吳春澤 朱思莉 林燕丹 孫耀杰

(復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院光源與照明工程系，上海 200433)

1 引言

從遠(yuǎn)古的篝火、油燈到蠟燭、白熾燈，再到今天千家萬(wàn)戶的熒光燈，人類已經(jīng)基本適應(yīng)了人工光源的室內(nèi)照明環(huán)境。但是由于千萬(wàn)年來(lái)的環(huán)境影響，自然光仍然是人類最習(xí)慣、感覺最舒適的光源，自然采光一直受到建筑師和照明設(shè)計(jì)師的高度重視〔1〕。當(dāng)今社會(huì)建筑的節(jié)能環(huán)保需求更對(duì)自然采光照明提出了進(jìn)一步的要求。 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策指出:建筑設(shè)計(jì)要充分利用天然光，創(chuàng)造良好的光環(huán)境〔2〕。

對(duì)室內(nèi)照明自然采光的研究具有重要的意義:

(1)資料表明，照明用電占整個(gè)商業(yè)建筑能耗的25－40%，而自然采光在特定的情況下可以節(jié)省52%的照明用電，大大節(jié)約了能源〔2〕。

(2)相關(guān)研究表明，人在自然光條件下工作，可以增加滿意度和提高工作效率。保證正常的生理節(jié)奏，防止季節(jié)性情緒失調(diào)等癥狀〔3〕。

(3)自然采光的工作照度水平及其均勻度對(duì)視覺疲勞有著重要影響〔3〕。

目前對(duì)自然采光的研究主要集中在CIE標(biāo)準(zhǔn)天空模型、建筑及照明自動(dòng)控制方面。由于自然光具有隨機(jī)性、易變性，而且應(yīng)用場(chǎng)所的格局、朝向具有多樣性，因此本文引用模糊控制的方式，結(jié)合人體工效學(xué)思想，探測(cè)窗臺(tái)內(nèi)外關(guān)鍵點(diǎn)照度值，對(duì)自然光變化進(jìn)行了模糊邏輯推理判斷，使遮光器件的調(diào)節(jié)更合理更人性化。同時(shí)區(qū)別于一般窗簾僅在高度維度上的控制，增加了對(duì)百葉角度的控制，控制自然光進(jìn)入室內(nèi)的強(qiáng)度及角度，合理的進(jìn)行自然采光，以提高辦公效率及辦公環(huán)境的舒適度，增加居住工作人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意度。

2 模糊控制理論

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。能避開對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值，此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義，適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不是很清楚，或難以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)或知識(shí)。作為一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量形式定性的表達(dá)，構(gòu)成了被控對(duì)象的模糊模型〔4〕。

模糊控制的基本原理由圖1表示，其核心部分為模糊控制器，即將輸入變量模糊化和輸出變量的去模糊化過程，如圖虛線框中部分所示。計(jì)算機(jī)通過采樣獲得控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到的誤差信號(hào)E。一般選取誤差信號(hào)E作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)的精確量進(jìn)行模糊化，用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集 e〔5〕。在有 e和模糊規(guī)則 R(模糊關(guān)系)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u為

綜上，模糊控制可以概括為以下步驟:

(1)確定系統(tǒng)輸入變量，并將輸入變量的精確值模糊化;

(2)定義模糊子集;

(3)建立模糊規(guī)則并確定隸屬度函數(shù);

(4)計(jì)算得到輸出變量并進(jìn)行去模糊化處理。

圖1 模糊控制系統(tǒng)原理圖

3 室內(nèi)自然采光模糊控制策略

3.1 控制策略

本系統(tǒng)采用側(cè)窗采光系統(tǒng)，即在房間的一側(cè)或兩側(cè)上開采光窗口，使用可調(diào)節(jié)百葉窗，采用Delphi法 (專家法)〔6〕對(duì)遮光百葉進(jìn)行自然采光模糊控制，解決自然光隨機(jī)性、干擾因素多等問題。

自然光的影響因素較為復(fù)雜，很多干擾難以用數(shù)學(xué)算式統(tǒng)一表達(dá)。夏天太陽(yáng)太強(qiáng)烈時(shí)，過度的自然光容易引起不舒適;云朵飄過、樹影浮動(dòng)都會(huì)對(duì)自然光照度有較大影響，如果及時(shí)反應(yīng)，遮光百葉需要頻繁地轉(zhuǎn)動(dòng)，有時(shí)噪音比較大，影響室內(nèi)人員工作和休息。因此本系統(tǒng)引入人體工效學(xué)思想，結(jié)合模糊邏輯推理，合理控制遮光百葉的調(diào)節(jié)。

我們首先對(duì)側(cè)窗采光系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)照度分布測(cè)量，分析典型晴天、陰天等天氣情況下一天中室內(nèi)的照度分布及照度變化情況，并總結(jié)其規(guī)律，找到能反映當(dāng)前室內(nèi)照度與外界天氣情況以及窗臺(tái)照度關(guān)系的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)，并定義為關(guān)鍵點(diǎn)，探測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的照度值以及照度值變化和變化快慢，從而對(duì)百葉角度βb進(jìn)行調(diào)節(jié) (以5度為最小調(diào)節(jié)量)。

針對(duì)直射光，我們?cè)O(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)光照強(qiáng)度超過閾值時(shí)，拒絕自然采光。自然光較強(qiáng)時(shí) (水平遮陽(yáng)百葉)將直射日光反射到頂棚區(qū)域，形成漫反射，既保證了照度均勻以及人員與外界的視覺溝通，又避免了眩光。當(dāng)且僅當(dāng)太陽(yáng)光的變化情況達(dá)到了我們需要的調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)電動(dòng)百葉才做出反應(yīng)。如果照度變化發(fā)生且變化較慢時(shí)，做出百葉調(diào)節(jié)，照度值增加則百葉角度變小，照度值減小則百葉角度變大以增加采光;如果照度變化且變化快時(shí)，判斷為云朵或者樹影干擾，不做出窗簾調(diào)節(jié)。

3.2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

我們采用模糊統(tǒng)計(jì)法及專家經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行隸屬函數(shù)的確定?？刂埔?guī)則的建立和參數(shù)的賦值，是在對(duì)我們選取的標(biāo)準(zhǔn)采光室的室內(nèi)照度分布測(cè)量數(shù)據(jù)和復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)等建筑院系照明研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上完成的。

本控制器為二維模糊控制器:輸入變量為誤差△E和誤差的變化量為CE;輸出變量為控制量μ。對(duì)誤差△E，誤差變化量CE及控制量μ的模糊集定義如下:

誤差△E，誤差變化量CE及控制量μ的模糊集均為:

{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}

用英文字頭縮寫為

{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}

以此建立模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊規(guī)則控制表

3.3 模糊規(guī)則確定

對(duì)于誤差△E，誤差變化CE和控制量μ的論域定義如下:

誤差△E，誤差變化CE的論域都為:

{－5， －4， －3， －2， －1，0，1，2，3，4，5}

μ的論域?yàn)?

{0，1}

根據(jù)室內(nèi)照度分布研究結(jié)果，我們將室內(nèi)照度值離散化，以50lx為梯度，劃分為11檔 {－300，－200， － 150， － 100， － 50，0，50，100，150，200，300}，并對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化為 E= {－5， －4， －3，－2， －1，0，1，2，3，4，5}。當(dāng)值不屬于該集合時(shí)，用四舍五入法將其歸入最接近的整數(shù)，例如4.5－>5.0，2.7－>3.0。這種粗略的模糊化方式是符合人腦對(duì)模糊信息的處理習(xí)慣的〔7〕。

其中照度在－50到50之間變化時(shí)對(duì)人對(duì)室內(nèi)照度變化的感受并不明顯，故屬于變化負(fù)小、正小。照度變化為150左右時(shí)，由于個(gè)體差異，部分人的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為有影響，部分人認(rèn)為影響不明顯，但變化達(dá)到200以上時(shí)大部分人都認(rèn)為影響是明顯的，故－200， －150， －100及 100、150、200為中等變化范疇，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷每個(gè)數(shù)值的隸屬度，也即其對(duì)室內(nèi)照度影響的具體程度大小，具體參見表2。

表2 模糊變量E賦值表

CE所對(duì)應(yīng)的集合 {－5， －4， －3， －2， －1，0，1，2，3，4，5}分別表示照度單位采樣時(shí)間內(nèi)的變化情況。照度減小的程度從大到小對(duì)應(yīng)－5到－4;照度增大的程度從大到小對(duì)應(yīng)1到5。用來(lái)反映誤差的變化趨勢(shì)及變化程度，從而判斷照度的變化是干擾還是不可逆轉(zhuǎn)的改變。依據(jù)照度差值的變化，以及工效學(xué)中人對(duì)于照度感受值的體驗(yàn)，可以確定照度變化值的CE賦值表。其中的誤差的變化CE由得到，引入原理如圖2所示

圖2 誤差引入原理圖

Shannon采樣定理指出采樣周期的上限為

ωmax為采樣信號(hào)的上限角頻率，在此范圍中，采樣周期越小就越接近連續(xù)控制，但考慮到電動(dòng)窗簾的響應(yīng)時(shí)間，本文將采樣頻率定為5次/分鐘，T=12s。

3.4 模糊規(guī)則的合成

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)計(jì)算法則及合成規(guī)則，設(shè)合成后的控制規(guī)則隸屬函數(shù)為μ(u)

由于控制量μ的集合U在本設(shè)計(jì)中論域?yàn)榻?jīng)典集合的論域 {0，1}，故經(jīng)公式4合成，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整后得到如表3所示。

表3 窗簾模糊控制規(guī)則賦值表

輸出量的去模糊化采用最大從屬度法，并結(jié)合具體控制方式模糊集合被精確化，由此可得執(zhí)行結(jié)果，選擇是否對(duì)窗簾進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.5 系統(tǒng)模糊控制流程

根據(jù)上述模糊規(guī)則的設(shè)置，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖3所示的模糊控制程序流程圖。

系統(tǒng)首先對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)照度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)照度發(fā)生變化時(shí)，通過模糊判斷該變化是干擾量還是需要調(diào)節(jié)的變量。首先以一分鐘為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，主控單元通過傳感器獲得五次采樣的照度值。通過依次計(jì)算相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的差值，判斷照度的大小變化。差值為正表示照度變大，差值為負(fù)表示照度變小。僅當(dāng)五次的變化同為正或同為負(fù)時(shí)，也即一分鐘內(nèi)照度的變化趨勢(shì)一致時(shí)，用第五次采樣的值與第一次采樣的照度值之差作為CE的值。用五次差值的平均值作為模糊規(guī)則中的ΔE。根據(jù)前面規(guī)定的模糊控制規(guī)則，程序可以通過調(diào)用相應(yīng)的窗簾調(diào)節(jié)子程序完成相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作。

根據(jù)上述程序流程，在每次模糊判別的子程序中，系統(tǒng)通過判斷照度誤差△E，誤差變化情況CE的值，判別當(dāng)前室外照度變化是否屬于外界干擾，若不屬于干擾應(yīng)采取何種調(diào)節(jié)方式。輸出量的去模糊化采用最大從屬度法，具體表現(xiàn)為當(dāng)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并結(jié)合具體控制方式模糊集合被精確化，其執(zhí)行結(jié)果如表4所示。

圖3 模糊控制系統(tǒng)流程圖

表4 模糊控制子程序執(zhí)行結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)外界照度變化小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)外界照度變化超過設(shè)定值，但是變化速度較快，而且在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)照度恢復(fù)到接近原值時(shí)，系統(tǒng)判定為外界干擾，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以避免很多情況下的無(wú)意義操作，極大地降低了外界干擾對(duì)自然采光照明的影響。只有在外界照度持續(xù)變化，且單向改變的情況下，系統(tǒng)作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。該控制方式使系統(tǒng)準(zhǔn)備性得到了極大地提高，并且減少了很多的干擾波動(dòng)，使用戶感覺更為舒適與人性化。

4 結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定了自然采光的模糊控制策略，根據(jù)室內(nèi)照度變化的情況，利用Delphi專家法確定了模糊變量的隸屬度函數(shù)，以室內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的照度變化為控制變量，并進(jìn)行了變量的模糊化處理和模糊控制。

經(jīng)過原理性試驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于C8051單片機(jī)芯片的自然采光控制器，并將百葉控制與智能照明控制相結(jié)合，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模糊控制具有很強(qiáng)的魯棒性，可以很好的避免干擾出現(xiàn)時(shí)窗簾的頻繁移動(dòng)，并且模糊算法與工效學(xué)結(jié)合，可以更好的符合人體對(duì)自然采光的感受以及控制行為。

自然采光可以充分的利用陽(yáng)光資源，除了節(jié)能環(huán)保之外，還更符合人體舒適性感受。綜上所述，自然采光與模糊控制的結(jié)合是非常有應(yīng)用價(jià)值的。

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