自動控制系統中的半自動環境光傳感器校準方法

專利名稱：自動控制系統中的半自動環境光傳感器校準方法
技術領域：
本發明涉及可變暗的照明系統。更具體地，它涉及在自動控制系統操作的照明系統中校準環境光強度的改進的方法。
隨著在建筑設計中對節能注意力的提高，建筑師、建筑物業主及經營商正在利用自動變暗的照明系統來降低電耗及成本。然而，由于自然光的室內強度變化無常，基于諸如一天中的時間等可預測變量及諸如氣候條件與陰影位置等不可預測變量兩者的預定開環變暗時間表不能保證在所有時間上足夠與均勻地照明給定的工作面。在試圖解決這一問題中，各方面已研制出包含人工光線輸出的反饋控制的變暗系統。
這種用于控制光源發出的照明量的系統通常稱作變暗控制裝置。轉讓給本發明的受讓人的美國專利號4,904,906中公開了為與熒光照明一起使用而設計的這種系統，通過引用將其結合在此。這些系統利用環境光傳感器或光電管來監視空間中的環境光強度。傳感器將其接收的光轉換成電信號。將這一信號提供給按照預定的算法調節提供給光源的能量的強度或質量的電子控制電路。這一算法可以是比例的、積分的或差分的。
典型房間中的照明控制系統具有關心的照明點，通常是位于諸如建筑物內的房間或其它封閉空間等照明空間內的工作面及其周圍。來自電照明設備的人工光線Ee及從房間外面通過窗口進入的自然光線Eo照明所關心的點。所關心的照明點及周圍的一些光線作為反射光線Es反射到環境光傳感器中。光傳感器，也稱作光電管，通常安裝在關心的照明點上方的天花板上，然而它也可安裝在照明空間內任何地方。傳感器將其接收的反射光Es轉換成與其接收的光成比例的通常為0至10伏電壓的電信號。將傳感器電壓提供給電子控制電路，后者計算照明空間內所需的電光量。控制電路可位于任何地方，但通常安裝在傳感器中、照明設備中或獨立的盒中。控制電路所采用的算法可以是比例的、積分的與/或差分的控制系統。照明控制系統通常利用比例控制系統。
控制算法的參數通常是在安裝后可調節的，從而技術人員能將關心的點上的光強度校準到任何要求的強度上。雖然許多系統只有照明強度的設定點調節，但技術人員能調節增益與設定點兩者是理想的。其它系統只有一個設定點調節，但允許使用自動開關在多種固定增益之間進行增益調節。Honeywell EL7365環境光傳感器便是這種系統的一個實例。
先有技術需要勞動量大的試探校準過程。技術人員手動將光度計放置在關心的點上。然后技術人員通過轉動改變模擬電路的電阻的電位計來調節照明參數，直到關心的點上的光線達到要求的強度為止。技術人員在夜間或窗簾完全閉合時而在所關心的點上沒有外部光線Eo時進行這一第一次讀取。以后在自然日光通過外部窗口進入房間時再調節這些參數直到所關心的點上的光線達到要求的強度。
若干因素能使這一過程復雜化。首先，必須經常調節以便在關心的點上的光線有無自然日光Eo都保持穩定。由于進入房間的日光的角度隨一天中的時間改變而使這一問題進一步復雜化，因為大多數窗口不設有光擴散器。第二，由于調節完全是手動的，技術人員需要進行多次費時的調節以便歸零在所要求的光設定值上。第三，如果調節是在照明裝置或光傳感器上進行的，技術人員必須爬上梯子進行試調，然后爬下梯子以避免擋光，然后，為各次調節讀取光度計。
因此，本發明提供了半自動校準自動照明控制系統的方法，它克服與先有技術系統關聯的許多缺點。這一方法利用與照明控制系統通信的光度計及編程器。編程器通過光度計在感測關心的點上的照明強度并通過照明控制系統交互地調節照明強度，該照明控制系統控制照明燈的功率控制器，通常為可變暗的鎮流器。通過在最小與最大室外照明強度及最小與最大電照明強度上讀取環境光強度，編程器計算出在任何室外光強度上提供足夠光線給關心的點所需的電子增益及設定點。然后編程器從照明控制系統上斷開并在最小與最大室外光強度上讀取關心的點上的光強度。如果這些讀數與編程器所計算的預測光強度不一致，編程器便向技術人員建議進一步調節。
從而可以理解，此后所描述的方式消除了上述問題，并從下面結合附圖作出的說明與權利要求中能得到本發明的進一步優點與細節。


圖1為展示本發明的圖。
圖2為本發明的流程圖。
圖3為電光線對受本發明調節的光線的控制信號的曲線。
圖4為按照本發明的照明強度控制裝置的信號流圖。
圖5為按照本發明的照明強度控制裝置的簡化信號流圖。
首先詳細描述本發明及使用它的環境。這一說明后面，提出使用方法以及數學表示。
參見圖1，關心的照明點7位于通常是建筑物內的房間或其它封閉空間的照明空間8內。來自電光裝置9的人工光Ee及從室外通過窗口10進入的自然光Eo照明所關心的點7。所關心的點7上及其周圍的一些光線作為反射光Es反射到環境光傳感器11中。也稱作光電管的光傳感器11通常安裝在所關心的照明點7上方的天花板上，然而它也可安裝在照明空間8內任何地方。光傳感器11將它所接收的反射光Es轉換成其電壓與它所感測的反射光Es的強度成正比的通常為0至10伏的電信號。將光傳感器的電壓提供給變暗電子器件12，后者計算照明空間8內所需的電光Ee的量。變暗電子器件12可位于任何地方，但通常安裝在光傳感器11中，在或接近照明裝置9處，或者在獨立的盒中。
可在光度計13的協助下校準該系統，光度計13可放置在所關心的照明點7上并測定那里的照明強度。可將這一光度計13連接在編程器15上，在較佳實施例中編程器是膝上個人計算機但可以是若干基于微處理器的設備中任何一種，專用的或通用的均可。這一連接可用導電線14、射頻、紅外或若干知名的通信介質中任何一種來實現。又將編程器連接在變暗電子器件12上，可再用導電線16、射頻、紅外或若干知名通信介質中的任何一種。
光度計13測定所關心的照明點7上的照明強度Ew，并將瞬時照明強度Ew報告給編程器。通過技術人員在編程器的鍵盤或小鍵盤或類似數據輸入設備上起動的一系列測定，編程器15為可變的外部光強度Eo計算在關心的照明點上保持恒定的光強度Ew所需的增益及設定點。然后編程器15將增益及設定點傳輸給電子器件12。然后電子器件12將諸如增益及設定點等參數應用在控制算法上。
圖2中一步一步的進程參照圖1中所示的環境及設備展示較佳實施例。在進入照明空間8時，技術人員進行安裝18。這包含將光度計13放置在所關心的照明點7上，以及如果光度計13不是編程器15的整體部分便將光度計13連接在編程器15上。在較佳實施例中這一連接是用物理導電線14進行的，但也可利用射頻或紅外邏輯連接。然后技術人員將編程器“連接”在變暗電子器件12上。在專用的單一區域的系統中，這一連接可以是諸如導電線16等物理連接，或者在電子器件與編程器之間的通信系統為網絡時可包括物理與邏輯連接兩者。一種這樣的網絡為Echelon局域操作網。
在框19中，將所關心的照明點7所要求的光強度輸入到編程器15中，在較佳實施例中，這一步驟是通過將光強度鍵入編程器15的鍵盤來完成的；然而這一步驟也可通過用諸如數字小鍵盤、或附著在位置傳感器上的旋鈕等任何其它普通輸入設備輸入，或從電子存儲器或任何其它數據存儲介質讀入光強度來完成。
在框20中，編程器15將環境光傳感器11從變暗器電子器件12上邏輯地斷開，并將環境光傳感器11的輸出邏輯地連接到編程器15上，使它能讀取Es的值。編程器15還連接在變暗器電子器件12上以直接控制電光強度Ee。編程器15的這一動作斷開了環境光傳感器11與變暗器電子器件12之間的反饋控制環路。
在框21中，編程器15發布命令關閉對照明空間8的外部窗口10上的窗簾。在較佳實施例中，這一命令是作為某種可見或可聽見的信號發布給技術人員的，但也可將這一命令用聲音或電子地給予起動窗簾關閉的自動設備。窗簾關閉阻擋自然光通過外部窗口10進入，使Eo近似于零。窗簾關閉時Eo不一定必須精確地為零，但在光線完全變暗時與電光裝置9提供的光線相比必須不明顯地影響Ew或Es。當技術人員完成了關閉窗簾時，他便通過按指定的鍵將完成的動作指示給編程器15。在其它實施例中，技術人員可利用其它已知的輸入方法來通知編程器15這一步驟的完成，或者在全自動系統的情況中，窗簾致動器可將信號發送回編程器15。
然后，測定子例程22通過變暗器電子器件12與編程器15之間的連接16使照明裝置9進入最小強度。然后，子例程22分別記錄環境光傳感器11與光度計13測定的Es與Ew的值。然后，子例程22通過變暗器電子器件12與編程器15之間的連接16使光強度Ee進入最大強度并分別記錄環境光傳感器11及光度計13所測定的Es及Ew的值。
在框23中，編程器15發布命令打開照明空間8的外部窗口10上的窗簾。在較佳實施例中再一次作為某種可見或可聽見的信號將這一命令發布給技術人員，但也可用聲音或電子地將這一命令給予起動窗簾的自動設備。當技術員完成關閉窗簾時，他便通過按指定的鍵向編程器15指示完成的動作。在其它實施例中，技術人員可利用其它已知輸入方法通知編程器這一步驟的完成，或者在全自動系統的情況中，窗簾致動器可將信號發送回編程器15。
最好應在日光接近垂直于外部窗口10時運行的測定子例程24，這時通過變暗器電子器件12與編程器15之間的連接16使照明裝置9進入最小強度。當窗口在一天中的大多數時間上背對太陽時(例如北半球朝北的窗口)，則運行測試的最佳時間為太陽并不直接照射在窗口上的任何時間。然后子例程22分別記錄環境光傳感器11及光度計13測定的Es及Ew的值。然后子例程24通過變暗器電子器件12與編程器15之間的連接16使光強度Ee進入最大強度，并且分別記錄環境光傳感器11及光度計13測定的Es及Ew的值。
兩個測定子例程獲得4個不同的Es與Ew值。第一個是窗簾關閉、最小電光條件的。第二個是窗簾關閉、最大電光條件的。第三個是窗簾打開、最小電光條件的。第四個是窗簾打開、最大電光條件的。
在這四種條件的各種上記錄了各照明強度Es與Ew之后，編程器15便根據8個測定值計算電子增益與設定點的值。
稍后在本說明書中結合圖3-5及相關公式詳細描述用框25指示的進程。然后編程器將計算出的增益及設定點值傳遞給變暗器電子器件12，在那里將它們存儲在非易失性存儲器中。有時照明空間中光傳感器11、外部窗口10及裝置的物理布置使得增益及設定點的計算不可能進行或不精確。在這一情況中，編程器15通過顯示出錯信息指出這一情況。
在框26中，編程器15將其自己從變暗電子器件12邏輯上斷開并將環境光傳感器11連接在變暗電子器件12上，恢復照明反饋環路。現在環境光傳感器11通過變暗電子器件12控制電光強度Ee。編程器15讀取光度計13(打開窗簾)并將Ew的實際讀數與Ew的要求讀數(技術人員早先輸入的或從存儲器或其它數據存儲器讀取的)比較。然后編程器15發布命令關閉照明空間8的外部窗口上的窗簾。技術人員或自動系統關閉窗簾并向編程器15指出這一動作的完成(通常通過按編程器上指定的鍵)。編程器15讀取光度計13(窗簾關閉)并將Ew的實際讀取與Ew的要求讀數比較。在框28中，如果讀數不與對于窗簾打開或關閉的容差范圍相符合，編程器15便作出建議如何調節來改進系統的性能。在最后的步驟29中，技術人員斷開編程器15與光度計13。
注意上面的許多步驟是可由編程器15自動處理的，而其它步驟為例程，例如連接光度計13或關閉與打開窗簾。除了能產生失敗的特定原因的框25和校準過程完全失敗的框28以外所有步驟都是確定性的。
參見圖1，其中示出了帶有對所關心的照明點7上的光Ew產生影響的外部光Eo及電光Ee的典型照明空間8。希望不論外部光Eo的強度如何，都保持關心的照明點上的照明強度不變。圖4中可看到系統的信號流圖。
如圖4中所見，可將光傳感器11上的光強度表示為Es=Ee*Kes+Eo*Kos(式1)而關心的照明點7上的光強可表示為Ew=Ee*Kew+Eo*Kow(式2)其中Kes、Kos、Kew及Kow為通過考慮進去照明空間8的空間幾何形狀及該空間內的材料的反射性而計算出的常數。注意，由于外部光隨著太陽位置的改變而改變，Kow及Kos可隨一天中的時間而變化。最好用光擴散材料復蓋窗口以減少外部光線中的每天這一時間的變化。當家具、材料及人員在照明空間8中移動時，Kew及Kes也能變化。
圖3中用曲線畫出照明系統產生的電照明強度Ee相對于從變暗電子器件12到電光鎮流器的控制信號Ep的曲線，得出電照明強度Ee。在圖3中的曲線中，從控制信號到光輸出的轉換函數為Gpe。其中Eeo為在Ep為零時照明系統所能產生的最小光強度。當控制信號Ep為Epm時照明系統能從裝置產生的最大光強度為Eem。這一關系可表示為Ee=Eeo+Ep*Gpe(式3)在Eeo/Gpe中代入Epo得出Ee=Gpe*(Epo+Ep) (式4)變暗電子器件12在光傳感器11的輸出Es與預選的設定點P之間的差上乘以增益常數G，并將這一積作用在電光9的鎮流器上。圖4示出電子器件12、照明裝置9及房間的空間常數的完整的信號流圖。電子器件12及照明裝置9是用虛線畫出的。
注意，可將Gpe與Kes組合成單個增益常數Kps，其中Kps=Kes*Gpe。也能將Gpe與Kew組合成單一的增益常數Kpw，其中Kpw=Kew*Gpe。從而能畫出圖5中所示的新的信號流圖。
參見圖5的流圖，可以看出 如果Ew與Eo無關，則Kow-Kos*Kpw*G=0(式6)這產生 解出P 利用圖2中所示的方法，便有可能計算出P與G的值。P與G為控制反饋環路及照明源9的光強度Ee的編程器15所設定的變量。測定子例程22測定Eo=0及Ep=0時工作面傳感器13的光強度(Ew1)。測定子例程22還測定Eo=0及Ep=0時環境光傳感器11的光強度(Es1)。當將照明裝置9的強度設定在最大值上時(將Ep設定在Epm上)工作面傳感器13仍以Eo=0及Ep=Epm測定Es2。環境光傳感器13測定在Eo=0及Ep=Epm時的環境光Es2。根據這些測定值，可計算出Epo如下Epo=Ew1*Epm/(Ew2-Ew1) (式9)Epo=Es1*Epm/(Es2-Es1) (式10)如果上面兩式中計算出的Epo的值在預定的容差范圍內不符合，則未將工作面與/或環境光傳感器放置成接受足夠的電光或到達傳感器的電光未受電光9控制。
然后用子例程24以Ep=0及Epo=0計算帶有在未知值上的Eo的工作場所傳感器。通過關掉光線將Ep及Epo設定為0。測定工作面傳感器13上的環境光作為Ew3，并且環境光傳感器11測定Es3。子例程25根據Ew1至Ew3及Es1至Es3的測定值計算G與P如下G=[Epm/(Ew2-Ew1)]*[Ew3/Es3]；(式11)P可計算為 其中G為反饋環路的電子增益。P為反饋環路的設定點。Ewo為所要求的工作面光強度。Epm為來自照明控制器的原來大小的輸出值。Es1為窗簾關閉及光線最小時的環境光傳感器讀數。Ew1為窗簾關閉及光線最小時的工作場所傳感器讀數。Es2為窗簾關閉及光線最大時的環境光傳感器讀數。Ew2為窗簾關閉及光線最大時的工作面傳感器讀數。Es3為窗簾打開及關掉光線時的環境光傳感器讀數而Ew3則為窗簾打開及關掉光線時的工作面傳感器讀數。
遵照這里描述的方法，便能計算G與P及設定變暗器電子器件12，以便在工作面7上保持恒定的光強度。
權利要求
1.一種校準具有電照明裝置、光傳感器及電子控制器的可變暗的照明系統的方法，包括下述步驟將工作空間中的電照明裝置的輸出強度調節到最小值及將工作空間中的室外光強度調節到最小值；感測與記錄環境光傳感器上的第一照明強度及在所關心的照明點上的第一照明強度；將電照明裝置的輸出強度調節到最大值；感測與記錄所述環境光傳感器上的第二照明強度及所述關心的照明點上的第二照明強度；將所述室外光強度調節為最大值及將所述電照明裝置輸出強度調節成最小值；感測及記錄環境光傳感器上的第三照明強度及所關心的照明點上的第三照明強度；將所述電照明裝置的所述輸出強度調節成最大值同時將所述室外光強度保持在最大值上；感測及記錄環境光傳感器上的第四照明強度及所關心的照明點上的第四照明強度；從這八個感測到的照明強度及在關心的照明點上的預定的照明強度計算用于為所述可變暗的照明系統的增益值及設定點值；將增益值及設定點值傳遞給可變暗照明系統的電子控制器，所述電子控制器用來控制對電照明裝置的電輸入。
2.按照權利要求1的方法，其中至少步驟之一是由連接在光度計及電子控制器上的電子編程器執行的，所述光度計位于關心的照明點上來感測照明強度。
3.按照權利要求2的方法，還包括下述附加步驟將電子編程器連接在電子控制器上；從電子控制器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器電連接到電子編程器上；從電子編程器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器重新電連接到電子控制器上；以及從電子控制器上斷開電子編程器。
4.按照權利要求1的方法，還包括下述步驟將電子控制器連接在環境光傳感器上；用電子控制器控制電照明裝置的光輸出；將室外照明強度調節到最大值；感測與記錄所關心的照明點上的第一照明強度；比較所關心的照明點的第一照明強度與預定照明強度；將室外照明強度調節到最小值；感測及記錄所關心的照明點上的第二照明強度；比較關心的照明點的第二照明強度與預定的照明強度；根據第一照明強度與預定的照明強度之間及第二照明強度與預定的照明強度之間的差確定適當的調節。
5.按照權利要求4的方法，其中至少步驟之一是由連接在光度計及電子控制器上的電子編程器執行的，所述光度計位于所關心的照明點上來感測照明強度。
6.按照權利要求5的方法，還包括下述附加步驟將電子編程器連接在電子控制器上；從電子控制器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器電連接在電子編程器上；從電子編程器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器重新電連接在電子控制器上；以及從電子控制器上斷開電子編程器。
7.一種校準可變暗的照明系統的方法，包括下述步驟；將工作空間中的電照明裝置的輸出強度調節到最小值并將工作空間中的室外光強度調節到最小值；感測及記錄環境光傳感器上的第一照明強度Es1及所關心的照明點上的第一照明強度Ew1；將電照明裝置的輸出強度調節到最大值Epm；感測及記錄環境光傳感器上的第二照明強度Es2及關心的照明點上的第二照明強度Ew2；將室外光強度調節到最大值及將電照明裝置的輸出強度調節到最小值；感測及記錄環境光傳感器上的第三照明強度Es3及所關心的照明點上的第三照明強度Ew3；將電照明裝置的輸出強度調節到最大值同時將室外光強度保持在最大值上；感測及記錄環境光傳感器上的第四照明強度Es4及關心的照明點上的第四照明強度Ew4；從8個感測到的照明強度與所關心的照明點上的預定的照明強度Ewo中計算用于該可變暗的照明系統的增益值及設定點值；從而從下式中確定增益值G=[Epm/(Ew2-Ew1)]*[Ew3/Es3]；而設定點值則是從下式中確定的P={Ewo*[1+(Es1/Ew1*(Ew3/Es3)]-Ew1}/(Ew3/Es3)；將增益值及設定點值傳遞給可變暗的照明系統的電子控制器，所述電子控制器用來控制對電照明裝置的電輸入。
8.按照權利要求7的方法，其中至少步驟之一是由連接在光度計及電子控制器上的電子編程器執行的，所述光度計位于所關心的照明點上來感測照明強度。
9.按照權利要求8的方法，包括下述附加步驟從電子控制器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器電連接到電子編程器上；從電子編程器上電斷開環境光傳感器；將環境光傳感器重新電連接在電子控制器上；以及從電子控制器上斷開電子編程器。
全文摘要
本發明提供了克服與先有技術系統關聯的許多缺點的半自動校準自動照明控制系統的方法。本方法利用與照明控制系統(12)通信的光度計(13)及編程器(15)。編程器(15)通過光度計(13)感測所關心的點上的照明強度(Ew)及通過控制照明燈(9)的功率控制器的通常為可變暗的鎮流器的照明控制系統(12)交互式調節照明強度。通過在室外照明(Eo)在最小與最大強度上及電照明(Ee)在最小與最大強度上讀取環境光強度(Ew),編程器(15)計算出在任何室外光強度上向關心的點提供足夠的光線所需的電子增益及設定點。然后編程器(15)從照明控制系統(12)上斷開并在最小與最大室外光強度(Eo)上讀取所關心的點上的光強度(Ew)。如果這些讀數并不與編程器(15)所計算的預測光強度符合,編程器(15)便向技術人員建議進一步調節。
文檔編號H05B37/02GK1214184SQ96180180
公開日1999年4月14日 申請日期1996年11月4日 優先權日1996年1月4日
發明者羅杰·R·羅思 申請人:霍尼韋爾公司