基于模糊控制的采光控制策略仿真研究

包仁标, 马小军, 徐 胜, 钱 海

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，南京 211816)



基于模糊控制的采光控制策略仿真研究

包仁标, 马小军, 徐 胜, 钱 海

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，南京 211816)

随着人们生活水平的不断提高，我国电力供应日趋紧张，其中照明能耗占据了很大比重；因此，如何在保证室内照度的基础上，充分利用天然光，降低建筑人工照明能耗已经成为照明研究的主要方向；近年来，建筑信息模型(BIM)技术为推动建筑可持续发展的提供了巨大的支持，通过绿色建筑技术量化建筑采光性能，将自然光合理的引入室内，从而减少人工照明所产生的用电能耗；在此基础上，制定了基于模糊控制的百叶窗控制系统，通过单模糊控制与双模糊控制效果的对比，最终输出合适的百叶窗开度，在天然光不足的情况下使用辅助人工照明并调光，最后以南京某办公楼为例，通过ecotect软件进行仿真，分析了一年四季的节能情况，得出节能率；结果证明，控制系统取得了一定的节能效果。

天然采光; 模糊控制; 节能仿真; 百叶窗

0 引言

随着经济的迅速发展和城镇化进程的不断加快，电力需求量日趋增加。据数据显示，目前，我国的照明用电约占全社会总用电量的20%。2009年美国绿色建筑委员会在关于绿色建筑设计和施工的LEED参考文件中陈述了“一个自然采光设计较好的建筑能够节省50%～80%的用电量，但必须对室内进行平衡得失热与眩光控制”[1]，由此看来，节省照明用电与提高平衡得失热的能力是实现降低建筑能耗的关键因素。在这种背景下，节约能源实现可持续发展俨然成为人们关注的焦点，绿色照明的概念作为可持续发展理念的引申，为建筑照明指明了新的方向。节约照明用电，降低能耗，也将逐渐成为照明方案的着重考虑要点[2]。

在可持续发展的大背景下，太阳光作为绿色能源，存在着巨大的节能潜质[3]。与人工照明相比，太阳光因其本身的特点，不但可以使人的神经得到放松，同时更加有益于室内人员的身心健康。但是相对于人造光源，太阳光也充满了不确定性，受天气的制约很大，针对目前几种常见的室内照明控制方式应用于办公场所而存在的缺陷，本文通过采用照度平衡型昼间人工照明控制[4]，以昼光作为室内昼间照明的主要光源，在昼光无法满足室内照度要求的情况下，启用人工照明并调光。具体的方法：通过采用双模糊控制器调节百叶窗开度，限制过强的太阳光直接进入室内，并调节室内光线，从而减弱了光的方向性以及窗户的亮度，同时提高了室内天然光的均匀度，在室内墙上安装照度传感器，并对室内光源进行分区控制，最终实现节能的效果[5-6]，其流程图如图1所示，图中：

图1 结合天然采光的人工照明百叶窗控制策略

T1，T2根据实际需要确定；Ei为室内工作面实际点照度值，lux；Eset为室内工作面点照度设定值，lux。

1 百叶窗模糊控制系统

百叶窗作为一种常见的建筑室内采光系统，其具有调节方便、安装简单、装饰美观等优点。人们通常根据室外天气状况开启百叶窗控制进入室内的天然光，自动百叶窗系统中储存有建筑所在纬度、经度为基础的一年内太阳位置的数据，通过这些数据与室外照度传感器，根据太阳直射光的强度调节百叶角度。该系统不但能够保证视野(开放感)，还可以达到当时最有效的窗口采光[7]。

1.1 模糊控制理论基础

模糊控制是建立在模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理基础上的一种计算机数字控制技术[8]。模糊控制的一大特点是既有系统理论又有应用背景，目前，其典型应用涉及到我们生活的方方面面，例如家电中的自动洗衣机、电饭煲、吸尘器和空调系统等，工业控制领域有污水净化处理[9]、化学反应釜[10]和水泥窑炉[11]等，其他领域有自动扶梯[12]、蒸汽引擎和机器人的模糊控制[13]。模糊控制器的如图2所示。

图2 模糊控制器结构图

从图2可以看出，模糊控制器主要由以下四部分组成。

1.1.1 模糊化

模糊化过程就是把精确值通过量化因子转化为模糊论域内的数值，并使用语言变量值来描述的过程。为了保证任意输入都能映射到模糊集系统中去，必须选择选择合适隶属度函数，比较常用的是三角形函数、吊钟形函数和梯形函数等。

1.1.2 模糊推理机

模糊推理机是根据制定好的模糊控制规则对输入模糊变量进行模糊推理，推导出模糊控制器的模糊控制量。常用的模糊推理方法有Zadeh法，Mamdani法，Sugeno法等。由于Mamdani法对模糊控制器内的输入量和输出量的定位准确简单，且易于模糊控制器对模糊规则的实现，笔者在设计模糊控制器时选择了Mamdani法进行模糊推理。

1.1.3 规则库

规则库一般是根据各领域专家知识来确定，模糊控制规则的一般形式是If…then…，常用的两种标准形式为：多输入多输出和多输入单输出。

1.1.4 反模糊化

对经过模糊推理后得到的模糊输出变量进行反模糊化处理，即生成计算机能够识别的数值，反模糊化过程最常用的方法有最大隶属度函数法和重心法等。最大隶属度法虽然计算简单，但只利用了最大隶属度的信息，因此难免会丢失许多信息，常用于简单的控制系统。本系统选用的是重心法，这是因为与最大隶属度法相比，重心法具有更平滑的输出推理控制，即对应与输入信号的微小变化，其推理的最终输出也会发生一定的变化，并根据隶属度函数的不同也有所侧重，从而充分保证了决策的客观性。

本文通过引入模糊推理思想设计合理的百叶窗控制系统，根据设定的工作面照度值和设定值与实际照度值的差值确定百叶窗的开度，以限制强度过高的太阳直射光直接进入室内；同时，根据天空模式和太阳高度角产生一个调节系数进一步抑制进入室内的太阳直射光强度过大而产生的不舒适眩光。

1.2 输入输出量的确定与模糊化

本文设计的模糊控制系统主要有两个，分别是主模糊控制器与从模糊控制器，接着确定两个模糊控制器的输入输出量并模糊化，具体如下。

1.2.1 主模糊控制器

1)设定的照度值E

主模糊控制器的一个输入变量是设定的照度值E，主要是根据不同性质的工作而设定的照度值，其论域为[0，1000]，模糊子集为E={TS,S,RS,M,RB,B,TB}，分别对应特别小、小、较小、中、较大、大、特别大。

2)设定的照度值与室内实际照度值的差值D，差值D作为主模糊控制器的另一个输入变量，根据相关工作的模拟数据，其论域为[-1000，1000]，模糊子集为D={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

3)百叶窗的开度U：

百叶窗的开度U为主模糊控制器的输出变量，百叶窗的开度可以定义为百叶窗的叶片与竖直方向形成的夹角，夹角为0°，则开度最小；夹角为90°，则开度最大，因此U的论域为[0，90]，模糊子集为U={TS,S,RS,M,RB,B,TB}。

1.2.2 从模糊控制器

1)太阳高度角H：

太阳高度角H作为从模糊控制器的一个输入变量，主要建筑物所处的地理位置决定，根据太阳高度角公式：H=90°-|太阳直射点-该地纬度|，求出南京市最大的太阳高度角为81.7°，因此H的论域为[0，81.7](不考虑黑夜)，模糊子集为E={TS,VS,S,M,B,VB,TB}，分别对应特别小、一般小、较小、适中、较大、一般大、特别大。

2)天空模式M：

根据CIE对天空模式的定义可以分为晴天、阴天和混合天3种天空模式，可以用天顶亮度来表示不同的天空模式，将M作为从模糊控制器的第二个输入变量，根据有关的研究数据，可将M的论域设定为[0，45 000]，模糊子集为M={TS,VS,S,M,B,VB,TB}。

3)系数K：

系数K是根据天空模式和太阳高度角而产生的，将此作为从模糊控制器的输出变量，其论域为[0，2]，模糊子集为K={TS,VS,S,M,B,VB,TB}。

1.3 模糊控制规则的建立

1.3.1 主模糊控制器的控制规则

主模糊控制器包含两个输入变量为E和D，E、D的模糊语言量均为7个，模糊规则共有49条，输出的三维立体图如图3。

图3 主模糊控制器曲面图

在控制规则的基础上，通过模糊规则浏览器进行验证，当E=500，D=0时，U=45；当E=900，D=0时，U=66.3，因此当照度设定值较大时，应尽量增加百叶窗开度以减小误差；当照度设定值较小时，应尽量减小百叶窗开度以降低误差。

1.3.2 从模糊控制器的控制规则

主模糊控制器包含两个输入变量为H和M，H、M的模糊语言量均为7个，模糊规则共有49条，输出的三维立体图如图4。

图4 从模糊控制器曲面图

从图4可以看出随着太阳高度角或是天顶亮度变大时，产生的系数K也会增大，从而使得K与百叶窗的开度、模拟室内天然光照度的乘积也会随之增大，经过反馈调节后，百叶窗开度会逐渐减小。

1.4 仿真对比分析

1.4.1 单模糊控制器百叶窗控制系统

图5是单模糊控制器的仿真模型，用阶跃输入信号模拟照度设定值，照度设定值为500，正弦波信号模拟室内工作面照度的预测值，幅值设定为2 000，将正弦波信号模拟的照度预测值与百叶窗开度的乘积作为室内工作面的实际照度值，仿真结果如图5～6所示。

图5 单模糊控制器的仿真模型

图6 单模糊控制器仿真图

从图6看出，仿真结果与预期相符，当太阳高度角为0时，照度预测值与实际值都为0，此时百叶窗处于关闭状态(根据图7可知百叶窗开度为0)。随着太阳高度角的增大，室内照度值和百叶窗开度也随之增大。进入正午时分，太阳高度角渐渐达到一天中的最大值，此时为了防止过强的太阳直射光进入室内，百叶窗开度慢慢减小。到了傍晚，室内照度值减小，百叶窗开度逐渐变大。

图7 单模糊控制器百叶窗开度

1.4.2 双模糊控制器百叶窗控制系统

图8是双模糊控制器的仿真模型，对于主模糊控制器，用阶跃输入信号作为室内设定的照度值并输入至主模糊控制器中，照度设定值为500，将百叶窗的开度、模拟室内工作面照度预测值的正弦函数曲线和从模糊控制器的输出三者的乘积作为系统的输出(即系数K)；对于从模糊控制器，均用正弦波信号来模拟太阳高度角和天空模式这两个输入值，对应的幅值分别为81.7和45 000，系统可根据调整幅值的大小来模拟不同的天气和季节，系统中所选用的3个正弦波信号频率相同，仿真结果如图9～10所示。

图8 双模糊控制器的仿真模型

图9 双模糊控制器仿真图

图10 双模糊控制器百叶窗开度

图9、图10的仿真结果与图6、图7相似，但图9中室内工作面的实际照度值与照度预定值相比偏差更小，双模糊控制系统较单模糊控制系统有了较大的改善。

2 百叶窗对太阳辐射量的影响分析

根据太阳光的组成特点，可将太阳辐射分为直接辐射和散射辐射，太阳总辐射等于直接辐射与散射辐射的总和。由于大气层的存在，真正到达地球表面的太阳辐射能大小要受多种因素影响，一般来说，太阳高度角、大气质量、大气透明度、地理纬度、日照时间及海拔是影响太阳辐射能的主要因素[14]。

室内通过使用百叶窗尤其是在夏天对于太阳辐射量变化有何效果，这个效果可能有多种评价方式，但是直接计算设置百叶窗前后窗户的太阳辐射变化情况是最具说服力的方法[15]。本文以南京某办公楼三楼办公室一南向窗户为例，计算设置百叶窗前后的太阳辐射量变化，通过前后两者数据比较得到差值。由于一天中百叶窗的开度不是唯一确定，为了方便计算，以开度45°为对象，在Ecotect中为南向窗户添加百叶窗。

一般说来，春天和秋天的太阳辐射量变化较为相近，且介于夏天和冬天之间，为了简化分析，笔者分别对夏天和冬天的太阳辐射量变化进行分析以表示设置百叶窗前后一年中窗户的太阳辐射变化情况。选用的百叶窗宽度为50 mm，宽度为2 000 mm(即窗户的宽度)。这里以距离窗户50 mm处的立面作为分析太阳辐射量变化的基准面，分别就夏天和冬天对设置百叶窗前后窗户的太阳辐射变化情况进行分析。这里仅列出夏天的太阳辐射变化情况，如图11、图12、图13所示。

图11 无百叶窗时的太阳辐射量(夏天)

图12 有百叶窗时的太阳辐射量(夏天)

图13 设置百叶窗前后的太阳辐射量比较值(夏天)

根据以上的分析可知，在没有百叶窗的情况下，每个分析网格太阳辐射量的平均值是237 563.88 Wh，设置百叶窗后，每个网格的太阳辐射量平均值为37 240.38 Wh，可以发现设置了百叶窗后每个网格的太阳辐射量平均值减少了200 323.5 Wh，相当于没有设置百叶窗时的17.94%。因此百叶窗可以在指定日期内遮挡太阳的直射辐射，但是对散射辐射遮挡很少。这也是为什么即使有了百叶窗，依然有将近18%的太阳辐射量进入了室内。设置百叶窗后在夏天可以遮挡强烈的阳光，同样也会遮挡冬季的一部分阳光，同样地，模拟计算设置此百叶窗前后冬季窗户太阳辐射量的变化，并与夏季进行比对，如表1所示。

表1 设置百叶窗前后的太阳辐射变化情况

由表1可得以下结论：在设置百叶窗前，夏天的太阳辐射量明显高于冬天，这是因为在同样地条件下，太阳高度角越大，太阳辐射量也就越大；不同的差值比表示了不同季节时百叶窗对散射辐射的遮挡不同。设置百叶窗后，可以遮挡强烈的阳光，限制过强的太阳直射光进入室内，并调节室内光线，从而减弱了光的方向性以及窗户的亮度，同时改善了室内光环境质量。夏天时可以降低空调运行负荷，然而在冬天百叶窗遮挡了部分进入室内的天然光，从而会给空调运行增加负荷，设置百叶窗后给室内造成的热环境影响还需作进一步分析。

3 小结

本文根据天然采光的特性以及相关理论，制定了结合天然采光的昼间照明控制策略，设计基于模糊控制的百叶窗控制系统，给出了单模糊控制器和双模糊控制器两种策略，由仿真结果可知，双模糊控制系统比传统的单模糊控制系统有了较大的改善。运用Ecotect软件创建百叶窗，分析了晴天情况下百叶窗对太阳辐射量的影响，得出百叶窗可以在指定日期内遮挡太阳的直射辐射，但是对散射辐射遮挡很少。对分析自然采光有一定的参考意义。

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Simulation Research on Fuzzy Control Strategy of Natural Daylight

Bao Renbiao，Ma Xiaojun，Xu Sheng，Qian Hai

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

With the constant improvement of people’s living, the pressure of the supply of electric power of our country is becoming more and more serious,among which the lighting energy consumption is inevitable to occupy a large proportion. How to take advantage of natural light, meet requirements of the illumination and reduce the energy consumption of architectural lighting has become a major research direction of lighting construction. In recent year, the technology of Building Information Modeling (BIM) has contributed to building sustainable development，Building lighting performance is quantified through green building technique, and bringing natural light inside reasonably, thus reducing the electricity consumption generated by artificial lighting of buildings. Based on this control strategy, to develop the fuzzy control system based on shutter, contrast the single fuzzy control system with double fuzzy control system, get the most appropriate shutter opening, use auxiliary artificial lighting and dimming when daylight illumination is not enough. Finally, take an office building in Nanjing as an example, simulate and analyse by the software of Ecotect annually, obtain the energy-saving rate. The results show that the control system has achieved a certain energy-saving effect.

natural daylight；fuzzy control；energy-saving analysis；shutter

2015-08-28；

2015-11-05。

包仁标(1990-)，男，江苏扬州人，研究生，主要从事建筑电气智能化方向的研究。

马小军(1956-),男，江苏南京人，教授，硕士研究生导师，主要从事建筑智能化、计算机(嵌入式系统)等方向的研究。

1671-4598(2016)03-0055-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.016

TP391

A