室內照明自然采光的模糊控制

摘要: 自然采光是建筑節能照明的重要方面，合理利用自然光，在節能基礎上保證室內光環(huán)境的舒適度成為目前研究熱點(diǎn)之一。但是自然光具有隨機性、多變性、易干擾性，其應用與控制較為復雜。本文嘗試將模糊控制策略應用于自然光照明領(lǐng)域，模糊控制不依賴(lài)模型，并具有較強的抗干擾性，對于多因素變量下的模型不確定情況有很好的控制效果。另外，本文根據人體工效學(xué)思想確定模糊規則，使遮光百葉的控制更接近人對自然光的判斷，更符合人們生活習慣。

　　1 引言

　　從遠古的篝火、油燈到蠟燭、白熾燈，再到今天千家萬(wàn)戶(hù)的熒光燈，人類(lèi)已經(jīng)基本適應了人工光源的室內照明環(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(lèi)最習慣、感覺(jué)最舒適的光源，自然采光一直受到建筑師和照明設計師的高度重視。當今社會(huì )建筑的節能環(huán)保需求更對自然采光照明提出了進(jìn)一步的要求?！督ㄖ晒庠O計標準》

　　中的國家技術(shù)經(jīng)濟政策指出: 建筑設計要充分利用天然光，創(chuàng )造良好的光環(huán)境。

　　對室內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省52% 的照明用電，大大節約了能源。

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

　　(3) 自然采光的工作照度水平及其均勻度對視覺(jué)疲勞有著(zhù)重要影響。

　　目前對自然采光的研究主要集中在CIE 標準天空模型、建筑及照明自動(dòng)控制方面。由于自然光具有隨機性、易變性，而且應用場(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，結合人體工效學(xué)思想，探測窗臺內外關(guān)鍵點(diǎn)照度值，對自然光變化進(jìn)行了模糊邏輯推理判斷，使遮光器件的調節更合理更人性化。同時(shí)區別于一般窗簾僅在高度維度上的控制，增加了對百葉角度的控制，控制自然光進(jìn)入室內的強度及角度，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室內環(huán)境的滿(mǎn)意度。

　　2 模糊控制理論

　　模糊控制是以模糊*論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。能避開(kāi)對象的數學(xué)模型，將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應模糊語(yǔ)言變量值，此相應語(yǔ)言變量值均由對應的隸屬度來(lái)定義，適用于不易獲得精確數學(xué)模型的被控對象，其結構參數不是很清楚，或難以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域專(zhuān)家的經(jīng)驗或知識。作為一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規則只用語(yǔ)言變量形式定性的表達，構成了被控對象的模糊模型。

　　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(guò)程，如圖虛線(xiàn)框中部分所示。計算機通過(guò)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E。一般選取誤差信號E 作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號的精確量進(jìn)行模糊化，用相應的模糊語(yǔ)言表示。得到誤差E 的模糊語(yǔ)言*的一個(gè)子集e。在有e 和模糊規則R( 模糊關(guān)系) 根據推理的合成規則進(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) 建立模糊規則并確定隸屬度函數;(4) 計算得到輸出變量并進(jìn)行去模糊化處理。

圖1 模糊控制系統原理圖

　　3 室內自然采光模糊控制策略

　　3. 1 控制策略

　　本系統采用側窗采光系統，即在房間的一側或兩側上開(kāi)采光窗口， 使用可調節百葉窗， 采用Delphi 法( 專(zhuān)家法)對遮光百葉進(jìn)行自然采光模糊控制，解決自然光隨機性、干擾因素多等問(wèn)題。

　　自然光的影響因素較為復雜，很多干擾難以用數學(xué)算式統一表達。夏天太陽(yáng)太強烈時(shí)，過(guò)度的自然光容易引起不舒適; 云朵飄過(guò)、樹(shù)影浮動(dòng)都會(huì )對自然光照度有較大影響，如果及時(shí)反應，遮光百葉需要頻繁地轉動(dòng)，有時(shí)噪音比較大，影響室內人員工作和休息。因此本系統引入人體工效學(xué)思想，結合模糊邏輯推理，合理控制遮光百葉的調節。

　　我們首先對側窗采光系統進(jìn)行室內照度分布測量，分析典型晴天、陰天等天氣情況下一天中室內的照度分布及照度變化情況，并總結其規律，找到能反映當前室內照度與外界天氣情況以及窗臺照度關(guān)系的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)，并定義為關(guān)鍵點(diǎn)，探測關(guān)鍵點(diǎn)的照度值以及照度值變化和變化快慢，從而對百葉角度βb 進(jìn)行調節( 以5 度為最小調節量)。

　　針對直射光，我們設定一個(gè)閾值，當光照強度超過(guò)閾值時(shí)，拒絕自然采光。自然光較強時(shí)( 水平遮陽(yáng)百葉) 將直射日光反射到頂棚區域，形成漫反射，既保證了照度均勻以及人員與外界的視覺(jué)溝通，又避免了眩光。當且僅當太陽(yáng)光的變化情況達到了我們需要的調節的范圍內電動(dòng)百葉才做出反應。如果照度變化發(fā)生且變化較慢時(shí)，做出百葉調節，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(shù)影干擾，不做出窗簾調節。