[논문]퍼지추론방법에 의한 형광등의 디밍 제어에 대한 연구

백진열; 이인태; 오성권; 장성환

doi:10.5762/kais.2008.9.4.911

초록
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본 논문에서는 지능형 디밍 컨버터의 새로운 구조 및 설계 방법론을 소개하고 일련의 수치적인 실험을 통하여 제안된 모델 및 시스템을 평가한다. 형광 램프용 디밍 전자식 안정기는 전용의 디밍 IC를 사용하여 기존의 전자식 안정기 대비 최대 83%의 램프 수명 및 안정기 수명 연장을 가능하게 했다. 하지만 이러한 장점은 사용자가 디밍 컨트롤 스위치를 통하여 수동으로 제어를 해야 하는 불편함 뿐만 아니라, 수동 제어가 불가능 할 경우 에너지 절약과 램프의 수명 연장의 실효를 얻을 수 없다. 따라서 본 논문에서는 지능형 퍼지 이론(Fuzzy Inference System)을 전자식 안정기에 접목시켜 지능형 디밍 컨버터 기반 전자식 안정기에 대한 연구 및 외부조도 조건과 사용자 설정에 따른 에너지 절약을 도모하는데 중점을 두었다. 마지막으로 제안된 시스템의 하드웨어에 지능형 모델을 적용함으로써 기존 전자식 안정기 대비 성능평가를 통해 지능형 디밍 컨버터의 우수성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper. we introduce and investigate new architectures and comprehensive design methodologies of intelligent dimming converter and evaluate the proposed model and the system through a series of numeric experiments. The intelligent dimming converter is developed by using the regression polynom...

In this paper. we introduce and investigate new architectures and comprehensive design methodologies of intelligent dimming converter and evaluate the proposed model and the system through a series of numeric experiments. The intelligent dimming converter is developed by using the regression polynomial fuzzy model. In this paper, we put emphasis on the design of electronic ballast based on intelligent dimming converter and the energy saving according to the day-light and the user setting by applying the intelligent model to a fluorescent lamp. We show the superiority of the proposed intelligent dimming converter through the evaluation of performance with conventional electronic ballast by applying the intelligent model to real systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 사용자가 수동적인 조도 제어를 할 수 없는 경우 에너지 절약이나 램프의 수명 연장의 실효를 얻지 못한다. 따라서 본 논문에서는 지능 이론과 조도 센서를 이용하여 주변 환경의 변화에 따라 능동적으로 조광 제어가 가능한 지능형 디밍 컨버터를 설계하여 에너지 절약과 램프 및 안정기 수명 연장을 극대화 하는데 목표를 둔다.

제안 방법

목표 설정값은 5단계로 나누어 지능형 모델의 입력변수 X, 으로, CDS 센서를 통하여 측정된 외부 소도값을 AD변환하여 두 번째 시스템 입력변수 X2로 사용하였으며. 마지막으로 각 조건에서 사용자의 선택 조도를 유지하기 위한 안정기의 인가전압을 출력으로 갖는 2 입력 1출력의 지능형 모델을 설계한다.
본 논문에서 제안한 지능형 디밍 컨버터는 퍼지 추론시스템을 기반으로 전자식 안정기의 직류 전압을 제어한다. 다음은 지능형 모델의 두 가지 후반부 형태에 따른 제안뇐 시스템의 성능을 비교한다.
외부적 요인으로는 주변 환경에 따른 조도를 최소 0에서 최대 360 lux(A/D변환시 0T024)로 설정하였다. 이 설정된 값을 20단계로 나뉘어 A/D변환된 값을 컴퓨터로 저장하였고, 20단계의 외부 밝기에 따라 총 5단계의 목표밝기값을 유지하기 위해 디밍 안정기로 인가되는 최소 전압을 측정하여 디밍 전압으로 사용하였다.
기본 구성은 전자식 안정기와 동일하며, 지능형 컨버터 회로를 추가하여 지능이론을 이용한 디밍 제어를 구현하는 시스템이다. 제안된 지능형 컨버터는 외부적인 요인(Daylight)과 내부적 요인(사용자 설정값)을 퍼지 이론에 이용하여 최적의 출력값(0-10V)을 전자식 안정기에 입력 후, 주변 밝기에 따라 능동적 조도 제어의 역활을 한다. 여기서, 주변 밝기를 측정하는 CDS센서는 내부 환경(형광램프)에 의한 영향을 최소화하기 위해 형광램프로부터 되도록 멀리 설치하였다.

대상 데이터

목표 설정값은 5단계로 나누어 지능형 모델의 입력변수 X, 으로, CDS 센서를 통하여 측정된 외부 소도값을 AD변환하여 두 번째 시스템 입력변수 X2로 사용하였으며. 마지막으로 각 조건에서 사용자의 선택 조도를 유지하기 위한 안정기의 인가전압을 출력으로 갖는 2 입력 1출력의 지능형 모델을 설계한다.
다음은 지능형 모델의 두 가지 후반부 형태에 따른 제안뇐 시스템의 성능을 비교한다. 이 두 모델은 실제 획득한 100개의 데이터에 대해 모델을 형성하기위해 50개 데이터를 사용 하였고, 형성된 모델의 성능을 평가하기 위해 나머지 50개를 사용한다. 데이터의 분할은 랜덤 방식을 사용하였으며, 각 시스템 입력변수마다 2개의 멤버쉽 함수를 사용함으로서 규칙 4개의 모델을 설계하였다.
이와 달리 본 논문에서 제안된 지능형 디밍 시스템의 지능형 모델의 전반부와 후반부 파라미터를 얻기 위해서는 신험적인 데이터 획득이 필요하다. 표 1은 목적과 방법에 따른 데이터 획득조건으로 지능형 모델을 구축하기 위하여 특정 조건에서 데이터를 획득하였다. 이 특정조건은 내부적 요인관 외부적 요인으로 나뉘어 진다.

데이터처리

앞 절에서 설계된 간략과 선형 퍼지추론의 결과로부터 제안된 지능형 디밍 컨버터 시스템에서 보다 우수한 성능을 보이는 추론 방식은 선형추론 방법이며, 이에 대한 근사화 성능과 일반화 성능을 표 3에 나타내었으며, 평가지표로는 식 15의 mean square error(MSE)를 사용하였다.
구현하였다. 퍼지 모델의 후반부 다항식은 성능 평가를 통해 선형 추론을 사용하여 기존 안정기와 제안된 시스템의 소모 전류를 상호 비교하였다. 또한 지능형 디밍 컨버터의 접목을 통한 전자식 안정기를 설계 하였을 때 기존의 디밍 전자식 안정기를 적정 시간마다 최적의 제어했을 경우와 비슷한 성능을 보여주었다.

이론/모형

이 두 모델은 실제 획득한 100개의 데이터에 대해 모델을 형성하기위해 50개 데이터를 사용 하였고, 형성된 모델의 성능을 평가하기 위해 나머지 50개를 사용한다. 데이터의 분할은 랜덤 방식을 사용하였으며, 각 시스템 입력변수마다 2개의 멤버쉽 함수를 사용함으로서 규칙 4개의 모델을 설계하였다.
또한 지능형 디밍 컨버터의 접목을 통한 전자식 안정기를 설계 하였을 때 기존의 디밍 전자식 안정기를 적정 시간마다 최적의 제어했을 경우와 비슷한 성능을 보여주었다. 본 논문에서 제안한 지능형 디밍 컨버터는 형광등에 회귀 다항식 퍼지 모델을 적용하였다. 하지만 산업용 고출력 광원으로의 응용 연구와 개선된 지능 모델의 접목에 대한 연구를 수행한다면 에너지 절약과 편의성에서 보다 큰 이익을 바라 볼 수 있을 것이다.
지능형 디밍 컨버터는 회귀 다항식 퍼지 모델을 이용하여 구현하였다. 퍼지 모델의 후반부 다항식은 성능 평가를 통해 선형 추론을 사용하여 기존 안정기와 제안된 시스템의 소모 전류를 상호 비교하였다.

성능/효과

퍼지 모델의 후반부 다항식은 성능 평가를 통해 선형 추론을 사용하여 기존 안정기와 제안된 시스템의 소모 전류를 상호 비교하였다. 또한 지능형 디밍 컨버터의 접목을 통한 전자식 안정기를 설계 하였을 때 기존의 디밍 전자식 안정기를 적정 시간마다 최적의 제어했을 경우와 비슷한 성능을 보여주었다. 본 논문에서 제안한 지능형 디밍 컨버터는 형광등에 회귀 다항식 퍼지 모델을 적용하였다.
또한 표 4의 결과를 통하여 디밍 전자식 안정기와 지능형 디밍 전자식 안정기는 기존 전자식 안정기와 비교했을 때 최대 66% 수준의 전류 소모를 확인 하였다.

후속연구

이와 달리 본 논문에서 제안된 지능형 디밍 시스템의 지능형 모델의 전반부와 후반부 파라미터를 얻기 위해서는 신험적인 데이터 획득이 필요하다. 표 1은 목적과 방법에 따른 데이터 획득조건으로 지능형 모델을 구축하기 위하여 특정 조건에서 데이터를 획득하였다.
본 논문에서 제안한 지능형 디밍 컨버터는 형광등에 회귀 다항식 퍼지 모델을 적용하였다. 하지만 산업용 고출력 광원으로의 응용 연구와 개선된 지능 모델의 접목에 대한 연구를 수행한다면 에너지 절약과 편의성에서 보다 큰 이익을 바라 볼 수 있을 것이다.

참고문헌 (10)

박종연, 정동열, 조계현, “Lamp 용 안정기의 종류 및 특징”, 한국조명？전기설비학회, Vol. 13, No. 1, pp. 47-63, 1999. 03.
박준용, 박종연, “전자식 안정기에 의한 형광램프의 조광제어”, 정보통신 논문지, Vol. 7, pp. 173-178, 2003. 07.
최홍규, 전광호, 강태은, 최선웅, “디밍 안정기를 이용한 형광등의 퍼지 제어기 설계”, 산업기술, Vol. 7, pp. 521-536, 1997.
유니룩스 기술연구소, “기술 자료의 전자식안정기 관련 기술 자료 편”
미 에너지성, Vision 2020 - The Lighting Technology Roadmap, 2000. 03.
Francis Rubinstein and Steve Johnson, "Advanced Lighting Program Development (BG9702800) Final Report", Lawrence Berkeley National Laboratory. Paper LBNL-41679., 1998. 02.
박민용 외 2명, “차세대 지식기반 사회 구축을 위한 CI 기술”, 한국과학재단 특정기초연구, 1999.09. - 2004.08.
오성권, “프로그래밍에 의한 하이브리드 퍼지추론시스템”, 내하출판사, 2005. 11.
오성권, “프로그래밍에 의한 컴퓨터지능(퍼지, 신경회로망 및 진화알고리즘을 중심으로)”, 내하출판사, 2002. 08.
오성권, “C 프로그래밍에 의한 퍼지모델 및 제어시스템”, 내하출판사, 2002. 02.

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