СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СВЕТОМ И ДНЕВНЫМ СВЕТОМ С ДВУХРЕЖИМНЫМ ДАТЧИКОМ СВЕТА
ELECTRIC LIGHT AND DAYLIGHT CONTROL SYSTEM WITH DUAL-MODE LIGHT SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам управления освещением и, более конкретно, к способу и системе для управления яркостью света в пространстве, включающем в себя установленный источник света и внешний источник света.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Системы управления современных зданий для управления электрическим светом и дневным светом в основном используют независимые ручные системы управления. Недавно на рынке были представлены улучшенные системы, которые используют датчики дневного света, чтобы управлять электрическим освещением согласно количеству дневного света, входящего в пространство. Эти системы используют измерение общего уровня освещенности, чтобы управлять уровнем затемнения электрического света. Также были представлены механизированные шторы, чтобы управлять количеством дневного света, входящего в пространство. Эти улучшенные подсистемы (дневной свет через окна и электрическое освещение) все еще функционируют независимо друг от друга. Такие системы, функционирующие независимо, но влияющие на одну переменную, например освещение в комнате, не только являются неэффективными с точки зрения энергосбережения, но также могут приводить к неудовлетворенностям пользователя. Исследование показало, что, когда жильцы не удовлетворены автоматическим управлением, они часто возвращаются к ручному управлению, аннулируя цели автоматического управления, что приводит к снижению преимуществ, таких как энергосбережение. Использование объединенного управления, однако, может привести к дополнительному энергосбережению и также может снизить неудовлетворенность пользователя.
Недавно объединенные системы управления были раскрыты в некоторых патентах США. Ниже представлено два примера.
Патент США № 7085627 B2 раскрывает объединенное управление шторами окна и электрическим освещением. Эта система основана на центральном контроллере, но она не использует датчики дневного света, чтобы регулировать уровень освещения. Она является управляемой вручную системой. Хотя контроллер изображен как объединенный контроллер, управление оконными драпировками и освещением, по существу, выполняется вручную и независимо.
Патент США № 7111952 B2 раскрывает объединенный контроллер для оконных драпировок и электрического освещения. Эта система включает в себя распознавание дневного света, чтобы управлять уровнями затемнения электрического освещения и количеством дневного света в комнате. Эта система использует центральный контроллер для управления подсистемами. Однако функционирование является последовательным, то есть сначала оконные драпировки регулируются, пока не будут полностью открыты/закрыты, а затем электрическое освещение регулируется, чтобы обеспечить оставшийся требуемый свет.
Одним общим недостатком вышеупомянутых изобретений является то, что они функционируют последовательно, например сначала оконные шторы полностью закрываются/открываются, после чего следует функционирование электрического освещения. Такая система имеет вероятность не удовлетворять пользователя. Например, когда пользователь изменяет заданные значения или датчик наличия объекта детектирует изменяющиеся условия и настройки должны быть изменены (например, из положения ВЫКЛ в положение ВКЛ), пользователи будут вынуждены ждать, пока последовательное функционирование не будет завершено, чтобы увидеть, удовлетворены ли их предпочтения относительно освещения. Так как оконные драпировки функционируют медленно, общее время ожидания может составлять несколько секунд, если не минуту или более. С сегодняшней необходимостью в быстрых откликах пользователи могут не одобрять такое долгое время ожидания и в конце концов вернуться к полностью ручному управлению.
Вдобавок объединенная система управления, упомянутая выше, использует центральный контроллер, чтобы управлять как оконными драпировками, так и электрическим освещением, требуя средств связи между подсистемами.
Альтернативным подходом является разделение общей измеряемой яркости света как с системой оконной драпировки, так и с системой электрического света с тем, чтобы обе системы пытались независимо удовлетворять условиям заданного значения освещения. Такая система имеет две совершенно независимые замкнутые системы управления с обратной связью, которые работают на один результат, то есть общий уровень освещения в комнате. Однако такая система имеет некоторые характерные проблемы и не гарантирует оптимальное функционирование для энергосбережения и предоставления необходимого дневного света пользователям. Главная проблема вызывается двумя независимыми контурами управления с различными временными ограничениями, «борющимися» друг с другом, чтобы удовлетворить требованиям заданных значений. Из-за этой проблемы широкое использование этих стратегий ограничено, хотя имеет значение и неудовлетворенность пользователя и сниженное энергосбережение.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие предоставляет независимые замкнутые системы управления, хотя функционирование контуров управления связано через измеренные компоненты освещения, с тем, чтобы вышеупомянутые проблемы могли быть уменьшены или преодолены.
Настоящее раскрытие описывает систему для управления внешним светом (например, дневным светом или солнечным светом) и электрическим светом в пространстве с тем, чтобы как электрическое освещение, так и оконные драпировки (например, шторы, заслонки, т.д.) функционировали параллельно (не последовательно), без необходимости взаимодействия друг с другом, и в то же время снижалось потребление энергии и удовлетворялись требования заданных значений пользователя. Их функционирование связано через знание компонентов внешнего света и электрического света в пространстве, измеренных двухрежимным датчиком света. Примеры двухрежимного датчика света включают в себя спектральные датчики света, системы измерения кодированного света и прочего, которые могут выделять компонент внешнего света и компонент электрического света в пространстве. Несколько примеров сенсорных схем описаны ниже.
Конкретные варианты осуществления в материалах настоящей заявки включают в себя систему для управления как электрическим светом, так и внешним светом, использующую датчики света или методики измерения и оценки, которые могут предоставлять компоненты внешнего света и электрического света в пространстве. Ниже представлено несколько примерных признаков.
- Система измеряет условия внешнего и внутреннего освещения с помощью датчиков и, используя результаты измерения, регулирует оконные драпировки и электрическое освещение.
- Внутренний датчик света передает отдельные измеренные значения света (например, компоненты внешнего света, электрического света и общего света) как на контроллер электрического света, так и на контроллер оконных драпировок.
- Контроллер оконных драпировок и контроллер электрического света используют информацию датчика, чтобы регулировать оптимальные условия освещения в пространстве.
- Контроллер оконных драпировок и контроллеры электрического света связаны через двухрежимный внутренний датчик света или измерительную систему, чтобы предоставить компоненты освещения. Таким образом, для оптимального функционирования нет необходимости в прямой связи между электрическим светом и оконной драпировкой.
- Система управляет условием освещения таким образом, что удовлетворяются заданные значения освещения пользователя и цели энергопотребления.
- Другие датчики, такие как датчики температуры и наличия объекта, также могут быть интегрированы в систему.
- Дополнительные признаки, такие как управление ослепляющим светом, также могут быть интегрированы в систему.
- Система также может быть связана с базой данных прогнозирования погоды в реальном времени, чтобы улучшить производительность системы.
В одном из вариантов осуществления изобретение относится к способу управления яркостью света в пространстве, включающем в себя установленный источник света и внешний источник света. Способ состоит в том, что измеряют отельные компоненты интенсивности света от источников света в местоположении внутри пространства, управляют уровнем интенсивности установленного источника света и количеством света от внешнего источника света, входящего в пространство, на основании измеренных интенсивностей света, и регулируют уровень интенсивности установленного источника света и количество внешнего света, входящего в пространство, одновременно, чтобы оптимизировать условия, чтобы объединенная измеренная интенсивность света от упомянутых источников света была как можно ближе к предопределенному целевому уровню яркости в местоположении и чтобы количество энергии, потребляемое установленным источником света, минимизировалось.
В другом варианте осуществления изобретение относится к системе для управления яркостью света в пространстве, включающем в себя установленный источник света и внешний источник света. Система включает в себя: датчик для измерения отдельных компонентов интенсивности света от источников света в местоположении внутри пространства, первый контроллер для управления уровнем интенсивности установленного источника света и второй контроллер для управления количеством света от внешнего источника света, входящего в пространство, на основании измеренных интенсивностей света, при этом контроллеры выполнены с возможностью регулировать уровень интенсивности установленного источника света и количество внешнего света, входящего в пространство, одновременно, чтобы оптимизировать условия, чтобы объединенная измеренная интенсивность света от упомянутых источников света была как можно ближе к предопределенному целевому уровню яркости в местоположении и чтобы количество энергии, потребляемое установленным источником света, минимизировалось.
В другом варианте осуществления изобретение относится к постоянному машиночитаемому носителю, содержащему сохраненные на нем команды для побуждения процессора выполнять процесс управления яркостью света в пространстве, включающем в себя установленный источник света и внешний источник света. Процесс состоит в том, что измеряют отельные компоненты интенсивности света от источников света в местоположении внутри пространства, управляют уровнем интенсивности установленного источника света и количеством света от внешнего источника света, входящего в пространство, на основании измеренных интенсивностей света, и регулируют уровень интенсивности установленного источника света и количество внешнего света, входящего в пространство, одновременно, чтобы оптимизировать условия, чтобы объединенная измеренная интенсивность света от упомянутых источников света была как можно ближе к предопределенному целевому уровню яркости в упомянутом местоположении и чтобы количество энергии, потребляемое установленным источником света, минимизировалось.
В целом различные аспекты изобретения могут быть объединены и соединены любым возможным способом в пределах объема изобретения. Предмет изобретения, который рассматривается как изобретение, конкретно выделяется и отдельно заявляется в формуле изобретения в заключительной части описания изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Фиг. 1 показывает структурную схему высокого уровня системы управления освещением согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 показывает блок-схему последовательности операций функционирования контроллера оконной драпировки (штор), согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 3 показывает блок-схему последовательности операций функционирования контроллера электрического света согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 4 показывает структурную схему высокого уровня системы управления освещением согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 5 показывает использование спектрального датчика согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 6 показывает использование кодированного света согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 7 показывает использование направленного двойного датчика согласно варианту осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
В одном из вариантов осуществления система управления получается любым аналитическим способом. Главной задачей является минимизация функции стоимости, состоящей из ошибки заданного значения освещения и потребления энергии.
Фиг. 1 показывает вариант осуществления реализации, описанной в материалах настоящей заявки. Система 100 включает в себя как оконную драпировку 105, так и электрический свет 104, имеющие свои собственные контроллеры 103 и 102 соответственно. Пользовательский ввод 101 (пользовательский ввод заданного значения) и данные датчика от датчика 106 предоставляются обеим системам. Внутренний датчик 106 света является датчиком, который может раскладывать общее измеренное значение интенсивности света на компонент внешнего света и компонент электрического света. Система может включать в себя фотодатчик 107 для измерения интенсивности внешнего света (например, солнечного света).
Контроллер 103 оконной драпировки использует информацию от датчика 106 и, по выбору, датчика 107, чтобы регулировать количество внешнего света, принимаемого через окно в пространство таким образом, что требование пользователя (заданное значение) удовлетворено и потребление энергии минимизируется. Контроллер 102 электрического света также выполняет схожие функции. Предпочтительно, как контроллер 102 электрического света, так и контроллер 103 оконной драпировки функционируют одновременно параллельно, без необходимости взаимодействовать друг с другом.
Отметим, что количество осветительных приборов и оконных штор будет зависеть от конкретного применения. Взаимодействие между пользовательскими вводами, оконными драпировками и электрическим освещением может происходить через локальное специализированное соединение (проводное или беспроводное) или через базовую сеть, такую как сеть предприятия для управления данными и/или зданием.
Фиг. 2 и 3 показывают упрощенные блок-схемы последовательности операций функционирования системы согласно варианту осуществления, описанному в материалах настоящей заявки. Фиг. 2 показывает блок-схему 200 последовательности операций функционирования контроллера оконной драпировки, а фиг. 3 показывает блок-схему 300 последовательности операций для контроллера электрического света в случае, когда контроллер оконной драпировки принимает компоненты как дневного света, так и электрического света (EL) внутреннего пространства. Его режим функционирования изменяется на основании величины компонента электрического света в пространстве (EL < порогового значения). В этом случае электрический свет функционирует как стандартный контроллер сбора дневного света. Например, система сбора дневного света, использующая датчик уровня освещенности, фотодатчик, чтобы детектировать уровень превалирующего света, светимость или яркость, в разомкнутых или замкнутых системах. В разомкнутой системе фотодатчик детектирует только количество доступного дневного света и может располагаться на внешней стене, или крыше здания, или внутри здания, будучи направленным на окно или верхний свет. В замкнутой системе фотодатчик детектирует общее фотометрическое количество света как от дневного света, так и от электрических источников в пространстве. Например, в офисе замкнутый фотодатчик может располагаться на потолке, быть направленным на рабочие столы, чтобы детектировать количество света на рабочей поверхности.
Со ссылкой на фиг. 2, на этапе 201 производится определение того, находится ли система оконной драпировки в автоматическом режиме. Для простоты иллюстрации оконные драпировки в данном примере являются оконными шторами. Если да, тогда на этапе 202 производится определение того, удовлетворяется ли заданное значение, и открыты ли шторы не полностью, и включен ли EL. Если да, на этапе 203 производится определение того, является ли интенсивность EL меньше или равной пороговому значению. Если да, на этапе 204 производится определение того, выше ли освещенность в пространстве, чем необходимо. Если да, на этапе 205 контроллер оконной драпировки уменьшает отверстие штор, чтобы впускать меньше внешнего света в пространство.
Если определение на этапе 203 в результате дает нет, тогда на этапе 206 производится определение того, выше ли освещенность в пространстве, чем необходимо. Если да, на этапе 208 контроллер оконной драпировки медленно уменьшает отверстие штор.
Если определение на этапе 204 или этапе 206 в результате дает нет, тогда на этапе 207 контроллер оконной драпировки увеличивает отверстие штор, чтобы впускать больше внешнего света в пространство. Отметим, что ссылка на «дневной свет не ограничивает наружное освещение пространства солнечным светом или дневным светом. Также ссылка на «шторы» не ограничивает оконные драпировки оконными шторами.
Со ссылкой на фиг. 3, на этапе 301 производится определение того, находится ли система электрического света в автоматическом режиме. Если да, тогда на этапе 302 производится определение того, удовлетворяется ли заданное значение. Если да, на этапе 303 производится определение того, выше ли освещенность в помещении, чем необходимо. Если да, на этапе 304 контроллер электрического света увеличивает затемнение электрического света. Если нет, на этапе 305 контроллер электрического света уменьшает затемнение электрического света.
В варианте осуществления следующий алгоритм управления может использоваться для реализации одновременного управления компонентами электрического света и внешнего света.
Получение алгоритма управления
В одном из вариантов осуществления подход состоит в использовании адаптивных контроллеров, которые основаны на градиентном подходящем алгоритме, чтобы минимизировать функцию стоимости. Другие варианты включают в себя традиционные контроллеры, такие как ПИ, ПИД, т.д. Ниже описан первый вариант, чтобы проиллюстрировать базовую теоретическую основу для системы, описанной выше.
Одной общей схемой является управление как оконными драпировками, так и электрическим освещением с тем, чтобы они пытались снизить ошибку освещения и потребление энергии в пространстве. Такая цель приводит к следующей адаптивной системе:
где x и w - адаптируемые переменные, представляющие электрический свет и оконную драпировку соответственно, e - ошибка освещения, например разница между заданным значением пользователя и измеренным уровнем освещения, E пропорционально потреблению энергии, а µ - небольшие положительные константы (размеры адаптационного шага). Последние два члена являются величиной, на которую электрическое освещение и оконные драпировки будут отрегулированы для каждого цикла адаптивного управления. Здесь n является индикатором цикла.
Член ошибки освещения e может быть дополнительно описан как
e(n)=y(n)-u
где u - желаемое заданное значение пользователя, y(n) - показатель внутреннего датчика света. Внутренний свет может быть описан как
y(n)=dl(n)*w(n)+x(n)
где dl - уровень доступного внешнего освещения (например, дневного света). Подобным образом, используя вышеупомянутые соотношения, потребление энергии электрического освещения может быть описано как
Используя вышеупомянутые соотношения и после дополнительных упрощений замкнутая система управления может быть описана посредством
1
2
x(n)=x(n-1)-μe(n)-μx(n)
3
4
w(n)=w(n-1)-μe(n)dl(n)+μx(n)
Как видно из вышеприведенных уравнений, присутствие одинаковых e(n) и x(n) в обоих уравнениях иллюстрирует взаимодействие между выходами внешнего света и электрического света.
Вышеприведенная общая система пытается найти хороший баланс между сниженным потреблением энергии и удовлетворением заданных значений пользователя. Это означает, что иногда заданные значения пользователя могут не выполняться полностью, чтобы сэкономить энергию. Это может происходить в случаях, когда нет достаточного количества внешнего света, чтобы удовлетворить требованиям, и интенсивность электрического света должна быть значительно увеличена, что может не удовлетворять энергетическим требованиям.
Альтернативным решением является решение, которое основано на удовлетворении заданной точки пользователя, но все еще уменьшает потребление энергии. Такая система может быть получена посредством изменения адаптивных уравнений как
Дополнительное упрощение приводит к следующей адаптивной системе
1
x(n)=x(n-1)-μe(n)
3
4
w(n)=w(n-1)-μe(n)dl(n)+μx(n)
В этой системе контроллер освещения просто пытается удовлетворить заданному значению пользователя (то есть сниженной ошибке освещения). Однако система оконной драпировки пытается выполнить обе цели, то есть удовлетворить заданным значениям пользователя и «заставить» электрический свет экономить энергию. Система оконной драпировки делает это посредством допуска как можно большего количества внешнего света с тем, чтобы электрическое освещение уменьшалось соответственно.
Фиг. 4 показывает упрощенные структурные схемы 400 одного из вариантов осуществления реализации данного подхода. Система пытается удовлетворить требуемому уровню 403 яркости. Внутренний датчик 404 света измеряет общий свет, y(n), и компонент электрического света, x(n). Датчик 405 внешнего света измеряет компонент внешнего света dl(n). Данные общего света передаются на контроллер 401 электрического света для управления уровнем уменьшения электрического освещения 406. Данные о компонентах как внешнего света, так и электрического света передаются на контроллер 402 оконной драпировки, который управляет механизированными оконными драпировками (например, шторами) 407.
Сенсорная схема
Система двухрежимного внутреннего датчика может быть сконструирована множеством способов. Ниже приведены несколько описаний этих сенсорных схем. Эти схемы предоставляют различные соотношения производительность/сложность. Раскрытая система не ограничена использованием этих сенсорных схем.
1) Спектральный датчик
Как показано на фиг. 5, спектральный датчик 503 распознает компоненты электрического света 502 и внешнего света 501 из измеренного спектра света. Спектральный датчик 503 использует известные характеристики электрического света и внешнего света, чтобы выделить их соответствующие интенсивности освещения. Идентификация может быть реализована, используя настроенные на спектр фильтры и фотодиоды. На фиг. 5 504 и 506 являются примерами светового спектра некоторых источников внешнего света и электрического света, а 505 и 507 являются примерными характеристиками спектральных фильтров.
2) Датчик кодированного света
В этой сенсорной схеме электрический свет 602 с фиг. 6 передает кодированную информацию 604, наложенную на общее освещение 605. Сенсорная схема извлекает силу кодированного светового сигнала, оценивает интенсивность электрического света и компонент внешнего света 601 из этой силы сигнала и общего измерения света датчиком 603.
3) Двойные фотодатчики
Этот способ использует двойные фотодатчики 703 с фиг. 7 на окне, один, смотрящий в направлении 704 внешнего источника света, где внешний свет (например, солнечный свет) 701 находится снаружи окна, а другой - в направлении 705 электрического света, где электрический свет 702 находится внутри.
4) На основании модели
Другим вариантом является оценка компонента внешнего света из общего света, измеренного в пространстве, характеристик передачи оконных драпировок и доступного внешнего света (например, через внешний датчик). Это требует оценки количества внешнего света на рабочей плоскости, который прошел через оконные драпировки. Требуется знание характеристик передачи (модели) оконных драпировок и положения датчика относительно окна.
Данное изобретение применимо к управлению освещением (электрическим освещением и дневным освещением) и регулированию энергопотребления в зданиях и домах.
Вышеприведенное подробное описание изложило некоторые из многих форм, которые может принимать изобретение. Подразумевается, что вышеприведенное подробное описание должно пониматься как иллюстрация избранных форм, которые может принимать изобретение, а не как ограничение определения изобретения. Только формула изобретения включает в себя все эквиваленты, которые предназначены для определения объема данного изобретения.
Наиболее предпочтительно принципы настоящего изобретения реализуются в виде любой комбинации аппаратного обеспечения, программно-аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Более того, программное обеспечение предпочтительно реализуется в виде прикладной программы, материально осуществленной на программном запоминающем устройстве или машиночитаемом запоминающем носителе, состоящем из частей или конкретных устройств и/или комбинации устройств. Прикладная программа может загружаться на и выполняться посредством машины, содержащей любую подходящую архитектуру. Предпочтительно машина реализована на компьютерной платформе, содержащей аппаратное обеспечение, такое как один или более центральных процессоров («ЦП», «CPU»), память и интерфейсы ввода/вывода. Компьютерная платформа также может включать в себя операционную систему и микрокомандный код. Различные процессы и функции, описанные в материалах настоящей заявки, могут быть либо частью микрокомандного кода, либо частью прикладной программы, или любой их комбинацией, которая может выполняться ЦП, независимо от того, показан ли такой компьютер или процессор явно. В дополнение, различные другие периферийные устройства могут быть соединены с компьютерной платформой, такие как дополнительное устройство хранения данных и печатающее устройство.