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境的舒適度成為目前研究熱點之一。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域，模糊控制不依賴模型，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，再到今天千家萬戶的熒光燈，人類已經基本適應了人工光源的室內照明環境。但是由于千萬年來的環境影響，自然光仍然是人類最習慣、感覺最舒適的光源，自然采光一直受到建筑師和照明設計師的高度重視。當今社會建筑的節能環保需求更對自然采光照明提出了進一步的要求?！督ㄖ晒庠O計標準》

　　中的國家技術經濟政策指出: 建筑設計要充分利用天然光，創造良好的光環境。

　　對室內照明自然采光的研究具有重要的意義:

　　(1) 資料表明，照明用電占整個商業建筑能耗的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疲勞有著重要影響。

　　目前對自然采光的研究主要集中在CIE 標準天空模型、建筑及照明自動控制方面。由于自然光具有隨機性、易變性，而且應用場所的格局、朝向具有多樣性，因此本文引用模糊控制的方式，結合人體工效學思想，探測窗臺內外關鍵點照度值，對自然光變化進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，控制自然光進入室內的強度及角度，合理的進行自然采光，以提高辦公效率及辦公環境的舒適度，增加居住工作人員對室內環境的滿意度。

　　2 模糊控制理論

　　模糊控制是以模糊*論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。能避開對象的數學模型，將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應模糊語言變量值，此相應語言變量值均由對應的隸屬度來定義，適用于不易獲得精確數學模型的被控對象，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域專家的經驗或知識。作為一種語言變量控制器，其控制規則只用語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程，如圖虛線框中部分所示。計算機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行模糊化，用相應的模糊語言表示。得到誤差E 的模糊語言*的一個子集e。在有e 和模糊規則R( 模糊關系) 根據推理的合成規則進行模糊決策，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采光窗口， 使用可調節百葉窗， 采用Delphi 法( 專家法)對遮光百葉進行自然采光模糊控制，解決自然光隨機性、干擾因素多等問題。

　　自然光的影響因素較為復雜，很多干擾難以用數學算式統一表達。夏天太陽太強烈時，過度的自然光容易引起不舒適; 云朵飄過、樹影浮動都會對自然光照度有較大影響，如果及時反應，遮光百葉需要頻繁地轉動，有時噪音比較大，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系的一個或幾個點，并定義為關鍵點，探測關鍵點的照度值以及照度值變化和變化快慢，從而對百葉角度βb 進行調節( 以5 度為最小調節量)。

　　針對直射光，我們設定一個閾值，當光照強度超過閾值時，拒絕自然采光。自然光較強時( 水平遮陽百葉) 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溝通，又避免了眩光。當且僅當太陽光的變化情況達到了我們需要的調節的范圍內電動百葉才做出反應。如果照度變化發生且變化較慢時，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，判斷為云朵或者樹影干擾，不做出窗簾調節。