照明控制：實現(xiàn)節(jié)能和人性化才是重點

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2015-10-30

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1787年瓦特發(fā)明離心式調(diào)速器——蒸汽機的速度調(diào)節(jié)，被認為是自動控制技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用的一個標(biāo)志性事件，研究控制理論成為社會一大需要。自此控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。第一階段為以反饋理論為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論階段，只能解決單輸入-單輸出的線性定常系統(tǒng)問題;第二階段為現(xiàn)代控制理論階段，設(shè)計，主要解決多輸入——多輸出系統(tǒng)問題，LED燈管，不僅針對線性定常系統(tǒng)而且對非線性時變系統(tǒng)也提出了很好的解決方案;第三階段則為智能控制階段，結(jié)合人工智能技術(shù)以及智能算法，對復(fù)雜系統(tǒng)進行控制，智能控制是當(dāng)今國內(nèi)外的一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，代表著現(xiàn)今科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的最新方向之一。

1879年愛迪生發(fā)明白熾燈，照亮世界，人們的照明方式被改變，照明的要求也不再局限于滿足視覺上的明暗效果這樣的剛性需求，需要光環(huán)境帶來更加豐富的體驗與藝術(shù)享受，更加注重節(jié)能環(huán)保與健康。進入二十一世紀后，網(wǎng)絡(luò)化、信息化成為時代的主流，結(jié)合控制學(xué)科的發(fā)展，為人們的這些追求提供了實現(xiàn)的手段。

照明控制的研究和應(yīng)用

控制理論與技術(shù)的研究及應(yīng)用的不斷進步，促進了照明控制的發(fā)展和應(yīng)用。與控制理論的三個發(fā)展階段相適應(yīng)，照明控制也經(jīng)歷了三個階段：以手動為主要控制方式的傳統(tǒng)照明控制、以數(shù)字控制技術(shù)為基礎(chǔ)的自動照明控制以及以計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)的智能照明控制，如今已經(jīng)進入到智能照明控制時代。隨著智慧城市的興起，智慧照明成為了智慧城市不可分割的一部分，而智慧照明的核心就是智能照明控制。

2.1 照明控制與節(jié)能

隨著全球能源危機的爆發(fā)，恒光，綠色照明、低碳照明勢在必行，甚至提出實現(xiàn)零能耗。照明控制在照明節(jié)能中起著至關(guān)重要的作用，是實現(xiàn)綠色照明必不可少的手段。照明控制的對象是燈，照明燈具的控制就是調(diào)光控制。調(diào)光控制經(jīng)歷了可變電阻調(diào)光、調(diào)壓器調(diào)光、可控硅調(diào)光和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)調(diào)光，調(diào)光控制可節(jié)省大量的電能。

近年來，LED射燈，口碑，在室外道路照明中，采用照明控制技術(shù)，當(dāng)人車流量大時，路燈滿功率運營，夜深人靜、人車流量低時，半功率運營，即實施雙功率路燈照明，達到節(jié)能效果。隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展、效率的提高以及價格的降低，LED照明品牌，更加易于控制、驅(qū)動和調(diào)光，為照明節(jié)能提供了極大的可能。如北京、深圳和上海等地的地下大空間，隧道、地鐵站已新建或改造完成，直接使用LED進行照明，采用智能控制系統(tǒng)，按不同時段調(diào)光，節(jié)約能源;在辦公等空間智能感知有人與否、實現(xiàn)按人使用燈的行為定時等自動調(diào)光，滿足不同人的照明需求，營造舒適、節(jié)能的光環(huán)境。

室內(nèi)照明控制不僅針對單一系統(tǒng)，還實現(xiàn)了集成其他多個系統(tǒng)，協(xié)同節(jié)能的最優(yōu)控制。同濟大學(xué)自2010年開始，連續(xù)三年參加美國能源部發(fā)起的“國際太陽能十項全能競賽”，旨在打造“零能耗”建筑。首先，室內(nèi)的燈具可連續(xù)調(diào)光，并與遮陽系統(tǒng)進行聯(lián)動，可自由選擇由天然采光補充照度或由人工照明增加室內(nèi)照度。其次，根據(jù)不同情境的需要，照明系統(tǒng)設(shè)置了不同的場景模式(如：會客模式、觀影模式、晚餐模式、派對模式)，可以完成一鍵切換，以滿足人們的需要。最后，照明控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)(空調(diào)、熱水、通風(fēng)、相變材料)高度整合，集成于同一個大的控制系統(tǒng)，如圖1所示，具有界面友好、操作便捷的人機接口和智能化、人性化的控制策略，可利用本地界面，也可通過手機以及遠程計算機訪問，從而實現(xiàn)全局監(jiān)控詳細的能耗分布，實時測量和統(tǒng)計各用電回路能耗情況，實現(xiàn)零能耗。

圖1 智能集成系統(tǒng)

2.2 照明控制與健康

社會的發(fā)展進步使人們越來越關(guān)注照明與人體健康之間的關(guān)系，人們不僅僅要求有燈就行，更需要自然、安全、舒適、健康的光環(huán)境。研究表明：人類在進化過程中形成了許多適應(yīng)光照的機制，照明對人的生理和心理影響顯著。光主要通過神經(jīng)系統(tǒng)影響人們的生理功能，LED照明工程，如生物節(jié)律、免疫力等，照明強度與情緒之間是倒U型曲線，被試認為過暗或者過亮的照明都會損害情緒體驗;照明對情緒的影響還受到色溫等一些因素的調(diào)節(jié)作用，照度和色溫又有交互作用，研究者模擬教室的研究發(fā)現(xiàn)中高色溫條件下，被試的學(xué)習(xí)能力提高，照明產(chǎn)品，但是高色溫容易引起疲勞和緊張，所以教室宜采用中等色溫(4000K)的人工照明;同時，光療已經(jīng)成為應(yīng)對季節(jié)性情感障礙(SAD)的成熟方案。種種研究表明，照明與人們的健康有著不可分割的聯(lián)系。人們利用照明控制，通過調(diào)節(jié)人工光源的輸出光通量和色溫，對人的生理和心理進行調(diào)解，提供最健康的照明環(huán)境。

人們歷來喜歡自然光，崇尚它的方向感、安全感和良好的色彩感，超市照明，同時認為人工照明可控。因此，采用天然光和人工光的聯(lián)動控制策略將更符合“以人為本”的設(shè)計理念。通過控制晝光投射到使用空間量的多少，配合適量人工照明加以補充;根據(jù)晝光投射到窗上的垂直照度分布，預(yù)測室內(nèi)自然光照度分布，控制電動窗簾的敞開度和室內(nèi)人工照明的照度水平，以形成健康、節(jié)能、舒適的照明空間。

要合理控制窗簾的敞開度和室內(nèi)人工照明的照度，必須科學(xué)地預(yù)測室內(nèi)自然光的照度分布。由于自然光本身的多變性和辦公空間的多變性給適時預(yù)測室內(nèi)自然光的照度分布提出了難題，而智能控制研究的興起，為我們解決這個難題提供了先進的手段。圖2即為人工照明和天然采光聯(lián)合控制系統(tǒng)。

圖2 人工照明與天然采光聯(lián)合控制系統(tǒng)

研究者以同濟大學(xué)嘉定校區(qū)圖書館為例，為了達到遮陽百葉的葉片角度對采光、通風(fēng)以及視線遮擋等方面的綜合性最優(yōu)的結(jié)果，研究者提出一種基于二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)，如圖3所示。設(shè)置亮度傳感器檢測當(dāng)前天空亮度，作為控制遮陽百葉葉片角度系統(tǒng)的一個輸入?yún)��?shù)，通過二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)來控制百葉角度調(diào)整天然光和控制人工照明。它既保證窗口處照度不高于人眼長時間閱讀所能接受的最高照度，又可以充分利用天然采光代替人工照明，節(jié)約相應(yīng)的能耗，實現(xiàn)圖書館照明的人性化與智能化。

圖3 二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)框圖

2.3 照明控制與管理