家居灯具照明控制论 实现人性化节能有望实现

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，主要解决多输入——多输出系统问题，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。

1、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。

1.1照明控制与节能

随着全球能源危机的爆发，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，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，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。

1.2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，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，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，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。

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。

1.3照明控制与管理

城市照明监控系统是照明控制技术应用的最广泛也最为成功的范例。随着城市建设的开展，城市跨度增大，照明控制器数量剧增，因此对城市照明设备的控制管理显得尤其重要。传统的照明控制通常采用定时器或光控器，让不同区域以预定状态亮灭，但是无法实现实时控制，不便于远程监控和管理，这样经常会造成出现故障无法及时维修。随着通讯技术和计算机技术的发展，利用计算机借助一定的通信方式，例如GPRS、3G技术等，可以对全市各个区域、路段、景观照明箱式变电站、变电柜、控制柜等，从测控系统集中实现智能数据采集和监控，即监督控制和数据采集系统。通过城市监控系统，可以结合不同地区的气候、日出日落、季节等自然因素，灵活有效地控制光源，制定不同的控制策略，在提供必要的安全照明的前提下，满足人类对灯光照明的需求，实现有效节能。除此之外，有效的实时监控可以及时发现安全故障，及时更换维护设备，使人的损失以及不便降到最低，是城市管理部门实施科学管理必不可少的技术支持和有效的途径。

2、照明控制技术的最新进展

2.1人性化和个性化照明

照明首先是视觉需要，同时涉及到身体健康、工作安全和效率、生活质量和保障、交通安全、业余活动和生活享受，重要的是满足人的生理日夜节奏。随着智能控制技术的迅猛发展，在满足人们视觉、生理和心理需求的同时，在“以人为本”的健康照明方面也扮演着越来越重要的角色。如室内照明控制不仅仅将被控对象限制为灯具或者窗帘、百叶等，而应该将照明控制理解为能对照明环境产生影响的各个环节。目前室内采用新型LED光源和灯具的智能动态照明系统，可根据需要用不同的照度和色温照明。随着天然采光的变化，其光源的光通量可调节，输出照度可控，其色温亦可调，实现了早晨提供富有蓝光的冷白光照明，晚上采用暖白光照明，真正做到“按需控光”，营造舒适的光环境。

2.2智能化照明

随着控制学科的不断的发展，20世纪70年代，控制理论的发展进入了高级阶段——智能控制阶段。智能控制已经在各个方面得到了极大的应用和发展。智能控制研究与应用的不断进步，促成了其在照明控制中的应用和发展。随着大数据时代的到来，无线通信技术和云计算技术在智能照明控制系统中也得到了极大的发展，如图4所示：

智慧城市的兴起，智慧照明成为了智能照明控制发展应用的一个新的发展方向，是绿色照明在智慧城市中最佳的实践。其通过应用先进、高效、可靠的电力线载波通信技术和无线GPRS/CDMA通信技术等，实现对路灯的远程集中控制与管理，具有根据车流量自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，能够大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，节省维护成本。

3、总结与展望

本文着重介绍了照明控制与技术的最新研究成果、应用领域以及发展趋势。众所周知，照明控制的终极目标是科学地控制人的用灯行为，这需要针对“人的用灯行为”进行大量研究，得出合理的结果。随着大数据云计算与服务技术的进一步成熟，对人用灯行为进行数据采集和分析成为可能，这必将为照明控制带来更优化的控制与决策方案。另一方面，随着人们对照明节能和视觉舒适之间平衡点的深入研究，既满足节能又符合健康的人性化照明，集网络化、个性化和智能化于一体的照明控制技术将应用得更为广泛。同时，现代控制理论以及智能控制算法的研究成果与照明控制策略相结合，并将图像处理、电力载波等技术更大程度的引入照明控制中，获取更准确的控制效果，真正实现智慧照明。