照明控制：实现节能和人性化才是重点

文章来源:恒光电器

发布时间:2015-10-30

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1787年瓦特发明离心式调速器——蒸汽机的速度调节，被认为是自动控制技术走向大规模应用的一个标志性事件，研究控制理论成为社会一大需要。自此控制理论的发展主要经历了三个阶段。第一阶段为以反馈理论为基础的经典控制理论阶段，只能解决单输入-单输出的线性定常系统问题;第二阶段为现代控制理论阶段，设计，主要解决多输入——多输出系统问题，LED灯管，不仅针对线性定常系统而且对非线性时变系统也提出了很好的解决方案;第三阶段则为智能控制阶段，结合人工智能技术以及智能算法，对复杂系统进行控制，智能控制是当今国内外的一个十分活跃和具有挑战性的领域，代表着现今科学和技术发展的最新方向之一。

1879年爱迪生发明白炽灯，照亮世界，人们的照明方式被改变，照明的要求也不再局限于满足视觉上的明暗效果这样的刚性需求，需要光环境带来更加丰富的体验与艺术享受，更加注重节能环保与健康。进入二十一世纪后，网络化、信息化成为时代的主流，结合控制学科的发展，为人们的这些追求提供了实现的手段。

照明控制的研究和应用

控制理论与技术的研究及应用的不断进步，促进了照明控制的发展和应用。与控制理论的三个发展阶段相适应，照明控制也经历了三个阶段：以手动为主要控制方式的传统照明控制、以数字控制技术为基础的自动照明控制以及以计算机技术、通信技术、自动控制技术为基础的智能照明控制，如今已经进入到智能照明控制时代。随着智慧城市的兴起，智慧照明成为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 照明控制与节能

随着全球能源危机的爆发，恒光，绿色照明、低碳照明势在必行，甚至提出实现零能耗。照明控制在照明节能中起着至关重要的作用，是实现绿色照明必不可少的手段。照明控制的对象是灯，照明灯具的控制就是调光控制。调光控制经历了可变电阻调光、调压器调光、可控硅调光和脉宽调制技术(PWM)调光，调光控制可节省大量的电能。

近年来，LED射灯，口碑，在室外道路照明中，采用照明控制技术，当人车流量大时，路灯满功率运营，夜深人静、人车流量低时，半功率运营，即实施双功率路灯照明，达到节能效果。随着LED光源技术的发展、效率的提高以及价格的降低，LED照明品牌，更加易于控制、驱动和调光，为照明节能提供了极大的可能。如北京、深圳和上海等地的地下大空间，隧道、地铁站已新建或改造完成，直接使用LED进行照明，采用智能控制系统，按不同时段调光，节约能源;在办公等空间智能感知有人与否、实现按人使用灯的行为定时等自动调光，满足不同人的照明需求，营造舒适、节能的光环境。

室内照明控制不仅针对单一系统，还实现了集成其他多个系统，协同节能的最优控制。同济大学自2010年开始，连续三年参加美国能源部发起的“国际太阳能十项全能竞赛”，旨在打造“零能耗”建筑。首先，室内的灯具可连续调光，并与遮阳系统进行联动，可自由选择由天然采光补充照度或由人工照明增加室内照度。其次，根据不同情境的需要，照明系统设置了不同的场景模式(如：会客模式、观影模式、晚餐模式、派对模式)，可以完成一键切换，以满足人们的需要。最后，照明控制系统与其他控制系统(空调、热水、通风、相变材料)高度整合，集成于同一个大的控制系统，如图1所示，具有界面友好、操作便捷的人机接口和智能化、人性化的控制策略，可利用本地界面，也可通过手机以及远程计算机访问，从而实现全局监控详细的能耗分布，实时测量和统计各用电回路能耗情况，实现零能耗。

图1 智能集成系统

2.2 照明控制与健康

社会的发展进步使人们越来越关注照明与人体健康之间的关系，人们不仅仅要求有灯就行，更需要自然、安全、舒适、健康的光环境。研究表明：人类在进化过程中形成了许多适应光照的机制，照明对人的生理和心理影响显著。光主要通过神经系统影响人们的生理功能，LED照明工程，如生物节律、免疫力等，照明强度与情绪之间是倒U型曲线，被试认为过暗或者过亮的照明都会损害情绪体验;照明对情绪的影响还受到色温等一些因素的调节作用，照度和色温又有交互作用，研究者模拟教室的研究发现中高色温条件下，被试的学习能力提高，照明产品，但是高色温容易引起疲劳和紧张，所以教室宜采用中等色温(4000K)的人工照明;同时，光疗已经成为应对季节性情感障碍(SAD)的成熟方案。种种研究表明，照明与人们的健康有着不可分割的联系。人们利用照明控制，通过调节人工光源的输出光通量和色温，对人的生理和心理进行调解，提供最健康的照明环境。

人们历来喜欢自然光，崇尚它的方向感、安全感和良好的色彩感，超市照明，同时认为人工照明可控。因此，采用天然光和人工光的联动控制策略将更符合“以人为本”的设计理念。通过控制昼光投射到使用空间量的多少，配合适量人工照明加以补充;根据昼光投射到窗上的垂直照度分布，预测室内自然光照度分布，控制电动窗帘的敞开度和室内人工照明的照度水平，以形成健康、节能、舒适的照明空间。

要合理控制窗帘的敞开度和室内人工照明的照度，必须科学地预测室内自然光的照度分布。由于自然光本身的多变性和办公空间的多变性给适时预测室内自然光的照度分布提出了难题，而智能控制研究的兴起，为我们解决这个难题提供了先进的手段。图2即为人工照明和天然采光联合控制系统。

图2 人工照明与天然采光联合控制系统

研究者以同济大学嘉定校区图书馆为例，为了达到遮阳百叶的叶片角度对采光、通风以及视线遮挡等方面的综合性最优的结果，研究者提出一种基于二维模糊控制算法的智能遮阳控制系统，如图3所示。设置亮度传感器检测当前天空亮度，作为控制遮阳百叶叶片角度系统的一个输入参数，通过二维模糊控制算法的智能遮阳控制系统来控制百叶角度调整天然光和控制人工照明。它既保证窗口处照度不高于人眼长时间阅读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，节约相应的能耗，实现图书馆照明的人性化与智能化。

图3 二维模糊控制算法的智能遮阳控制系统框图

2.3 照明控制与管理