CN103477718B - 用于控制光亮度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有双模式光传感器的用于某一空间的电灯和外部光控制系统。所述双模式光传感器（106）测量并计算入射在其感测表面上的外部光和电灯光的数量。单独的所测光分量（总光、电灯光和外部光）被传送到窗户用品控制器（103）和电灯控制器（102）。所述控制器（102,103）使用该信息来最优地控制照明条件，以便满足用户要求并且减少能量消耗。所述两个控制器（102,103）同时并且独立地操作，但是通过所述双模式传感器（106）相关联。

Description

用于控制光亮度的方法和系统

本发明涉及照明控制，更具体来说涉及一种用于在包括已安装光源和外部光源的空间内控制光亮度的方法和系统。

用于控制电灯和日光的当前建筑物控制系统大多数使用独立的人工控制系统。近来在市场中引入了利用日光传感器根据进入所述空间的日光数量来控制电灯的先进系统。这些系统利用总光水平测量来控制电灯的调光水平。此外，引入了电动化窗帘来控制进入所述空间的日光数量。这些先进的子系统（透过窗户的日光和电灯）仍然彼此独立地操作。这些独立操作但是影响同一变量（即房间内的光）的系统不仅在能量节省方面的效率低下，而且还可能导致用户的不满。研究表明，当居留者对于自动控制不满意时，其常常转向人工控制，从而失去了自动控制的意义并且导致例如能量节省之类的益处减少。但是集成控制的使用可以导致进一步的能量节省，并且还可以减少此类用户不满。

近来在一些美国专利中公开了集成控制系统。下面是两个实例。

美国专利号7085627 B2公开了对于窗户窗帘和电灯的组合控制。该系统是基于中央控制器的，但是其并没有利用日光传感器来调节照明水平。该系统是人工控制的系统。尽管所述控制器被描绘为组合控制器，但是对于窗户用品和灯的控制实质上是人工独立进行的。

美国专利号7111952 B2公开了一种用于窗户用品和电灯的组合控制器。该系统包括日光感测以便控制房间内的电灯的调光水平以及日光数量。该系统使用中央控制器来控制子系统。但是操作是顺序的，也就是说首先调节窗户用品直到其完全打开/关闭，并且随后调节电灯以便提供所需要的其余光。

以上发明的一个共同缺点在于它们顺序地操作，例如首先完全关闭/打开窗户窗帘，并且随后操作电灯。这样的系统可能会令用户不满。举例来说，当用户改变设定点或者占用传感器检测到环境改变并且设定需要被改变（比如从关闭改变到打开位置）时，用户将必须等到所述顺序操作完成为止以便检查是否满足照明优选项。由于窗户用品的操作缓慢，因此总体等待时间可能长达几秒钟，甚至一分钟或更长。鉴于当今对于快速响应的需求，用户可能无法容忍这样长的等待时间，并且将最终转向完全人工控制。

此外，前面提到的集成控制系统使用中央控制器来控制窗户用品和电灯二者，从而需要在子系统之间进行通信。

一种替换方法是与窗户用品系统和电灯系统二者共享总测量光亮度，从而使得两个系统都尝试独立地满足照明设定点要求。这样的系统具有根据单一结果（即房间内的总光水平）操作的两个完全独立的闭环反馈控制系统。但是这样的系统存在一些固有的问题，并且在能量节省和为用户提供必要的日光方面无法保证最优的操作。主要的问题是由于具有不同时间约束的两个独立控制环路彼此“争斗”以满足设定点要求而导致的。由于这一问题，这些策略的广泛采用受到限制，尽管其也是以用户不满和能量节省减少为代价的。

本公开提供了独立的闭环控制，但是控制环路的操作仍然通过所测量的照明分量相关联，使得可以减轻或克服上述问题。

本公开描述了一种用以控制空间内的外部光（例如日光或阳光）和电灯的系统，从而使得电灯和窗户用品（例如窗帘、遮光帘等）二者在不需要彼此通信的情况下并行操作（而非顺序地操作），并且与此同时减少能量消耗而且满足用户设定点要求。它们的操作通过利用双模式光传感器测得的空间内的外部光和电灯分量的知识相关联。双模式光传感器的实例包括可以识别出空间内的外部光分量和电灯分量的光谱光传感器、编码光和其他测量系统。后面将描述感测方案的几个实例。

这里的某些实施例包括一种利用可以产生空间内的外部光和电灯分量的光传感器或者测量和估计技术来控制电灯和外部光二者的系统。以下是一些示例性特征：

● 所述系统通过传感器测量内部和外部照明条件，并且利用测量结果调节窗户用品和电灯。

● 内部光传感器把单独的所测光数值（例如外部光分量、电灯分量和总光分量）传送到电灯控制器和窗户用品控制器二者。

● 窗户用品控制器和电灯控制器使用传感器信息来调节所述空间内的最优照明条件。

● 窗户用品控制器和电灯控制器通过双模式内部光传感器或测量系统相关联以便产生照明分量。因此，对于最优操作并非必需电灯与窗户用品之间的直接关联。

● 所述系统控制照明条件从而使得用户的照明设定点和能量消耗目标得以满足。

● 还可以把例如温度和占用传感器之类的其他传感器集成到所述系统中。

● 还可以把例如强光控制之类的附加特征集成到所述系统中。

● 还可以把所述系统关联到实时天气预报数据库以便改善系统的性能。

在一个实施例中，本发明涉及一种在包括已安装光源和外部光源的空间内控制光亮度的方法。所述方法包括：在所述空间内的某位置处测量来自光源的单独的光强度分量，基于所测量的光强度控制已安装光源的强度水平和进入所述空间的来自外部光源的光数量，以及同时调谐已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化以下条件：从所述光源测得的组合光强度在该位置处最接近预定义目标发光度水平，并且由已安装光源消耗的能量数量最小化。

在另一个实施例中，本发明涉及一种用于在包括已安装光源和外部光源的空间内控制光亮度的系统。所述系统包括：用于在所述空间内的某位置处测量来自光源的单独的光强度分量的传感器，用于基于所测量的光强度控制已安装光源的强度水平的第一控制器和用于基于所测量的光强度控制进入所述空间的来自外部光源的光数量的第二控制器，其中所述控制器被适配成同时调谐已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化以下条件：从所述光源测得的组合光强度在所述位置处最接近预定义目标发光度水平，并且由已安装光源消耗的能量数量最小化。

在另一个实施例中，本发明涉及一种非暂时性计算机可读介质，其中存储有用于使得处理器施行在包括已安装光源和外部光源的空间内控制光亮度的处理的指令。所述处理包括：在所述空间内的某位置处测量来自光源的单独的光强度分量，基于所测量的光强度控制已安装光源的强度水平和进入所述空间的来自外部光源的光数量，以及同时调谐已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化以下条件：从所述光源测得的组合光强度在所述位置处最接近预定义目标发光度水平，并且由已安装光源消耗的能量最小化。

一般来说，可以按照在本发明的范围内可能的任何方式来组合及耦合本发明的各个方面。在说明书之后的权利要求书中特别指出并且明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将显而易见。

图1示出了根据本发明的一个实施例的照明控制系统的高层级图示。

图2示出了根据本发明的一个实施例的窗户用品（窗帘）控制器操作的流程图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的电灯控制器操作的流程图。

图4示出了根据本发明的另一个实施例的照明控制系统的高层级图示。

图5示出了根据本发明的一个实施例的光谱传感器的使用。

图6示出了根据本发明的一个实施例的编码光的使用；以及

图7示出了根据本发明的一个实施例的定向双传感器的使用。

在一个实施例中，按照分析方式导出控制系统。主要目的是最小化由照明设定点误差和能量消耗构成的耗费函数。

图1示出了这里所描述的实现方式的一个实施例。系统100包括分别具有其自身的控制器103和102的窗户用品105和电灯104。全部两个系统共享用户输入101（用户设定点输入）和来自传感器106的传感器数据。内部光传感器106可以把总测量光强度值分解成外部光分量和电灯分量。所述系统可以包括用于测量外部光（例如阳光）强度的光电传感器107。

窗户用品控制器103使用来自传感器106以及可选地还有来自传感器107的信息来调节被允许透过窗户进入所述空间的外部光数量，从而使得用户的要求（设定点）得以满足并且使得能量消耗最小化。电灯控制器102也施行类似的功能。优选的是，电灯控制器102和窗户用品控制器103二者同时并行操作，而不需要彼此通信。

应当提到的是，灯具和窗户窗帘的数目将取决于具体应用。用户输入、窗户用品和电灯之间的通信可以通过本地专用连接（有线或无线的）发生，或者通过骨干网络发生，比如用于数据和/或建筑物控制的企业网络。

图2和3示出了根据这里描述的一个实施例的控制系统的操作的简化流程图。在窗户用品控制器接收内部空间的日光和电灯（EL）分量二者的情况下，图2示出了对应于窗户用品控制器的操作的流程图200，图3示出了对应于电灯控制器的流程图300。其操作模式根据所述空间内的电灯分量的数量而改变（EL<阈值）。在这种情况下，电灯作为标准日光采集控制器来操作。举例来说，日光采集系统利用光水平传感器、光电传感器在开环或闭环系统中检测占优势的光水平、发光度或辉度。在开环系统中，光电传感器仅仅检测可用日光的数量并且可以被放置在建筑物的外墙或房顶上，或者被放置在面向窗户或天窗的建筑物的内部。在闭环系统中，光电传感器检测来自所述空间内的日光源和电源二者的光的总光度数量。举例来说，在办公室中，可以把闭环光电传感器放置在面向桌面的天花板上，以便检测工作表面上的光数量。

参照图2，在步骤201中，确定窗户用品系统是否处于自动模式。为了易于说明，在本实例中使用的窗户用品是窗户窗帘。如果是的话，则在步骤202中确定是否满足设定点或者窗帘是否完全打开以及EL是否接通。如果是的话，则在步骤203中确定EL强度是否低于或等于阈值。如果是的话，则在步骤204中确定所述空间内的光是否高于必要。如果是的话，则在步骤205中窗户用品控制器减小窗帘开口，以便允许更少外部光进入所述空间。

如果步骤203中的确定为否，则在步骤206中确定所述空间内的光是否高于必要。如果是的话，则在步骤208中窗户用品控制器缓慢地减小窗帘开口。

如果步骤204或步骤206中的确定为否，则在步骤207中窗户用品控制器增大窗帘开口，以便允许更多外部光进入所述空间。应当提到的是，在涉及“日光”时并不把所述空间外部的光限制为阳光或日光。此外，在涉及“窗帘”时并不把窗户用品限制为窗户窗帘。

参照图3，在步骤301中，确定电灯系统是否处于自动模式。如果是的话，则在步骤302中确定是否满足设定点。如果是的话，则在步骤303中确定房间内的光是否高于必要。如果是的话，则在步骤304中电灯控制器提高电灯的调光。如果不是的话，则在步骤305中电灯控制器降低电灯的调光。

在实施例中，可以使用下面的控制算法来实施对于电灯和外部光分量的同时控制。

控制算法导出

在一个实施例中，所述方法将使用自适应控制器，这些自适应控制器基于梯度下降算法来最小化耗费函数。其他选项包括例如PI、PID等传统控制器。下面将描述第一选项以便说明前面描述的系统的基本理论基础。

一种一般性方案是操作窗户用品和电灯二者，从而使得它们都尝试减少所述空间内的照明误差和能量消耗。这一目的导致下面的自适应系统：

其中x和w是适配的变量，分别代表电灯和窗户用品，e是照明误差，即用户设定点与所测光水平之间的差异，E与能量消耗成比例，以及μ是较小的正常数（适配步长）。最后两项是对于每一个自适应控制循环将对电灯和窗户用品进行调节的数量。在这里，n是循环指示器。

照明误差项e可以被进一步如下描述：

e(n)=y(n)-u

其中u是所期望的用户设定点，y(n)是内部光传感器读数。内部光可以被如下描述：

y(n)=dl(n)*w(n)+x(n)

其中dl是可用外部光（例如日光）水平。类似地，利用前面的关系式，电灯的能量消耗可以被如下描述：

利用前面的关系式并且经过进一步简化，所述闭环控制系统可以被如下描述：

从前面的等式可以看到，全部两个等式中存在相同的e(n)和x(n)说明了外部光与电灯输出之间的相互作用。

前面的一般性系统尝试找到降低功率消耗与满足用户设定点之间的良好平衡。这意味着有时可能没有完全满足用户设定点以便节省能量。这种情况可能会在没有足够的外部光来满足所述要求时发生，并且将需要显著增大电灯强度，从而可能无法满足能量要求。

一种替换设置基于满足用户设定点，但是仍然降低能量消耗。这样的系统可以通过如下修改所述自适应等式而获得：

进一步的简化得到下面的自适应系统：

利用该系统，照明控制器仅仅尝试满足用户设定点（即减小的照明误差）。但是窗户用品系统则尝试全部二者，即满足用户设定点并且“强制”电灯节省能量。窗户用品系统这样做是通过允许尽可能多的外部光进入，从而使得电灯将相应地调光。

图4示出了实现这种方法的一个实施例的简化方框图400。所述系统尝试满足所需发光度水平403。内部光传感器404测量总光y(n)和电灯分量x(n)。外部光传感器405测量外部光分量dl(n)。总光数据被传送到电灯控制器401以便控制电灯406的调光水平。关于外部光分量和电灯分量二者的数据都被传送到窗户用品控制器402，其控制电动化窗户用品（例如窗帘）407。

感测方案

可以按照许多方式来设计双模式内部传感器系统。下面是对于这些感测方案的简要描述。这些方案提供了不同的性能/复杂度折中。所公开的系统不限于使用这些感测方案。

1）光谱传感器：

如图5中所示，光谱传感器503从所测量的光的光谱中区分电灯502和外部光501分量。光谱传感器503使用电灯和外部光的已知特性来识别出其对应的照明强度。所述识别可以利用光谱调谐滤波器和光电二极管来实施。在图5中，504和506是一些外部光源和电光源的光谱实例，并且505和507是光谱滤波器的示例性特性。

2）编码光传感器

利用该感测方案，图6的电灯602传送叠加在一般照明605上的编码信息604。该感测方案提取出编码光信号的强度，从该信号强度和传感器603的总光测量估计电灯强度和外部光601分量。

3）双光电传感器

该方法利用窗户处的图7的双光电传感器703，其中一个朝向外部光源方向704（其中外部光（例如阳光）701位于窗户外部），另一个朝向电灯方向705（其中电灯702位于内部）。

4）基于模型

另一选项是从在所述空间内测量的总光、窗户用品的透射特性以及可用外部光（例如通过外部传感器）估计外部光分量。这就需要估计透过窗户用品落在工作平面上的外部光的数量。将需要窗户用品的透射特性（模型）以及传感器相对于窗户的位置的知识。

本发明适用于建筑物和家中的照明（电照明和日光照明）控制和能量管理。

前面的详细描述阐述了本发明所能采取的许多形式当中的几种。意图在于，前面的详细描述被理解为说明本发明所能采取的所选形式，而不是限制本发明的定义。只有包括所有等效方案的权利要求书才意图限定本发明的范围。

最为优选的是，本发明的原理被实施为硬件、固件和软件的任意组合。此外，所述软件优选地被实施为有形地具体实现在由某些器件和/或器件组合或者其部件构成的程序存储单元或计算机可读存储介质上的应用程序。所述应用程序可以被上传到包括任何适当架构的机器并且由其执行。优选地，所述机器被实施在具有例如一个或更多中央处理单元（“CPU”）、存储器以及输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上。所述计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。这里所描述的各项处理和功能可以是微指令代码的一部分或者是应用程序的一部分或者是其任意组合，其可以由CPU执行而不管这样的计算机或处理器是否被明确示出。此外，可以把各种其他外围单元连接到计算机平台，比如附加的数据存储单元和打印单元。

Claims (14)

1.一种在包括已安装光源（104）和外部光源（105）的空间内控制光亮度的方法，其包括：

在所述空间内的某位置处测量分别来自已安装光源和外部光源的单独的光强度分量；

基于所测量的光强度分量控制已安装光源（104）的强度水平和进入所述空间的来自外部光源（105）的光数量；以及

同时调谐已安装光源（104）的强度水平和进入所述空间的外部光（105）数量以便优化以下条件：

从所述光源测得的组合光强度在所述位置处最接近预定义目标发光度水平；并且

由已安装光源（104）消耗的能量数量最小化。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述测量包括：

基于所述光源的已知光谱特性（504,506）识别出单独的光强度分量。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述测量包括：

传送叠加在已安装光源（602）的一般性照明（605）上的编码信息（604）；以及

提取出编码光信号的强度。

4.根据权利要求1的方法，其中，所述测量包括：

测量分别来自已安装光源（702）和外部光源（701）的方向的单独的光强度。

5.根据权利要求1的方法，其中，所述测量包括：

测量可用于进入所述空间的外部光数量；以及

基于来自外部光源的光透过其进入的窗户的透射特性以及可用外部光数量来估计所述位置处的所述外部光源的光强度分量。

6.根据权利要求1的方法，其中，通过以第一适配步长迭代地（200,300）调节已安装光源（104）的强度并且以第二适配步长调节进入所述空间的外部光（105）数量来施行所述调谐，其中第一和第二适配步长取决于预定义目标发光度水平与所测量的组合光强度之间的差异以及能量消耗。

7.根据权利要求1的方法，其中，使得从所述光源测得的组合光强度在所述位置处最接近预定义目标发光度水平的条件的优先级高于使得由已安装光源消耗的能量数量最小化的条件。

8.根据权利要求7的方法，其中，通过以第一适配步长迭代地（200,300）调节已安装光源（104）的强度并且以第二适配步长调节进入所述空间的外部光（105）数量来施行所述调谐，其中第一适配步长取决于预定义目标发光度水平与所测量的组合光强度之间的差异，第二适配步长取决于预定义目标发光度水平与所测量的组合光强度之间的差异以及能量消耗。

9.一种用于在包括已安装光源（104）和外部光源（105）的空间内控制光亮度的系统，其包括：

用于在所述空间内的某位置处测量来自已安装光源（104）和外部光源（105）的单独的光强度分量的传感器（106）；

用于基于所测量的光强度控制已安装光源（104）的强度水平的第一控制器（102）和用于基于所测量的光强度控制进入所述空间的来自外部光源（105）的光数量的第二控制器，其中

所述第一控制器和第二控制器被适配成同时分别调谐已安装光源（104）的强度水平和进入所述空间的外部光（105）数量以便优化以下条件：

从所述光源测得的组合光强度在所述位置处最接近预定义目标发光度水平（101）；并且

由已安装光源（104）消耗的能量数量最小化。

10.根据权利要求9的系统，其中，所述传感器是光谱传感器（503），光谱传感器（503）被适配成基于所述光源的已知光谱特性识别单独的光强度分量。

11.根据权利要求9的系统，其中，所述已安装光源（602）被适配成传送叠加在已安装光源（602）的一般性照明（605）上的编码信息（604），并且所述传感器（603）被适配成提取出编码光信号的强度。

12.根据权利要求9的系统，其中，所述传感器包括双光电传感器（703），其中一个朝向已安装光源方向（705），另一个朝向外部光源方向（704）。

13.根据权利要求9的系统，其还包括用于测量可用于进入所述空间的外部光数量的传感器（107），其中基于来自外部光源的光透过其进入的窗户的透射特性以及所述可用外部光数量来估计所述位置处的所述外部光源的光强度分量。

14.根据权利要求9的系统，其中，第一控制器（102）被适配成以第一适配步长迭代地（200,300）调节已安装光源（104）的强度，并且第二控制器（103）被适配成以第二适配步长调节进入所述空间的外部光（105）数量，其中第一和第二适配步长取决于预定义目标发光度水平与所测量的组合光强度之间的差异以及能量消耗。