Статья: Моделирование САР освещенности динамической системы освещения на RGB-светодиодах

Моделирование САР освещенности динамической системы освещения на RGB-светодиодах

Газалов В.С., Шабаев Е.А., Романовец М.М.

Азово-Черноморский инженерный институт

Аннотация

Широкое распространение в производстве, сельском хозяйстве и быту получило светодиодное освещение. Простое управление потоком излучения светодиодов (СИД) открывает широкие возможности по созданию «умных» систем управления освещением, в которых особое внимание уделяется контролю параметров световой среды с целью повышения энергетической и биологической эффективности использования искусственных источников света. Перспективным направлением в этой области является создание динамических систем освещения с изменяемыми цветностью и уровнем оптического излучения в течение суток, которые позволяют оказывать существенное влияние на циркадные ритмы животных и человека. Отдельной задачей системы управления освещением в помещении является поддержание заданного уровня освещенности. Разработка системы автоматического регулирования (САР) освещенности требует определения типа закона управления и оптимальных настроек регулятора. Анализ и синтез рассматриваемой САР проведен с помощью современного метода исследования, основанного на компьютерном моделировании. Опытным путем на экспериментальной установке получены параметры передаточных функций отдельных элементов САР. Разработанная модель САР освещенности учитывает ограничения уровней сигналов реальных технических средств автоматизации и дискретизацию по времени цифровыми устройствами (программируемым реле ПР200, модулем аналогового вывода МУ110 и светодиодным диммером). Посредством компьютерного моделирования САР освещенности в среде программы SimInTech обоснованы параметры ПИ-регулятора (k_П=0,12 и T_И=0,08 с). Для подтверждения адекватности и точности передаточных функций отдельных элементов САР и системы в целом проведены исследования на экспериментальной установке. Опытные данные реального эксперимента и результатов моделирования имеют совпадение более 99%. Разработанная компьютерная модель САР освещенности в среде SimInTech позволяет проводить исследование системы для различных режимов работы с учетом влияния внешнего возмущения.

Ключевые слова: ОСВЕЩЕНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ, СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ, САР ОСВЕЩЕННОСТИ, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, SIMINTECH, ПИД-РЕГУЛЯТОР, ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСТРОЕК РЕГУЛЯТОРА, ИССЛЕДОВАНИЕ САР, КАЧЕСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Введение

В последние годы все большее распространение получают системы освещения на основе твердотельных источников света. Светодиодное освещение используется на производстве, в сельском хозяйстве и в быту. Простое управление потоком излучения светодиодов (СИД) открывает широкие возможности по созданию «умных» систем управления освещением. В таких системах особое внимание уделяется контролю параметров световой среды с целью повышения энергетической и биологической эффективности использования искусственных источников света.

Если освещенность в помещении создается естественным и искусственным источниками света, то в разное время суток может наблюдаться как избыток, так и недостаток света [1]. По данным исследований, от 30 до 50 % животных содержатся при недостаточной освещенности во все времена года [2]. Применение системы автоматического регулирования (САР) уровня освещенности позволяет устранить высокую неравномерность освещенности в помещении (особенно отмечается низкая освещенность в центральной и северных зонах) [1] и влияние снижения светового потока светильников в процессе их работы.

Последние исследования в области биологического влияния освещения (открытие рецепторов третьего рода и др.) позволяют по-новому взглянуть на систему освещения как на систему актиничного (биохимически активного) излучения [3, 4]. В связи с этим перспективным направлением является создание динамических систем освещения с изменяемыми цветностью и уровнем оптического излучения в течение суток [5, 6], которые позволяют оказывать существенное влияние на циркадные ритмы животных [7] и человека [8].

В качестве источника света, позволяющего в широких пределах изменять цветность оптического излучения, целесообразно использовать RGB_светодиод. Регулирование координат цветности излучения RGB_светодиода осуществляется за счет управления токами через отдельные светоизлучающие R, G и B-кристаллы. Часто системы управления светодиодами не обеспечивают рациональных режимов их работы, что приводит к ускоренной деградации светоизлучающих кристаллов и ухудшению качества освещения.

Для реализации динамической системы освещения, обеспечивающей рациональные циркадные ритмы животных, человека и создание оптимальных параметров световой среды, разработана система автоматическая управления (САУ) освещением, которая позволяет изменять уровень освещенности и цветность оптического излучения светильников с RGB_светодиодами. Точное поддержание заданного уровня освещенности в помещении обеспечивается системой автоматического регулирования освещенности.

Методика исследования

В экспериментальном образце разработанной системы освещения (рис. 1 и 2) для измерения уровня освещенности используется электронный датчик освещенности (ДО) типа ФС-03 с унифицированным выходным сигналом напряжения 0…10 В. Контроль освещенности несколькими датчиками ФС-03 может производиться в разных зонах помещения.

Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки

Управление световым потоком RGB-светодиода осуществляется ШИМ токов через R-, G-, B-кристаллы с помощью RGB-диммера на частоте 588 Гц. При таких частотах даже низкая инерционность датчика освещенности и малое время задержки цифровых элементов системы могут оказывать существенное влияние на устойчивость и качество работы системы автоматического регулирования.

Разработка САР освещенности требует определения типа закона управления и оптимальных настроек регулятора. Экспериментальным подбором значений параметров ПИД-регулятора затруднительно найти их оптимальные величины. При неверной настройке регулятора в системе наблюдались пульсации светового потока СИД, САР работала в колебательном режиме, и присутствовало значительное перерегулирование (рис. 3). Поэтому возникла задача детального исследования САР освещенности.

Анализ и синтез рассматриваемой САР освещенности целесообразно проводить с помощью современного метода исследования, основанного на компьютерном моделировании. Для моделирования технической системы необходимо иметь математические модели в форме передаточных функций, описывающих динамические свойства отдельных элементов САР. Проведен ряд опытов с целью нахождения передаточных функций САР.

По данным экспериментов выявлено, что диммер нелинейно, в соответствии с квадратным уравнением, преобразует входной сигнал напряжения 0…10 В в ШИМ сигнал на выходе и обладает нечувствительностью к диапазону входного напряжения 0…1 В. Цифровая часть системы - программируемое реле ПР200 совместно с модулем МУ110 и диммером обладает значительным разбросом времени запаздывания: от 16,11 до 66,14 мс. Передаточная функция датчика освещенности соответствует апериодическому звену второго порядка [9]. Измерение выходного сигнала датчика проведено платой АЦП типа LA-70M4 (рис. 2).

При разработке модели САР учтены особенности используемого программируемого реле ПР200 [10] и зрительного аппарата человека. В качестве закона управления принят ПИ-закон. Цветность оптического излучения светильников с RGB-светодиодами регулируется коэффициентами r, g, b, принимающими значения из диапазона 0…1. Передаточные функции основных элементов САР представлены в таблице 1. Структурная схема САР освещенности изображена на рис. 4.

автоматическое регулирование освещенность светодиодный

Рис. 3. Графики переходного процесса измеренной освещенности E_ИЗ=f(t), полученные в одном из опытов при ручном подборе значений параметров ПИД_регулятора

Таблица 1. Передаточные функции основных элементов САР

Рис. 4. Структурная схема САР освещенности

Заданный уровень освещенности E_З и коэффициенты r, g, b (определяющие цветность оптического излучения светильников с RGB_светодиодами) устанавливает оператор с помощью кнопок и экрана на лицевой панели программируемого реле ПР200. В общем случае освещенность (e) в помещении создается светильниками (e_С) и солнечным светом (e₀), формируя зрительное восприятие света (E_ЗР) у человека.

Общая освещенность e преобразуется датчиком в выходной сигнал 0…10 В напряжения U_ДО, который поступает на аналоговый вход программируемого реле. После нормирования сигнала ДО измеренное значение E_ДО уровня освещенности в цифровой форме сглаживается фильтром аналогового входа ПР200. Величина E_Ф после фильтра сравнивается с заданным значением E_З освещенности. Сигнал рассогласования ДE поступает на ПИ_регулятор. С учетом коэффициентов r, g, b регулятор формирует три управляющих сигнала, которые с небольшим запаздыванием модулем МУ110 преобразуются в регулирующие напряжения U_РR, U_РG, U_РB в виде аналоговых унифицированных сигналов 0…10 В. Диммер, в зависимости от значений U_РR, U_РG, U_РB, изменяет ширину импульсов напряжений U_R, U_G, U_B, поступающих на светодиодные светильники.

Компьютерное моделирование САР освещенности проведено с помощью программного обеспечения SimInTech [11]. Структурная схема исследуемой САР в среде SimInTech представлена на рис. 5. Блоки «ПР200 с МУ110», «Диммер» и «Светильники с RGB_СИД», ввиду их сложной структуры, представлены в виде макроблоков. Структурная схема макроблока «ПР200 с МУ110» представлена на рис. 6. Вывод графиков переходных процессов e=f(t), E_ЗР=f(t), E_ДО=f(t) и др. осуществлен с помощью блоков «Временной график».

Рис. 5. Структурная схема моделирования САР освещенности в среде SimInTech

В макроблоке «Светильники с RGB-СИД» производится суммирование световых потоков светоизлучающих кристаллов RGB-светодиодов светильников, создающих освещенность e_С на рабочей поверхности. За счет инерционности зрительного аппарата человека пульсирующий световой поток от RGB-светодиодов сглаживается и создает зрительное восприятие, эквивалентное уровню освещенности E_ЗР. Несмотря на низкую инерционность датчика освещенности ФС-03 [9] при ШИМ тока светодиода, на рабочей частоте диммера 0,6 кГц и выше происходит сглаживание сигнала контролируемой освещенности, и измерение пульсирующей величины e_С является невозможным.

Параметры передаточных функций определены в скрипте главного окна проекта, приведенном на рис. 7.

Рис. 6. Макроблок «ПР200 с МУ110»

Рис. 7. Скрипт главного окна проекта

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследования САР освещенности проведен анализ ее работы по задающему воздействию при отсутствии внешнего возмущения e₀ и фиксированной цветности оптического излучения RGB-светодиодов.

Путем моделирования системы выявлено, что при использовании П_регулятора имеет место большое время регулирования. Применение ПИ_регулятора позволило повысить быстродействие системы и обеспечить отсутствие статистической ошибки. Введение в закон регулирования дифференциальной составляющей увеличивало колебательность переходного процесса в САР.

Предварительное определение оптимальных настроек регулятора произведено с помощью метода CHR [12]. В результате последующих моделирований САР настройки регулятора были оптимизированы путем подбора их значений: k_П=0,12 и T_И=0,08 с. Полученный при этом график переходного процесса E_ДО=f(t) представлен на рис. 8.

При заданных настройках ПИ_регулятора обеспечиваются следующие показатели качества работы САР:

? статическая ошибка в пределах ДE_СТ?0;

? перерегулирование отсутствует;

? время регулирования t_Р=1,14 с.

Рис. 8. График переходного процесса E_ДО=f(t)

Компьютерное моделирование использует приближенные математические модели реальных объектов, и зачастую его результаты могут значительно отличаться от действительных. Поэтому по возможности следует проводить проверку модели на реальной установке.

Для целей сравнительного анализа были сняты опытные данные переходного процесса измеренной освещенности на экспериментальной установке с найденными настройками регулятора. График данного переходного процесса E_ИЗ=f(t) (изменение напряжения на выходе датчика освещенности, пересчитанное в люксы), совмещенный с графиком E_ДО=f(t), полученным при моделировании, представлены на рис. 9.