合金板栅与活性物质有较好的结合力，充放电循环时不易变形，具有良好的循环寿命。因此，太阳能用蓄电池多选用低锑合金板栅，通过特殊的多元合金板栅，可以使蓄
34、电池具有更长循环寿命的，并能承受高速率放电，提高了能量密度及改善了电池的恢复性能。但这只比较适用于开口铅酸蓄电池。对于VRLA电池，一般还是选用铅钙合金，正极板栅适当提高PbCa合金中的Sn含量，可以提高抗蠕变性能，然后添加其他合金添加剂如Ag、Bi等元素改善界面性能，以更充分地提高电池的循环能力16-17。(2) 极板厚度当太阳能用蓄电池处于循环使用状态时，加厚的极板可以保证延长蓄电池使用寿命，并提高深度放电后的回充能力，具有低温保护功能。另外，由于蓄电池在使用时，可能一瞬间处于放电或充电状态，要求极板具有较高的机械强度，而加厚极板可以满足机械强度的要求。(3) 大容量单体电池和一致性大容量
35、的蓄电池多是通过内并联或外并联来实现。内并存在着散热问题；而外并联只数太多，可能会引起内部环流。而大容量单体电池，完全适用于大功率电站对大容量蓄电池的要求，同时能够避免电池内部或外部多并联存在的危险。蓄电池组内各单体电池的一致性的要求也非常重要。这里的一致性，不仅包括电池的开路电压、初期容量，还包括电池的内阻、自放电以及充电效率等，这就要求从铸板工序开始到4项功能检测，都需要制在较小的公差范围内，采用机铸、涂板以及精确灌酸是必备的基本保障。(4) 安全阀压力的调节 我国的许多光伏电站建立在高海拔地区，对于安全阀还需考虑海拔2500m以上应用时的压力范围。应根据使用环境海拔高度的不同选用可调安全
36、阀进行调节，避免因频繁开阀而造成电池失效。(5) 添加剂在正、负铅板中添加能增加导电性的添加剂，如石墨、乙炔黑等，可提高极板的导电性，减少正、负极板的硫酸盐化现象。(6) 气体复合催化剂在电池室中采用适当的气体复合催化剂，文献报道中值得注意的一种改进措施。据报道，采用气体复合催化剂可收到以下效果：有利于保持负极的止常充电态，避免负极硫酸化，并减小了负极自放电析氢量。由于电池浮充电压是定数，所以保持负极常充电态的同时，也降低了正极极化电位，从而降低了正极板栅的腐蚀速度，有利于延长电池寿命。使电池内的氢气复合为水返回电池内，既降低排气阀排放童，也减少水分的散失。可以降低浮充电流，减小电池内部热量的
37、产生，降低热失控的危险。此外，还进行了将上述措施用于已经使用一段时间的旧电池上的试验，证明电池加上气体复合催化剂后确实Ej以改善阀控式蓄电池的浮充状态。为满足无人值守的要求，可建立智能化蓄电池管理系统，其主要功能包括：温度、电压监控，智能充、放电管理，电池故障检测和处理，以及容量检测和寿命顶计等。2.3.3 LED照明灯具相关研究资料表明由于LED是冷光源，半导体照明不会对环境造成污染，与白炽照明灯具灯相比，可达到90以上的节电效率。在亮度同样的情况下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯管的1/2，其节能效果十分显著。LED是一种绿色光源。LED灯直流驱动，没有红外和紫外的成分，没有频闪，
38、发光方向性强，辐射污染小，显色性高，冷光源发热量低，这些都是其他照明灯具达不到的。LED照明不仅能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人们的生理健康需要。但是由于目前单只LED功率较小，不适宜单独使用，一般将多个LED组装在一起进行设计，应用前景十分广阔。目前全球能源短缺，节约能源是我们未来面临的重要的课题。LED作为一种新型的绿色光源产品，也必然是未来发展的趋势。3 基于模糊神经网络的MPPT算法研究3.1 模糊控制模糊理论是美国加利福尼亚大学学校的自动控制理论专家查德Zadeh教授最先提出的，年他在Informationcontrol杂志上发表了模糊集“”一文，第一次让人们了解了模糊集合
39、的概念。用模糊集合来描述模糊事物，多年来，模糊数学发展十分迅速。年，英国的首先把模糊理论用应于工业控制，取得了良好的效果，从此模糊控制理论及其模糊控制系统的应用发展很快就展示了模糊理论在控制领域内的广阔前景。模糊控制已经成为智能控制的重要组成部分。模糊控制具有如下特点：设计时只需要掌握现场操作人员或者有关专家的经验，知识或是操作数据。不需要建立被控对象的数学模型；系统具有鲁棒性，尤其适用与非线性时变、滞后系统的控制；由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量的控制规则。模糊逻辑系统由模糊规则基、模糊推理、模糊化算子和反模糊化算子四个基本部分构成。设为模糊系统的输入，为模糊系统的输出，从而模糊
40、逻辑系统构成了由子空间到子空间上的一个映射。（1）模糊规则基模糊规则基是由若干模糊“如果则”规则的总和组成，即。其中每一条规则都是由下面形式的“如果则”的模糊语句构成：如果为且且为，则为且且为 ；模糊规则来源于人们离线或者在线对控制过程的了解，是人们通过直接观察控制过程，或者对控制过程建立数学模型仿真18。（2） 模糊推理模糊推理是模糊逻辑系统和模糊控制的核心，它根据模糊系统的输入和模糊推理规则，经过模糊关系合成和模糊推理合成等逻辑运算得出模糊系统的输出。（3）模糊化模糊化方法的作用是将一个确定的点映射成上的一个模糊集合。映射方式主要有单点模糊化和非单点模糊化两种。（4）反模糊化在实际控制中,
41、系统的输出是精确的量，不是模糊集，但模糊推理或系统的输出是模糊集，所以，反模糊化的作用是将上的模糊集合映射为一个确定的点。通常采用的反模糊化有以下几种形式：a. 最大模糊化方法。定义如下： （3.1）b. 重心模糊化方法。将模糊推理得到的模糊集合的隶属函数与横坐标所围成的面积的重心所对应的上的数值作为精确化结果。即 （3.2）c. 中心加权平均模糊化方法。对上个模糊集合的中心加权平均得到精确化结果。即 （3.3）式中为推理后件的模糊集的隶属函数取得最大值的点。不妨限制。3.2 人工神经网络人工神经网络(Artificial Neural Networks，简称ANNS)，是对人脑或自然界神经网
42、络若干基本特征的抽象和模拟，一般由简单的元件分层次组织成大规模的并行连接构成的网络。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。简单的神经元经过广泛并行互联组成结构复杂、数量庞大的具有适应性的神经网络，神经网络模型能够模拟生物神经系统，实现认知、决策及控制的智能行为19。 简单的神经元经过广泛并行互联组成结构复杂 、数量庞大的具有适应性的神经网络，神经网络模型能够模拟生物神经系统，实现认知、决策及控制的智能行为。人工神经网络具有一下优点：1 神经网络可以逼近任意复杂的函数。2 神经网络具有分布式信息存储特点，具有很强的鲁棒性和容错性。3 神经网络
43、具有大量信息并行处理和大规模平行计算能力。4神经网络具有自组织、自学习功能，是自适应组织系统。可以通过预先提供的一批相互对应的输入输出数据，分析掌握两者之间潜在的规律，最终根据这些规律，用新的输入数据来推算输出结果。 针对不同目的和不同起源而构造的神经网络模型有很多种。迄今为止，已提出的神经网络模型大概有100种，神经网络结构由各种神经元模型的连接方式决定的。3.2.1 神经网络的学习神经网络最显著的特点是具有从周围环境中学习，并通过学习改进其行为的能力，这种行为改进方式与学习算法密切相关。学习算法是指事先定义好的解决学习问题的一系列规则，它决定了如何调整神经网络连接权值的方式。但学习算法不是
44、唯一的，在神经网络设计过程中学习算法的选择是和网络模型选择相对应的。神经网络的学习方式可以分成有教师学习和无教师学习。（1）有教师学习有教师学习的训练过程由教师指导，从应用环境中选出的数据知识（期望输入输出）作为训练样本，通过期望输出与实际输出的误差不断地调整网络连接权值，误差在允许范围内为止。其结构图如图3-1所示：图3.1有教师学习Fig. 3.1 Learning with a teacher learning（2）无教师学习无教师学习可以分为无监督学习和增强学习方式。无监督学习在训练过程中没有评价机制，神经网络根据所提供的输入数据集，自动调整适应连接权值，按照输入数据规律自动分类。其结
45、构图如图3.2所示：图3.2 无监督学习Fig. 3.2 Unsupervised learning增强学习不需要教师给出期望输入信息，输入输出映射是通过与外界环境连续相互作用，不断地改善策略最终获得最优行为策略。其结构图如图3.3所示：图3.3 增强学习Fig. 3.3 Reinforcement Learning3.2.2 RBP神经网络径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network，RBFNN)是一种三层前馈网络。第一层输入层由信号源结点组成，第二层为隐含层，隐层单元数目视所描述问题的需要而定，第三层为输出层，它对输入模式的作用做出响应。从输
46、入层到隐含层的变换是非线性的，而从隐含层到输出层的变换是线性的。因此RBF神经网络具有输入输出非线性功能。从理论上讲，只要隐含层神经元的数量足够多，RBF神经网络可以以任何精度逼近任何单值连续函数，切当采用自组织有监督的学习算法进行训练时，其训练收敛速度也具有显著的优越性20。3.2.3 RBP神经网络的结构RBF神经网络模型如图3.4所示，如图所示，输入节点有m个，各输入分量为(i=0,1,.,m),通过网络权值，连接到隐含层神经元节点，为第一隐含层神经图3.4 RBF神经网络模型Fig. 3.4 RBF Neural Network单元的权值；和分别为隐含层和输出层的激励函数；隐含层的节点 选取根据所描述问题的需要而定，隐含层的节点通过选取的激励函数实现输入、输出的非线性映射；为隐含层与输出层的连接权值。为输出层神经元的阈值；输出