Севастопольский Национальный Технический университет

На правах рукописи

Гутник Константин Сергеевич

УДК 517.977.5

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

И АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ИСКУССТВЕННЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

05.13.03 – Системы и процессы управления

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Пряшников Ф. Д.

Севастополь - 2002

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений ………………………………………………….………… 4

Введение …………………………………………………………………………… 5

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ САУО ПП...........................12

1.1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ОСВЕЩЕНИЕМ............................................................................................................12

1.2. ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ.......................................................................................37

1.3. ЗАДАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ...............................................................................40

1.4. ВОЗМУЩАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.......................................................................41

1. 5. УПРАВЛЯЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.......................................................................43

1.6. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ..................................................................................46

1.7. ВЫВОДЫ............................................................................................................47

РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ САУО...........49

2.1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ....................................49

2.2. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ................................51

2.3. ВЫВОДЫ............................................................................................................77

РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПИСАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ САУО.............................81

3.1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА АРХИТЕКТУРЫ САУО. САУО НА ОСНОВЕ ПЭВМ

...................................................................................................................................81

3.2. САУО НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ...........................................................................................83

3.3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ..........................................93

3.4. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ....................................................................98

3.5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.........................................................................99

2

РАЗДЕЛ 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК САУО..................................................................................108

4.1. УСТОЙЧИВОСТЬ..............................................................................................108

4.2. КАЧЕСТВО УПРАВЛЕНИЯ................................................................................108

4.3. ГРУБОСТЬ........................................................................................................113

4.4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ....................................................................120

4.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ САУО С РАЗЛИЧНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

УПРАВЛЕНИЯ...........................................................................................................125

4.6. Выводы...........................................................................................................128

Заключение ….…………………………..…………………………….………….130

Литература …….………………………..………………………………..……….132

Приложения …….………………..………………………………………..…….. 140

3

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ПП Производственное помещение

РЗ Рабочая зона

СО Система освещения

САУ Система автоматического управления

ЕО Естественная освещенность

КЕО Коэффициент естественной освещенности

ИО Искусственная освещенность

ИИО Источник искусственного освещения

ТС Технические средства

ПЭВМ Персональная ЭВМ

4

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс неумолимо ведет к развитию и

совершенствованию средств производства, промышленных технологий и

отдельных технических средств. Такое развитие (с учетом роста объемов

мирового промышленного производства в целом) неуклонно приводит к

повышению энергозатрат промышленных механизмов, установок, систем и

технологических линий. Одной из наиболее важных задач современной

мировой и, в особенности, отечественной науки является разработка

энергетически оптимальных технологий, применяемых на производстве и в

быту, способных в этих условиях замедлить рост затратной части

энергетического бюджета страны.

Одним из наиболее ценных – а зачастую и дефицитных –

энергоресурсов является электрическая энергия.

Экономия электрической энергии имеет немаловажное значение в

общем балансе потребления энергии во всем мире [1] и в нашей стране. Так

в Украине на нужды освещения расходуется около 13 % всей

вырабатываемой электроэнергии [2], т.е. около 13 млрд. кВт-ч. В масштабах

СНГ в абсолютном выражении энергия, ежегодно расходуемая на освещение,

составляет около 70 ТВт. Стоимость этой электроэнергии по европейским

ценам составляет 11 млрд. долларов.

В США на освещение расходуется около 17 % всей электроэнергии,

или 5 % всех топливно-энергетических ресурсов [3], что составляет 550

ТВтч общей стоимостью 217 миллиардов долларов. Примерно 20 % этой

энергии идет на нужды освещения в быту, 40 % - на освещение

коммерческих и общественных зданий и по 20 % - на освещение в

промышленности и на освещение улиц и других групп потребителей.

По данным экономического отдела фирмы Philips [4], потребление

электроэнергии на освещение в середине семидесятых годов в процентах от

5

суммарного расхода энергии всех видов на хозяйственные нужды составило:

в среднем по всем странам мира - 4,5 %, в США - 5 %, Великобритании - 4

%, Нидерландах - 3,5 %, Японии - 3,3 %, во Франции - 2 %. Установленная

мощность освещения в промышленности колеблется от 1 до 20 % мощности

установленного силового электрооборудования.

Потенциал экономии электроэнергии за счет потребления

осветительными установками весьма значителен. Исследования показывают

возможность сокращения потребления электроэнергии, расходуемой на

освещение, на величину до 50 % [5-8]. Один из примеров экономии [2]

показывает: замена на территории СНГ только 30 % ламп накаливания

люминесцентными лампами принесет ежегодную экономию, равную 50

ТВт/час (энергия, равная производительности десяти таких АЭС, как

Чернобыльская). Установка систем управления освещением позволяет

достичь экономии 60-70 % [9-11]. Установка электронных цепей управления

ЛЛ вместо традиционных стартеров - 25 %. Эффект от установки простых

цепей управления «Фотодатчик - Регулятор - Светильник» составляет 20-

60% в зависимости от КЕО [3].

Известно сильное влияние уровня освещенности на состояние

зрительного аппарата человека. Некомфортный уровень освещенности

приводит к повышенной усталости глаз, что может привести к ухудшению

зрения работающего. Традиционным управлением осветительными

установками невозможно достичь точного и максимально комфортного

уровня освещенности на каждом рабочем месте, учесть различные факторы,

влияющие на необходимый уровень освещенности: возраст работающего,

усталость его зрительной системы и др. Автоматическое управление наряду

с экономическим эффектом позволяет обеспечить выполнение и

перечисленных требований медицины, охраны труда и эргономики, что

является второй важнейшей причиной необходимости работы над

устройствами оптимального управления освещением. Достаточно развитая

система автоматического управления позволяет выполнить тонкую

6

настройку норм освещенности, изменяющихся в течение рабочего дня,

недели и других периодов.

Как показывают факты [12], автоматическое управление освещением

производственного помещения позволяет значительно сократить мощность

электрической энергии, потребляемой осветительными установками,

обеспечивая в то же время комфортный уровень освещенности для

работающего персонала.

Объектом исследования в данной работе является освещенность

производственного помещения. Цель исследования – сокращение

энергозатрат системы освещения путем автоматического управления в

зависимости от уровня естественной освещенности. Для достижения цели

исследования решаются следующие задачи:

построение математической модели производственного помещения как

объекта автоматического управления;

разработка ряда алгоритмов управления освещением; сравнительный

анализ алгоритмов;

практическая реализация экспериментального образца системы

автоматического управления освещением (САУО), выполняющего

автоматическое управление освещением производственного помещения;

исследование качественных показателей САУО и способов их улучшения.

Для решения поставленных задач использовались теоретические

основы построения систем автоматического управления с учетом

особенностей, присущих автоматическому управлению освещением.

Экспериментальные исследования проводились с применением

действующего образца системы, а также компьютерной модели объекта

управления.

К научной новизне работы относится следующее:

впервые формализована математическая модель системы автоматического

управления освещением (САУО);

обоснован выбор функциональной схемы САУО;

7

построены четыре алгоритма автоматического управления освещением,

обоснованы предпочтительные сферы применения каждого алгоритма

управления;

обоснован выбор математического аппарата, выполняющего необходимое

загрубление реакции системы на возмущающее воздействие.

Практическая ценность исследований состоит в построении

экспериментального образца САУО, выполняющего функцию управления

освещением помещения любого размера и сложности, а также – в получении

статистических результатов моделирования работы системы управления для

различных помещений. При этом:

разработана структурная схема системы, обоснованы основные

технические решения, положенные в ее основу;

разработана принципиальная схема блока управления, составляющего

основу системы;

алгоритмы управления реализованы в виде программ для ПЭВМ,

подготавливающей данные для блока управления САУО;

разработана программа для микроконтроллера блока управления;

проведено исследование характеристик САУО, предложены пути их

улучшения.

Все результаты получены непосредственно соискателем под

управлением научного руководителя. В работе учтены мнения и замечания

преподавателей Севастопольского ниционального технического

университета.

К защите представляются:

1. Результаты теоретических исследований:

- математическая модель системы управления освещением;

- обоснование выбора структуры системы;

- алгоритмы управления овещением, обоснование сфер применения

алгоритмов управления;

8

- исследование применения методов загрубления реакции САУО на

возмущающее воздействие.

2. Результаты экспериментальных исследований и разработок:

- опытный образец САУО, работающей на основе микропроцессорного

блока управления собственной разработки и оригинального

программного обеспечения, и выполняющей автоматическое

управление системой искуственного освещения помещения;

- программное обеспечение ПЭВМ, предназначенное для подготовки

данных для САУО и мониторинга процесса управления;

- результаты моделирования работы САУО в ряде помещений с учетом

характеристик опытного образца САУО.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов,

заключения и приложений. Она содержит 128 страниц текстового материала,

41 рисунок, 7 таблиц, список литературы из 95 наименований и приложение

на 26 страницах.

В первом разделе приводится обзор современного состояния

исследований и разработок в области устройств автоматического управления

освещением. Классифицированы задачи, составляющие на сегодняшний день

проблему автоматического управления освещением помещения, перечислены

способы ручного управления и недостатки последнего перед

автоматическими системами. Приводится статистика, характеризующая

развитие светотехнической отрасли в странах СНГ, а также анализируется

опыт США в области автоматического управления освещением как пример

положительного влияния законодательных норм на состояние разработок

технологий энергосбережения и их внедрение. Далее в первом разделе

исследуется состояние разработок автоматических устройств управления

освещением: детекторов присутствия, светильников с фотодатчиками,

таймеров – а также современное состояние наиболее передовых разработок в

области систем автоматического управления освещением. Приведены

описаные в научных и корпоративных изданиях системы управления,

9

проанализированы существующие проблемы и препятствия на пути

распространения САУО. В заключение обзорной части первого раздела

сформулированы основные требования к САУО, а также – ряд возможных

дополнительных свойств САУО, положительно влияющих на

потребительские свойства последних.

В постановочной части раздела сформулировано математическое

описание объекта управления, а также приводится математическая

формулировка задающего, возмущающего и управляющего воздействий. В

заключение приводится формулировка цели управления.

Второй раздел посвящен исследованию структуры, математической

модели САУО и алгоритмов управления. В первой части раздела

обосновывается выбор функциональной схемы САУО, анализируется,

уточняется и иллюстрируется постановка задачи управления. Кроме этого,

приводится алгоритм процесса управления освещением в целом. Во второй

части раздела рассматриваются разработанные алгоритмы управления:

алгоритм частичного перебора, зон равной освещенности, равномерного

освещения, поиска наиболее выгодных источников. В качестве выводов к

разделу рассмотрены преимущества и недостатки алгоритмов, сферы

наиболее целессобразного применения каждого.

Третий раздел посвящен описанию технических и программных

средств САУО, разработанных в ходе исследования. Приводится структурная

схема САУО в целом и блока управления (БУ), описываются принципы

работы БУ. Предлагается архитектура системы, построенной на основе

ПЭВМ. Приводится принципиальная схема и конструкция БУ САУО. В

части о программных средствах описывается архитектура программного

обеспечения, диаграмма "Сущность-связь" базы данных (БД), а также

приводятся основные сведения о программе подготовки данных. Изложены

также алгоритмы работы программы микроконтроллера БУ.

В четвертом разделе изложены результаты работы по исследованию

системы управления освещением. После обоснования факта устойчивой

10

работы САУО, детально разбираются показатели качества работы системы:

время реакции на возмущение, ошибка управления. Отдельно рассмотрены

методы загрубления реакции системы. Приводится анализ экономической

эффективности применения САУО.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Судовых и

промышленных автоматических систем Севастопольского национального

технического университета.

По результатам исследований опубликовано шесть печатных работ.

Основные положения и результаты исследований докладывались автором и

получили одобрение на научных семинарах кафедры СПАС (1998 - 2001 гг.),

конференции "Энергетика - 2000" (Севастополь, 1999 г.). Система испытана

в Севастопольском национальном техническом университете, о чем имеется

соответствующий акт внедрения. Имеется положительный отзыв о

результатах работы со стороны Отдела охраны труда Севастопольской

городской администрации.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук,

профессору Пряшникову Федору Дмитриевичу за методическую помощь и

научное руководство при выполнении диссертации, а также сотрудникам

кафедры Судовых и промышленных автоматических систем за поддержку,

ценные замечания и советы, которые автор учел в процессе работы над

диссертацией.

РАЗДЕЛ 1

Анализ состояния вопроса и постановка задачи разработки и

исследования САУО ПП

1.1. Состояние исследований в области автоматического управления

освещением

1.1.1. Известные задачи в проблеме автоматического управления

освещением. Состояние разработок систем автоматического управления

11

осветительными системами целесообразно начать с рассмотрения ряда задач,

решаемых САУО в соответствии с современными исследованиями. Круг этих

задач определяется классификацией производственных помещений с точки

зрения управления освещением; согласно [9] производственные помещения

подразделяются на виды, представленные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация производственных помещений

№ Вид помещения Примеры

1 Выделенные помещения Кабинеты, рассчитанные на одного

работающего

2 Разделяемые помещения Комнаты (залы), рассчитанные на многих

работающих

3 Временно посещаемые

помещения

Залы для собраний, комнаты для

обсуждений

4 Редко посещаемые

помещения

Хранилища, туалеты

5 Управляемые помещения Холлы, залы ресторанов, библиотек и

прочие помещения для посетителей

6 Другие пространства Проходы, коридоры

Одной из основных задач управления освещением [4,16,19] является

регулирование уровня искусственной освещенности в зависимости от уровня

естественной. Высокий приоритет этой задачи управления определяется

значительным потенциалом экономии энергии за счет рационального

использования естественного света. В случае правильного решения САУО

задачи использования естественного света при наличии такового,

проникающего в помещение через окна или потолочные световые фонари,

светильники системы искусственного освещения выключаются или работают

с ограничением потребляемой мощности. В структуру САУО, решающей

задачу использования естественного света, в этом случае обязательно входят

12

светочувствительный элемент (датчик) и устройство обработки

(преобразования) сигнала датчика, подключаемое к светильникам системы

освещения.

Управление в зависимости от уровня естественной освещенности

позволяет достичь экономии 10 – 45 % [3, 9], зависящей в основном от

среднего КЕО рабочих мест помещения, т.е. от возможной степени

использования естественного света.

Наиболее проработанной задачей является задача управления в

зависимости от присутствия работающих [18-24]. Задача решается при

помощи широко распространенных устройств - детекторов присутствия.

Системами на их основе оборудуются временно занимаемые помещения

(помещения видов 1, 3, 4 по табл. 1.1). Детектор присутствия позволяет с

большой степенью достоверности определить факт присутствия в

помещении людей и только в этом случае поддерживать систему освещения

в состоянии «включено». Большой опыт применения этих устройств

показывает: экономия, которую они позволяют достичь, составляет от 25 до

75 %.

Значительная экономия достигается при решении задачи поддержания

яркости свечения ламп в течение срока их эксплуатации [25, 26].

Люминесцентные лампы обладают эффектом снижения яркости с

увеличением срока службы; кроме этого, все типы ламп в ходе эксплуатации

постепенно теряют яркость из-за загрязнения. При этом большинство систем

освещения проектируется в расчете на «наихудший случай», т.е. с учетом

того, что все лампы системы освещения достигли своей минимальной

яркости. В случае, когда в такой системе устанавливаются новые лампы,

достигается освещенность, на 25-30 % превышающая расчетную. Стратегия

управления, учитывающая старение ламп, ограничивает мощность

светильников с новыми лампами; ограничение постепенно уменьшается с

увеличением времени службы ламп, достигая нуля, когда последнее

становится равным расчетному сроку службы. Освещенность, таким

13

образом, остается постоянной в течение всего цикла эксплуатации.

Экономия электроэнергии от поддержания яркости в среднем составляет 12-

20 %.

В тех странах, где действует система тарифов на электроэнергию,

изменяющихся в течение суток, большое значение имеет ограничение

пикового потребления [25]. Пиковое потребление некоторого периода

времени определяется как средняя потребляемая мощность за 15 минут

самого активного потребления в этот период. Стоимость энергии,

потребленной во время пиков, составляет значительную часть общей

стоимости энергии. При этом считают возможным ограничить в течение

пиков искусственную освещенность на величину около 10%. Ограниченная

таким образом освещенность не выходит за нижнюю допустимую границу.

Учитывая, что потребление электроэнергии на освещение в

производственных зданиях достигает величины 40-50 %, сокращение затрат

из-за высокой стоимости электроэнергии в это время суток может оказаться

существенным.

Для помещений, в которых люди присутствуют в темное время суток

(или работающих круглосуточно) большие резервы экономии заключаются в

управлении с учетом адаптации зрения [25]. В светлое время суток

искусственное освещение не ограничивается; в темное время, когда

зрительная система посетителей (сотрудников) адаптирована к темноте,

возможно произвести значительное, на величину около 80 %, ограничение

мощности, подводимой к светильникам. Таким образом, в течение 10-12

часов в течение суток потребляемая системой освещения мощность

сокращается почти вдвое.

В числе дополнительных факторов, влияющих на целевой уровень

освещенности, известны такие, как возраст и степень усталости

работающего. Молодым сотрудникам для одной и той же работы достаточно

более низкого уровня освещенности, чем пожилым, хотя отечественные

нормы и не предусматривают такого различия. Система, управления, в

14

которой доступны настройки для каждого рабочего места, позволит

получить при учете этого фактора некоторую дополнительную экономию

[27].

Простейшим способом управления освещением является ручное

управление. Цели, которым служат современные органы ручного

управления, следующие:

включение и отключение освещения;

плавное регулирование яркости светильников;

программирование уровней яркости одного или нескольких светильников

(групп светильников) с возможностью последующего быстрого выбора

одной из программ.

Органы ручного управления исполняются в одном из двух вариантов:

проводном и дистанционном. Первые требуют наличия электрической связи

с управляемыми объектами; простейшим примером является традиционный

включатель освещения. Вторые для связи с управляемыми объектами

используют пульты управления, работающие в инфракрасном или

радиочастотном диапазоне. Преимущество устройств ДУ перед проводными

заключается в том, что для их подключения не требуется выполнять

дорогостоящие работы по прокладке кабельной сети. Недостатки таковы:

необходимость батарейного питания, сложности с пользованием пультом ДУ

в условиях производства.

Подробно об устройствах ручного управления можно прочитать,

например, в [2, 18, 19].

Противники автоматического управления освещением называют в

качестве главной причины неприятия систем автоматического управления

следующую [19]: никакая из существующих САУО не может быть настроена

в точности таким образом, как требуется работающему. Представляется,

однако, что системы автоматического управления, будучи действительно не

в состоянии (пока) учесть сиюминутное настроение работающего, тем не

15

менее, обладают перед ручным управлением следующим рядом достоинств,

что делает их более перспективными.

1. Бóльшая точность управления. Система автоматического управления

позволяет точно учесть множество факторов, влияющих на необходимый

уровень освещенности: уровень естественной освещенности, род

выполняемой работы, возраст работающего, возрастание усталости глаз с

течением рабочего дня, стоимость электроэнергии в данное время суток,

понижение яркости ламп при увеличении срока службы вследствие износа

и др.

2. Меньшая стоимость управления. Если сравнивать САУО с ручными

регуляторами, то последние, естественно, требуют меньших капитальных

вложений (хотя стоимость микропроцессорной и другой цифровой

аппаратуры, обладающей достаточной производительностью для работы в

САУО, постоянно сокращается). В ходе эксплуатации, однако, ручной

регулятор требует постоянного вмешательства работающего, а значит,

отвлечения его от основного рабочего процесса. Суммарное количество

теряемых таким образом человеко-часов оказывается гораздо большим,

чем требуется оператору для настройки САУО. Представляется, что при

современном уровне проработки управляющего программного

обеспечения и его пользовательского интерфейса приведенное

утверждение справедливо для любого количества работающих, чьи

рабочие места контролируются САУО (даже для одного).

1.1.2. Развитие отечественной и зарубежной светотехники. Страны СНГ

имеют достаточно развитую, даже по меркам передовых стран,

промышленность, выпускающую осветительное оборудование, и

значительные научные достижения в отдельных областях светотехники. Так,

по данным на 1993 год [2] в СНГ ежегодно выпускалось 2,5 млрд. ламп (600

видов ламп накаливания, 85 видов люминесцентных ламп), 85 млн.

светильников, 48 млн. пускорегулирующих устройств. Не считая

16

предприятий, выпускавших бытовую продукцию, лампы выпускались на 20

заводах, светильники - на 35, пускорегулирующие устройства - на 6.

В то же время доля выпускавшихся высокоэффективных источников

освещения явно недостаточна: ежегодно производится лишь около 150 млн.

люминесцентных ламп. Около 75 % всех светильников, используемых в

странах СНГ, оборудованы лампами накаливания. По этой причине средняя

эффективность освещения составляет менее 30 лм/Вт, в то время как,

например, в Великобритании или Японии достигнута эффективность около

40 лм/Вт.

С 1 января 1980 г. на территории нынешней Украины и России

действуют нормы естественного и искусственного освещения СНиП II-4-79

[28], устанавливающие уровни освещенности и КЕО на рабочих местах при

выполнении работ различных видов. Нормы, устанавливаемые [28], ниже

соответствующих западных, но даже при этом в настоящее время они

повсеместно нарушаются. Так исследования в школах 30 городов СНГ

показали [2], что в 70 % случаев освещенность в классах ниже

нормированной. Подсчитано, что около 175000 работающих работают в

условиях недостаточной освещенности; на их рабочих местах требуется

установка, замена или очистка светильников или отдельных ламп.

Разработки систем автоматического управления освещением в странах

СНГ ведутся с заметно меньшей интенсивностью, чем в развитых странах; в

основном интерес к такого рода системам испытывают инженеры, желающие

повысить экономичность производства и изучающие с этой целью

предлагаемые иностранные устройства.

Недостаточная интенсивность научных исследований в области

автоматизации систем освещения в большой степени объясняется двумя

изложенными выше тенденциями (недостатком высокоэффективных

источников освещения и большой долей случаев, когда освещенность в

производственных помещениях ниже нормы). Действительно, наиболее

простым способом понижения энергозатрат в системах освещения в

17

настоящее время является замена ламп накаливания на люминесцентные.

Недостижение норм освещенности в производственных помещениях снижает

потенциал экономии, так как при эксплуатации системы управления в

помещении автоматически поддерживается нормальная освещенность; таким

образом, если сравнивать с ситуацией недостаточной освещенности,

реальная экономия может быть сведена к нулю, или даже стать

отрицательной.

Первое обстоятельство не является причиной для отсутствия

необходимости разработки САУО вследствие следующего: во-первых,

системы управления являются мощным инструментом экономии

электроэнергии, использование которого не исключает применения других

средств и мероприятий, в том числе - и переоборудование систем освещения

для использования люминесцентных ламп; во-вторых, развитие иностранных

энергосберегающих технологий показывает безусловную целесообразность

применения САУО, поэтому научные разработки в этом направлении

никогда не окажутся бесполезными при любом состоянии других факторов,

влияющих на энергосбережение.

Абсолютно недопустимо оставлять ситуацию в том состоянии, когда

на значительной части рабочих мест отсутствует должная освещенность и

значительная часть светильников неисправна, так как такое положение

приводит к росту заболеваний зрительного тракта и снижению зрения. При

выполнении должного ремонта светильников помещения система

автоматического управления начинает приносить ощутимую экономию

средств, следовательно, второе обстоятельство также не является причиной

игнорирования разработок и использования САУО.

Показателен опыт развития энергосбережения за счет экономичности

осветительных установок, накопленный в США [25]. Вплоть до конца

семидесятых годов нормативными документами не требовалось оборудовать

нежилые здания доступными основному персоналу выключателями

освещения. Вследствие этого проводка осветительной сети проектировалась

18

так, что зачастую на одной переключаемой линии находились светильники

нескольких помещений. Вспомогательный персонал, как правило, включал

освещение рано утром перед началом работчего дня и выключал поздно

вечером. Основной персонал не имел доступа к выключателям освещения

даже в своих кабинетах. Перерасход электроэнергии относительно полезно

расходуемого ее количества составлял 100 % и более, многие помещения

были освещены слишком сильно.

В конце семидесятых годов в американских штатах стали вводиться

стандарты, регламентирующие наличие индивидуальных выключателей

осветительных приборов каждого рабочего места. Только это нововведение

сократило количество расходуемой электроэнергии вдвое. Кроме того, часть

упомянутых стандартов требовала установки выключателей, которые бы

обеспечивали включение светильников на половину мощности. Такая мера

принесла дополнительно 10-15-процентное сокращение потребления.

В 1989 году в США был введен стандарт, требующий, чтобы все

системы освещения, за исключением аварийного и указательного,

поставлялись с устройствами управления. Стандарт устанавливает

минимальный набор и количество таких устройств. В результате при

применении нового стандарта зарегистрировано следующие показатели

экономичности:

для старых зданий, не оборудовавшихся ранее выключателями освещения,

экономия составила около 50 %

для зданий, построенных в 1978-87 гг., оборудованных выключателями

освещения, но не оборудованных устройствами управления, экономия

составила около 25 %

существует дальнейшая возможность совершенствования

энергосбережения в зданиях, уже оборудованных некоторыми

устройствами управления в соответствии с новыми стандартами.

Опыт энергосбережения за счет установки устройств и систем

управления освещением в различных странах приводится в [6, 7, 29-33, 38-

19

40, 95]. Современный инструментарий, используемый в исследованиях и

прикладных задачах, связанных с управлением освещением описан в [31, 35,

36, 41].

1.1.3. Состояние разработок автоматических устройств управления

освещением. Устройства управления освещением являются приборами,

определенная комбинация которых является достаточной для реализации

отдельных задач управления освещением. Кроме этого, рассматриваемые

ниже устройства являются структурными звеньями сложных систем

управления, которым посвящены следующие разделы.

В настоящее время развивается разработка автоматических устройств

управления освещением следующих видов: детекторы присутствия,

светильники с фотодатчиками, таймеры.

Детектор присутствия является важным элементом современных

систем автоматического управления освещением, предоставляя дешевый

способ достижения значительной экономии. Вне зависимости от

применяемой технологии, детектор присутствия выполняет три основные

функции: включать освещение, когда в помещение входят люди; в течение

их присутствия поддерживать систему освещения в работающем состоянии;

выключать освещение, когда помещение покидается.

Принцип действия наиболее распространенных пассивных

инфракрасных (ИК) детекторов присутствия основан на приеме излучаемой

человеческим телом электромагнитной энергии в ИК (тепловом) диапазоне

[23]. Для приема ИК-излучения, проходящего через систему линз,

применяются пироэлектрические датчики, настроенные на длину волны 9,4

мкм (Волны этого диапазоны излучаются человеческим телом наиболее

интенсивно). Вследствие принципа действия, обязательным условием работы

ИК-детекторов является наличие прямой видимости объекта детектирования.

Таким образом, применение ИК-детекторов ограничивается теми случаями,

когда возможен такой выбор места установки детектора, когда все

20

управляемое пространство находится в прямой видимости от места

установки.

Ультразвуковые детекторы присутствия работают на основе анализа

изменения частоты отраженного сигнала [23]. Для этого такие детекторы

оснащаются передатчиком и приемником сигналов ультразвуковой частоты

(от 25 до 40 кГц). Движение в помещении вызывает изменения в частоте

принимаемого детектором сигнала. Ультразвуковые детекторы не требуют

прямой видимости всех участов помещения из места установки и, как

правило, обладают большей чувствительностью. Однако, ультразвуковые

детекторы могут применяться только внутри помещений.

Некоторыми производителями предлагаются гибридные детекторы,

объединяющие в себе обе технологии обнаружения. Такие детекторы

включают освещение, если обе части (и инфракрасная, и ультразвуковая)

обнаруживают присутствие, поддерживают освещение во включенном

состоянии, если хотя бы одна часть обнаруживает присутствие, выключают -

если ни одна из технологий не обнаруживает присутствия.

Выделяют пять основных характеристик детекторов присутствия [42]:

чувствительность, угол покрытия, размер покрываемого пространства,

форма покрываемого пространства, временнáя задержка отклика.

Детекторы присутствия эффективны в помещениях, где присутствие

людей непредсказуемо или плохо предсказуемо. Детекторы присутствия

нецелесообразно приеменять там, где имеет место постоянное или почти

постоянное присутствие людей, т.к. в этих случаях польза от детекторов

присутствия минимальна и срок окупаемости становится слишком большим.

Разрабатываемая САУО предназначена прежде всего для производственного

помещения, в котором в течение смены присутствие людей постоянно (либо

их отсутствие может быть запрограммировано на определенные отрезки

времени), вследствие этого детекторы присутствия в данном исследовании

не используются.

21

Наибольшей популярностью в мире пользуются светильники со

встроенными фотодатчиками, потсроенные по схеме, структура которой

изображена на рис. 1.1 (примером может являться ELS [43]). Популярность

таких систем определяется тем, что, например, в малом бизнесе офисное

помещение вследствие различных причин не используется 70 % рабочего

времени.

Система «датчик-светильник» обеспечивает управление одним

светильником, регулируя яркость свечения в зависимости от освещенности,

наблюдаемой вблизи светильника [43, 44, 46-50]. Более простые варианты

автоматических светильников оснащены лишь автоматом включения при

снижении освещенности до определенного уровня и выключения - при

повышении. Чувствительность фотодатчика подстраивается в широких

пределах, обеспечивая возможность поддержания различных уровней

освещенности. Система «датчик - светильник» компенсирует влияние таких

возмущающих воздействий, как естественная освещенность и снижение

яркости светильников с течением времени эксплуатации; используется как в

системах внутреннего, так и наружнего освещения. Главным достоинством

подобной системы является ее компактность и самодостаточность: она не

требует прокладки дополнительной проводки и применения каких-либо

внешних дополнительных устройств. Этим объясняется широкий спектр

предолжений подобных устройств на мировом рынке.

Рис. 1.1. Система «Датчик – светильник».

Основной недостаток системы «датчик - светильник» имеет причиной

тот же факт, что и ее главное достоинство - простоту системы. Подобная

схема удовлетворительно функционирует только в простейших условиях:

22

одно рабочее место, один источник освещения. При наличии нескольких

источников освещения их работа начинает влиять друг на друга и

корректного управления освещением не происходит.

Следующей важной категорией устройств автоматизации освещения

являются программируемые выключатели. Получили распространение

следующие виды таких устройств [21].

1. Выключатели с реле времени. Включение светильника (группы

светильников) осуществляется вручную вошедшим в помещение лицом,

выключение производится автоматически через заданный промежуток

времени, если пользователь не произвел перезапуск реле времени.

Выключатели с реле времени используются в тех же помещениях, где

целесообразно применять детекторы присутствия и являются, по существу,

менее дорогой их заменой. Основной недостаток таких устройств очевиден:

наличие вероятности того, что освещение будет выключено до того, как

пользователь покинет освещаемое пространство.

2. Выключатели, программируемые расписанием. Включение и выключение

освещения производится в соответствии с заложенным в устройство

расписанием. Принцип действия выключателей может быть как

механическим, так и электронным. Устройства такого рода различают по

величине периода программирования: 24 часа, 7 суток, 1 год, 4 года.

Большинство микропроцессорных выключателей, программируемых

расписанием, имеют возможность поддержания отсчета времени в случае

перерывов в подаче электропитания. Микропроцессорные централизованные

программаторы целесообразно применять там, где экономически выгодно

управлять многими источниками освещения, которые необходимо включать

и выключать в различное время. Механические устройства, как правило,

позволяют запрограмировать период времени, не превышающий суток.

Выключатели, программируемые расписанием, эффективны там, где

присутствие людей хорошо предсказуемо и отключение освещения

допустимо без опасности травмирования, нарушения безопасности, сбоя

23

производственного процесса. Эти устройства также проигрывают в

экономическом эффекте детекторам присутствия и фотодатчикам, поэтому

все более ими вытесняются.

Важной составляющей высокой эффективности современных

устройств управления освещением являются электронные

пускорегулирующие устройства. Яркость ламп накаливания регулируется

путем изменения действующего значения подводимого напряжения

сравнительно простыми фазоимульсными регуляторами мощности. В

отличие от яркости ламп накаливания, яркость люминисцентных ламп

регулируется изменением тока дуги при постоянстве напряжения,

разогревающего электроды. Только таким способом управления можно

добиться сохранения срока службы ламп. Вследствие этого, единственным

типом ламп, яркость которых можно регулировать в широких пределах,

являются лампы, работающие в режиме быстрого старта. Требование

постоянства разогревающего напряжения приводит к снижению

эффективности пускорегулирующих устройств для люминисцентных ламп

при работе на пониженных уровнях.

Высокочастотные электронные пускорегулирующие устройства имеют

ряд преимуществ перед традиционными электромагнитными [45, 51]:

помимо повышения эффективности осветительной системы по сравнению с

электромагнитными на 25 %, они не производят шума и мерцания, обычно

утомляющих пользователей традиционных пускорегулирующих устройств:

рабочая частота таких электронных устройств обычно составляет 20, 50 или

100 кГц. Электронные пускорегулирующие устройства по сравнению с

электромагнитными имеют меньшие размеры и менее интенсивно излучают

электромагнитную энергию. Кроме этого, электромагнитные ПРУ содержат

дорогостоящие элементы в цепях восоковольтной коммутации, поэтому их

применение является экономически оправданным только при управлении

большим количеством светильников. Вследствие этого электромагнитные

24

ПРУ не обладают должной гибкостью, требуемой при построении систем

управления освещением.

При применении электронных ПРУ регулирование яркости

производится самим ПРУ [52]. При этом выходная мощность ламп

изменяется низковольтным сигналом, подаваемым в выходные цепи.

Высоковольтные переключающие устройства для управления потребляемой

мощностью не требуются. Это позволяет управлять одним или несколькими

ПРУ независимо от разводки питающей сети переменного тока. При

использовании управляющей низковольтной сети электронные ПРУ можно

группировать в зоны произвольной формы и размера. Такая управляющая

сеть может быть развернута при переоборудовании здания или даже просто

при модернизации системы освещения. Прокладка низковольтной проводки

для управления сильно сокращает затраты на установку сети. Кроме того,

модификация размера и протяженности отдельных зон системы освещения

при изменении потребностей или других условий выполняется более просто

и дешево. При эксплуатации сети в режиме разделения времени та же

низковольтная проводка может использоваться для передачи сигналов

датчиков, детекторов присутствия и других управляющих сигналов.

Диапазон управления для различных типов ПРУ различен. Так,

большинство электронных ПРУ обеспечивают максимум подводимой

мощности, почти равный мощности при прямом включении, и минимум,

равный приблизительно 10…20 % номинальной мощности прямого

включения [18]. Некоторые ПРУ обеспечивают понижение яркости до

уровня в 1 % от номинальной. Электромагнитные ПРУ обладают

аналогичными характеристиками.

Выделяют следующие основные требования к системе освещения,

построенной с применением автоматических устройств [25]:

Усовершенствование системы освещения не должно быть сопряжено с

прокладкой дополнительной проводки и сложными установочными

25

процедурами, что часто является скрытыми статьями капитальных

расходов.

Желательно, чтобы стратегия управления учитывала такой фактор, как

качество электропитания.

Необходимое условие принятия пользователями устройств

автоматического управления - это возможность ручного управления,

имеющего приоритет над командами автоматики.

При проведении внедрения устройств автоматического управления

важным аспектом является должная настройка систем.

Следует отметить также, что энергосберегающий эффект от

оборудования системы освещения устройствами управления сильно зависит

от исходного состояния системы (степени ее современности, правильности

размещения источников освщения) и других факторов (среднего КЕО и т.п.).

В зависимости от состояния приведенных факторов при вндрении

несистемных устройств управления возможен экономический эффект 1045

%.

1.1.4. Состояние разработок систем автоматического управления

освещением. Автоматическое управление освещением может быть

осуществлено системой, содержащей замкнутый контур (обратную связь)

или незамкнутой системой [44]. В замкнутой системе применяются

фоточувствительные датчики, устанавливаемые около каждой зоны

нормирования. При этом система состоит из отдельных не связанных

контуров управления, каждый из которых состоит из светильника (или

группы светильников) управляемых отдельным фотодатчиком (см. рис. 1.1).

Примеры реализации систем управления путем использования ряда

светильников, управляемых фотодатчиками (см., например, [44]) показывает

следующее: при том, что в большинстве случаев экономия электрической

энергии и обеспечение норм освещенности имеют место, такая совокупность

раздельно управляемых светильников оказывается очень сложной в

настройке, калибровке и в некоторых режимах эксплуатации. Фотодатчик

26

каждого светильника нужно тщательно экранировать от соседних

светильников и с некоторых сторон - от естественного света. Требуется

совместная калибровка пар «датчик - регулятор». В целом можно прийти к

выводу о том, что светильники с фотодатчиками хорошо подходят только

для малых помещений, освещаемых только одним источником света такого

рода.

При любом способе реализации замкнутой системы пользователю

приходится решать проблему установки датчика. Датчик должен быть

расположен как можно ближе к рабочей поверхности и ориентирован по

направлению нормали к рабочей поверхности в сторону работающего.

Выполнение этих условий при установке датчика часто затруднительно.

Кроме того, расположение датчиков в соответствии с этими требованиями

имеет следующие недостатки:

фотодатчик, расположенный на рабочей поверхности, может мешать

работе пользователя;

датчики с большой вероятностью могут подвергаться воздействию со

стороны пользователей, искажающему их показания: перемещению с

места на место, загрязнению, повреждению;

количество фотодатчиков может быть достаточно велико, т.к. оно

пропорционально количеству управляемых рабочих зон;

при управлении освещением не на рабочих местах, а в помещениях

временного пребывания: коридорах, проходах и т.п. - нормируется

освещенность на уровне пола, следовательно, и фотодатчики должны

располагаться на полу или вблизи поверхности пола, что еще более

затрудняет поддержание продолжительной корректной их работы.

Вследствие указанных неудобств наиболее часто выбираемой

проектировщиками схемой системы управления является схема без обратной

связи. В таких системах фотодатчик, реагирующий на естественный свет,

может быть вынесен за пределы здания либо расположен внутри него, но

изолирован от приема искусственного света. Последний вариант имеет то

27

преимущество, что датчик почти изолирован от воздействия климатических

факторов, следовательно, может быть спроектирован без средств

компенсации этих факторов (в первую очередь, температуры).

Учет направления на солнце и текущий угол солнца над горизонтом

могут учитываться одним из двух способов [13].

1. В том случае, когда вынесенный за пределы здания фотодатчик

сориентирован вертикально вверх, местоположение солнца над

горизонтом может учитываться при помощи хранящихся в памяти системы

данных о движении солнца в различные дни года.

2. При установке нескольких фотодатчиков, по одному на каждое

направление проникновения естественного света в помещение, алгоритм

управления учитывает несколько показаний об уровне ЕО, следовательно,

дополнительных усилий по учету положения солнца не требуется.

Крупнейшим в мире научно-исследовательским центром по изучению

проблем освещения является Центр Исследования Освещения при

Политехническом институте г.Трой (США, штат Нью-Йорк). Среди

основных направлений исследований Центра одно из важных мест занимает

разработка систем автоматического управления искусственным освещением.

В ходе иссдедований Центром достигнуты следующие теоретические и

практические результаты.

1. Выполнено общее исследование средств и методик автоматического

управления освещением, сложившихся в настоящее время на рынке, а также

составлен подробный глоссарий терминов, связанных с автоматическим

управлением системами освещения [53]. Сформулированы требования,

предъявляемые к САУО [54].

2. Значительные исследования проведены в области изучения

характеристик датчиков освещенности [55, 56].

3. Подробно разработаны различные аспекты применения простых

систем типа «датчик-светильник», проведена оценка ряда установленных

систем [57].

28

4. Проведена разработка оконечных устройств регулирования яркости

свечения светильников различных типов [58].

Ученые Калифорнийского университета (г. Беркли, США) выполнили

разработку и исследование одноканальной многоступенчатой САУО без

обратной связи [13-15]. Система работает по принципу прямой

функциональной зависимости уровня яркости источников искусственного

света от уровня естественной освещенности:

,

где (Eест) – функция, полученая аппроксимацией экспериментальных

данных. Отдельно авторы оговаривают средства загрубления реакции

системы на частично облачные условия: выполняется задержка выключения

ламп на регулируемое время tоткл, если алгоритм управления требует Eест = 0.

Включение ламп производится без задержки при выполнении Eест > 0.

Аппаратные средства системы на момент публикации [15] не были

реализованы в виде законченного электронного блока – алгоритм управления

реализовывался на ПЭВМ при помощи программного пакета LabView.

Экономический эффект от внедрения системы в производственном

помещении составляет (по результатам сравнения с контрольным

помещением) от 10 до 50 % в зависимости от времени года и других

условий.

Следующим важным результатом изучения автоматического

управления освещением Калифорнийским университетом можно считать

исследование работы систем различных производителей. Так, в [59]

представлены результаты исследования трехканальной САУО без обратной

связи, каждый из каналов управления в которой работает независимо по

заранее проградуированной зависимости:

.

29

Эксперименты показали, что экономический эффект САУО

максимален для канала управления, расположенного ближе всего к окнам (30

– 40 %), уменьшается для более удаленного канала управления (16 – 22 %) и

несущественен для третьего, наиболее удаленного.

В [44] сообщается о разработке системы управления MIMO 101,

позволяющей управлять двумя независимыми каналами осветительной

системы. Авторы считают такой подход удобным для управления

освещением, справедливо полагая, что естественный свет вносит больший

вклад в освещенность вблизи окон, чем на удалении от них. Представляется,

однако, что два независимых канала предоставляют недостаточную гибкость

при управлении, особенно для больших помещений, где может возникать

достаточно большое количество зон, имеющих существенно различную

естественную освещенность.

К такому же выводу приходят далее и сами авторы, полагая

актуальным построение многоканальной системы управления освещением

без обратной связи, работающей по следующему принципу. Датчиками в

системе являются фоточувствительные элементы, установленные снаружи

здания. При помощи запрограммированного заранее алгоритма обработки

данных датчиков естественного света система управляет каждым каналом

осветительной установки. Влияние текущего местоположения солнца

учитывается при помощи программирования траектории его движения по

небосводу для различных периодов года на данной широте. В качестве

примера приводится система IMAGINE разработки американской фирмы

Electrosonic, при проектировании которой были реализованы некоторые из

указанных возможностей.

Основным препятствием на пути построения многоканальных систем

управления, по мнению авторов [20, 44], является их высокая стоимость.

Выделяют ряд принципов построения структуры САУО. Одной из

популярных схем, не получившей пока большого распространения из-за

высокой цены, является схема с так назывемым распределенным

30

интеллектом [60]. В такой структуре каждое устройство, входящее в систему

(датчик, электронный регулятор, пульт управления и т.п.), должно быть

соединено парой проводников с ближайшим соседним. Таким образом,

устройства системы составляют общую сеть передачи данных и

взаимодействуют по единому протоколу. Достоинства такого решения

достаточно весомы: отсутствие необходимости переносить существующую

силовую проводку и простота прокладки новой, низковольтной; простота и

дешевизна обслуживания. Недостатком является высокая стоимость

устройств, входящих в систему, что объясняется тем требованием, что

каждое устройство должно быть построено на базе микроконтроллера. Тем

не менее, авторы подобных систем полагают, что за последними будущее.

Системы управления освещением являются сравнительно

протяженными системами, поэтому большое внимание при проектировании

отводится среде передачи данных. В настоящее время САУО, как и системы

управления вообще, проектируются на основе следующих сред передачи:

кабельные низковольтные сети: витая пара, коаксиальный кабель,

оптоволоконный кабель;

сети на основе силовых линий (данные передаются непосредственно по

высоковольтным питающим проводам);

радиоэфир: данные передаются при помощи радиомодемов на расстояние

до 30 км;

электромагнитные волны инфракрасного диапазона;

телефонные сети: данные передаются по телефонным линиям с

использованием специальных блоков, подключенных к местной

телефонной АТС

сети, передающие данные по локальным или глобальным компьютерным

сетям (Intranet и Internet);

комбинированные сети, объединяющие в себе любое количество

подсетей любого размера, основанных на одной из перечисленных сред

передачи.

31

Важной частью проектирования систем автоматического управления

является разработка контура ручного управления, т.е. способа подачи

пользователем команд управления вручную. Один из современных способов

решения этой задачи изложен в [61]: описывается система управления

освещением, включающая искусственное освещение при понижении уровня

естественного и отключающая - при повышении, которая воспринимает

команды через телефонную сеть. Контроллер системы управления

подключается к телефонной линии через устройство распознавания тоновых

посылок и синтезатор речи. Если пользователю требуется выполнить

настройку поддерживаемого уровня освещенности в кабинете или просто

включить или выключить осветительные приборы, необходимо набрать

определенный номер внутренней телефонной сети и следовать голосовым

указаниям «поднявшего трубку» контроллера системы управления, отвечая

на них клавишами набора номера своего телефона.

Кратко сообщается о других системах управления, таких как

разработанной австралийскими учеными C-bus [62], а также системах

американской и датской разработки. Все системы позволяют управлять

осветительными приборами путем их включения-отключения в зависимости

от регистрируемого естественного освещения. Средняя демонстрируемая

эффективность систем, то есть доля сэкономленных средств, составляет

20...60 %.

Направления развития САУО определяются имеющимися на

сегодняшний день проблемами автоматического управления освещением.

Одна из основных проблем, поднимаемая в целом ряде публикаций

[20, 25, 59], заключается в недостаточности одного-двух независимых

каналов управления, обеспечиваемых современными системами.

Качественное и оптимальное управление, особенно в больших помещениях,

может обеспечиваться только при наличии большого количества

управляемых осветительных зон. Достигаемая экономия пропорциональна

количеству зон (каналов) управления.

32

Резкое улучшение качественных показателей САУО наступает при

переходе от управления включением-выключением источников света к

управлению путем плавного регулирования [27]. Управление включением-

выключением предоставляет системе недостаточную гибкость, а также не

позволяет экономить электроэнергию в периоды, когда уровень

естественного освещения меняется с достаточного на недостаточный (и

наоборот). В случае с плавным регулированием яркости в такие периоды

можно включать осветительные приборы на пониженную потреблеямую

мощность, тогда как в случае с управлением включением-выключением

система освещения должна работать на полную мощность.

Недостаточно хорошо изученным вопросом на сегодняшний день

является соотношение эффективности искусственного и естественного

освещения. Известно лишь, что при одинаковой освещенности естественный

свет более эффективен, чем искусственный [63-67]. Однако количественные

соотношения до сих пор не получены и, тем более, не представлены в

нормативных документах. В связи с этим существует мнение [9], что просто

поддерживать в помещении постоянный уровень освещенности

недостаточно. Очевидно, что в условиях отсутствия результатов

соответствующих светотехнических исследований остается возможным

применить следующий способ учета различной эффективности двух видов

освещения: пользователь сам определяет требующийся ему уровень

освещенности при освещении только искусственным и только естественным

светом и, если эти уровни являются приемлемыми (хотя бы один из них не

превышает нормируемого), он используется для получения соотношения

эффективности искусственного и естественного света.

Большим препятствием на пути распространения и развития САУО

является их высокая стоимость. Таким образом, одна из задач, стоящих при

разработке САУО, это достижение как можно более низкой стоимости

системы.

33

Ряд экспериментальных исследований [44] указывает на

существование трудностей, связанных с калибровкой системы управления,

выполняемой на уровне электронных компонентов. Причины этого

заключаются в том, что на схемном уровне трудно взаимно компенсировать

нелинейность датчика освещенности, регулятора порогового уровня и

других элементов. В связи с этим при применении электронной калибровки

часто приходится мириться с высокой погрешностью работы системы. При

том, что все современные сложные системы управления строятся на базе

микроконтроллеров и микропроцессоров, наиболее эффективный выход из

положения – применение программной калибровки. Реализация алгоритма

программной калибровки имеет следующие преимущества:

1. Достигается точность, определяемая лишь шириной разрядной сетки

микроконтроллера

2. Резко снижается стоимость определенной части системы: датчика (к

которому не предъявляется требование линейности), корректирующих

цепей (которые могут просто отсутствовать)

Дополнительный фактор, снижающий интенсивность распространения

САУО – это недостаток осведомленности пользователей о системах такого

рода. Роль научных исследований в преодолении этого фактора – разработка

эффективных недорогих систем, которые могут быть приняты

производителями и пользователями.

1.1.5. Требования к САУО. Анализ современного состояния исследований в

области САУО, тенденций и потребностей показывает, что является

актуальным разработка и исследование системы управления, отвечающей

следующим основным требованиям.

1. Система осуществляет устойчивое управление системой освещения

в зависимости от уровня естественного освещения с целью минимизации

потребления электроэнергии при соблюдении норм освещенности на рабочих

местах и в других зонах, где нормируется освещенность. В настоящем

исследовании рассматривается управление освещением именно

34

производственного помещения, которое с большой вероятностью является

занятым работающими в течение всего рабочего дня, поэтому решение

задачи управления в зависимости от присутствия не является актуальным.

Наиболее важно решение задач управления в зависимости от уровня ЕО, а

также – поддержание яркости ламп в течение срока службы. Задача

ограничения пикового потребления не решается ввиду наличия единого

тарифа на электроэнергию, не зависящего от времени суток.

2. С целью достижения универсальности, т.е. возможности применения в

помещениях любого размера и назначения, система обладает достаточной

гибкостью за счет:

управления путем ступенчатого регулирования яркости с достаточным

количеством ступеней [20];

достаточно большого количества каналов управления освещением [25].

3. Система осуществляет регулирование освещенности с погрешностью, не

превышающей допускаемой соответствующими нормативными документами.

4. Алгоритм управления обладает достаточной грубостью, необходимой при

автоматическом управлении освещением, с целью стремления к

нормальному восприятию со стороны пользователей.

Достаточно часто исследователи и разработчики обращают внимание

на актуальность следующих свойств систем управления освещением.

1. Обладание возможностями "самонастройки" и "самообучения": ввиду

относительной сложности программирования алгоритма работы разомкнутой

САУО некоторые разработчики считают целесообразным наделить САУО

способностью запоминать действия пользователей в тех или иных ситуациях

[44]. При этом сразу после старта такой системы последняя фактически

пассивна; управление освещением осуществляется пользователями, однако

САУО накапливает информацию в виде пар "исходные условия" - "действие

пользователя". После некоторого периода такого обучения САУО способна

сама осуществлять управление. Наиболее разработанной платформой для

такого рода систем является нейронная сеть.

35

2. Сохранение существующей высоковольтной проводной сети [25].

Внедрение САУО производится чаще в режиме переоборудования

помещения, чем при строительстве нового. В связи с этим одним из

основных требований к автоматической системе считают возможность

использовать коммутацию осветительных приборов в имеющемся виде.

Необходимо, однако, учитывать, что "вынужденное" разделение помещения

на зоны управления (определенное схемой проводки) не всегда

удовлетворяет потребностям качественного управления. В этом случае

должен быть проведен анализ целесообразности перепланировки

высоковольтной сети.

3. Желательным свойством САУО является интегрированность в систему

управления зданием, если таковая имеется [54, 68, 69]. Система управления

зданием может включать в себя подсистемы управления освещением,

отоплением, кондиционированием, вентиляцией, подсистему охраны и т. п.

Управление подсистемами в идеале должно учитывать естественную

физическую взаимосвязь между управляемыми процессами: отоплением и

вентиляцией, освещением и кондиционированием и т.п.

4. Опросы западных компаний показывают [2, 70-74], что примерно треть

пользователей предпочитают не отказываться от личного контроля за

уровнем освещенности. Таким образом, очевидно, следует по возможности в

определенной степени децентрализовывать администрирование системы

управления, особенно в части настройки задающего воздействия (нормы

освещенности) для отдельных рабочих мест.

1.2. Объект управления

Основной физической сущностью, являющейся предметом научного

исследования, является освещенность ПП. Объектом управления является

ПП.

Рассмотрим переменные, характеризующие объект управления.

36

В пределах ПП вводится система пространственных координат

(X,Y,Z), начало которой связывается с некоторой (любой) точкой ПП. Для

упрощения преобразований пространственных координат целесообразно

начало координат выбрать таким образом, чтобы все рассматриваемые

объекты ПП (РЗ и светильники системы освещения) характеризовались

только неотрицательными координатами. Точку (0;0;0) при этом логично

расположить в одном из нижних углов помещения.

Рис. 1.2 иллюстрирует пространственное расположение

рассматриваемых физических объектов ПП. В ПП размещается M рабочих

зон, на которых нормируется освещенность (помечены цифрами). Каждая РЗ

представляет собой часть плоскости, ограниченную прямоугольником, в

пределах которой необходимо поддерживать заданный уровень

освещенности. Таким образом, рабочей зоной может являться и поверхность

некоторого рабочего места, и проходы помещений, зоны дежурного,

охранного освещения. При этом плоскость РЗ не обязательно совпадает с

плоскостью пола ПП.

37

Рис. 1.2. Пример помещения.

39

Внутри каждой рабочей зоны будем выделять одну или несколько

точек, контроллируемых в процессе управления. Каждую такую точку

назовем точкой нормирования. Пусть общее количество точек нормирования

есть М. Каждая j-я точка описывается следующими переменными (j = 1…M).

1. Пространственные координаты1:

(Xj,Yj, Zj).

2. Ориентация плоскости точек нормирования задается при помощи

единичного отрезка - нормали, проведенной из точки (Xj, Yj, Zj). Координаты

конца такого отрезка записываются в виде:

(Xnj, Yn

j, Znj).

3. Мгновенное значение освещенности:

Ej.

1.3. Задающее воздействие

В основе задающего воздействия, действующего в системе, лежат

современные требования к уровню освещенности [28, 37]. В каждой РЗ

должны поддерживаться нормативные уровни освещенности, выбираемые с

учетом класса точности выполняемых в данной РЗ работ. Нормы

освещенности могут изменяться в течение рабочего дня, недели или

непериодически ввиду перерывов в технологическом процессе или

изменения вида последнего, а также – в соответствии с индивидуальными

потребностями работающего.

Таким образом, задающим воздействием в системе является вектор

Eнi = (Eн

i1, Eнi2, ... Eн

iM), i = 1, 2, ... N t, (1.1)

где Eнik - освещенность, которую необходимо обеспечивать в РЗ, которой

принадлежит k-я точка, с момента времени ti в течение времени ti;

1 Пространственные координаты здесь и далее исчисляются в метрах, освещенность - в люксах

40

Nt - количество интервалов времени, которым соответствуют

различные значения вектора (1.1).

Значение каждого элемента вектора (1.1) выбирается в соответствии с

[28] для производственного процесса, выполняемого в соответствующей РЗ

при ti < t < ti + ti.

На основании того, что система дискретна, и переходные процессы не

рассматриваются, допустим, что изменение значений элементов вектора при

переходе от Eнi к Eн

i+1 происходит мгновенно. Таким образом, в дальнейшем

будем считать в текущий момент времени значение вектора (1.1)

постоянным и обозначать его как

Eн = (Eн1, Eн

2, ... EнM).

1.4. Возмущающее воздействие

Возмущающим воздействием, влияющим на объект управления,

является ЕО, обеспечиваемая окнами и (или) световыми фонарями. Текущая

ЕО фиксируется в векторе

Eест = (Eест1, Eест

2, ... EестH),

где Eестh - освещенность, регистрируемая h-м датчиком,

H - количество датчиков.

Один датчик естественной освещенности устанавливается с каждой

стороны помещения, с которой поступает естественный свет. Таким образом,

если оконные проемы имеются лишь в одной стене, устанавливается один

датчик (Н = 1), в двух стенах – устанавливается два датчика (Н = 2), и т.д.

41

Рис. 1.3. Изменение возмущающего воздействия в течение светового дня.

42

Данные о текущей ЕО в точках нормирования представим как вектор

Eе = (Eе1, Eе

2 , ... EеM),

каждый элемент Eеj которого - значение ЕО в j-й точке нормирования:

,

где ehj – коэффициент естественной освещенности [75] в j-й точке

относительно h-го источника естественого света (датчика).

1. 5. Управляющее воздействие

Исполнительным устройством САУ является СО помещения,

состоящая из K источников света. Каждый источник света с номером i

состоит из Qi светильников. Система управления воздействует на каждый

источник света в целом, то есть светильники одного источника получают

один и тот же управляющий сигнал. Светильники могут иметь лампы любого

типа, применяемого в общем освещении ПП: люминесцентные, накаливания,

газоразрядные лампы высокого давления. Светильники располагаются

согласно рекомендациям по расположению источников общего освещения

[75]. Ниже рассматриваются переменные, характеризующие каждый

источник освещения.

Расположение q-го светильника i-го источника характеризуется

координатами центра прямоугольника, ограничивающего светящуюся

поверхность светильника:

(xq, yq, zq), q = 1 ... Qi.

Кроме этого, задаются размеры светящейся плоскости светильника:

(xq, yq), q = 1 ... Q i.

Светильник, в частности, может считаться точечным, то есть

имеющим

xq = yq = 0.

43

К таким светильникам могут быть отнесены, например, светильники с

лампами накаливания.

Ориентация светильника, то есть направление максимума излучения,

задается при помощи единичного отрезка - нормали, проведенной из центра

светящейся плоскости (точки (xq, yq, zq)) светильника. Координаты конца

такого отрезка записываются в виде:

(xnq, yn

q, znq), q = 1 ... Qi.

Для расчета освещенности в некоторой точке А используется

точечный метод расчета, основанный на применении кривых сил света.

Кривая силы света характеризует силу света I, обеспечиваемую

светильником при номинальном питающем напряжении в зависимости от

направления . Угол образован нормалью, опущенной из центра

светящейся плоскости светильника, и горизонтальной плоскостью,

проведенной через точку А.

Устройство управления воздействует на объект управления при

помощи изменения управляющего напряжения на устройствах

регулирования яркости источников освещения.

Управляющее воздействие на источники описывается вектором

управления:

S = (s1, s2, ... sК),

где si - ступень регулирования i-го источника, принимающая целые значения

от 0 до некоторого L. При si = 0 напряжение на i-й источник не подается.

При переключении i-го источника на ненулевую ступень si = r напряжение

на последнем становится равным номинальному, умноженному на

коэффициент изменения напряжения питания r.

Значение L меняется в зависимости от требуемой сложности САУО.

Управлению при помощи включения/отключения соответствует L = 1. В

44

этом случае 0=0, 1=1. При реализации ступенчатого регулирования L

выбирается тем большим, чем большая плавность регулирования требуется.

В реализованном варианте программы микроконтроллера в каждом

канале управления для задержки включения питающего напряжения удобно

использовать четырехразрядные двоичные счетчики, поэтому выбрано L =

15.

Таким образом, напряжение на источниках может быть выражено

вектором:

U = (U1, U2, ... UK),

где Ui - фактическое напряжение на i-м источнике, принимающее одно из

ряда значений:

0, 1UНОМi, 2UНОМ

i, ... L-1UНОМi,

где UНОМi - номинальное напряжение питания i-го источника, r -

коэффициент изменения напряжения питания для ступени с номером r.

Для неработоспособных источиков всегда справедливо si = 0, Ui = 0.

Номинальный потребляемый источником ток обозначим как IНОМi.

Тогда мощность, потребляемая СО, выражается вектором:

N = (N1, N2, ... NK),

где Ni - мощность электрического тока, потребляемая i-м источником,

Ni = Si UНОМi IНОМ

i.

При включении i-го источника на ненулевую ступень si = r

освещенность, создаваемая источником в каждой точке помещения,

находится как освещенность при включении на номинальное напряжение,

умноженная на коээфициент i (r) изменения освещенности: E = EНОМi i (r).

Зависимость i (r) определяется экспериментально для каждого типа

источников освещения.

45

1.6. Алгоритм управления

Целью управления является достижение минимума интеграла

потребляемой источниками искусственного освещения мощности:

(1.2)

с учетом следующего ограничения: необходимо поддерживать освещенность

в точках каждой РЗ, не менее заданной нормы для РЗ:

Ej Eнj, j = 1 ... M. (1.3)

Рис. 1.4. Потребляемая источниками освещения мощность.

j = 1…M

Рис. 1.5. Ограничение управления.

46

1.7. Выводы

Актуальность автоматического управления освещением определяется с

одной стороны возрастающей потребностью экономии электрической

энергии, с другой – необходимостью обеспечения освещения рабочих мест,

создающего нормальные условия работы персонала предприятия.

Из всего спектра задач, решаемых САУО производственного

помещения, с учетом состояния отечественных исследований в

рассматриваемой области наиболее актуальной является задача

регулирования уровня ИО в зависимости от уровня ЕО. При этом

автоматическое управление обладает рядом важных преимуществ перед

ручным.

САУО является значительно более эффективным средством

управления, чем устройства управления освещением, решающие отдельные

задачи управления.

При построении САУО наиболее целесообразным является применение

сочетания принципа управления по возмущению с плавным

(многоступенчатым) изменением подводимой мощности. Применение

микропроцессорной техники и программного управления, калибровки и т.п.

обладает рядом преимуществ перед использованием принципа «жесткой

логики».

Основные требования к САУО заключаются в следующем.

1. Как любая система автоматического управления, САУО должна отвечать

требованию устойчивости.

2. Должно обеспечиваться достаточно высокое качество управления.

3. Система должна быть гибка в настройке, в том числе допускать

возможность регулирования грубости.

Необходимо определить производственное помещение как объект

автоматического управления [76, 77]. Задающим воздействием является

нормативная освещенность рабочих зон помещения, возмущающим – ЕО

47

помещения. Управляющее воздействие САУО представляется как вектор

состояний источников СО ПП.

Цель работы САУО может быть сформулирована как минимизация

интеграла потребляемой мощности с учетом ограничений на уровни

освещенности, обеспечиваемой в точках нормирования.

48

РАЗДЕЛ 2

Структура и алгоритмы управления САУО

2.1. Функциональная схема системы управления

Первым шагом в разработке САУО является выбор функциональной

схемы [78, 79]. Разрабатываемую САУО целесообразно отнести к

незамкнутым САУ, работающим по внешнему возмущению. Такой выбор

продиктован следующими причинами:

координаты объекта управления (освещенность в точках нормирования)

зависят только от внешнего возмущения (величины естественной

освещенности и исправности системы освещения);

введение обратной связи потребовало бы введения в схему системы

большого количества датчиков освещенности: в каждой точке

нормирования потребовалось бы разместить датчик; количество же точек

нормирования в среднем производственном помещении исчисляется

десятками и даже сотнями.

Функциональная схема САУО приведена на рис. 2.1.

49

Рис. 2.1. Функциональная схема системы управления

50

Приведенная схема САУ обладает рядом достоинств:

вследствие отсутствия обратной связи система является внутренне

стабильной - возникновение неустойчивых режимов работы полностью

исключено

регистрация только возмущающих воздействий в данной задаче приводит

к значительному упрощению схемы САУО по сравнению со схемой,

включающей обратную связь.

Опыт построения устройств автоматизации освещения (а именно –

трудности с расположением датчиков; см. раздел 1.1.4) также

свидетельствует, что схемы с обратной связью выбираются только в случае

простейших систем управления: систем «датчик – светильник». При

проектировании разветвленных систем управления выбирают принцип

управления по возмущению [80].

2.2. Алгоритмы управления. Сравнительный анализ

Ключевым фактором, определяющим эффективность САУО, является

алгоритм управления. Алгоритм управления – это процесс, выполняемый

САУО периодически через определенные промежутки времени и

реализующий алгоритм управления. Входными для алгоритма управления

являются следующие величины.

1. Вектор Eест уровней ЕО, измеренного с разных направлений.

2. Вектор Eн целевых значений освещенности в рабочих зонах.

В результате работы алгоритма управления рассчитывается

управляющее воздействие, представляющее собой вектор S требуемых

состояний источников. При расчете требуемых состояний принимается во

внимание состояние возмущающих воздействий: текущий уровень ЕО и

работоспособность отдельных светильников.

Какой бы вариант алгоритма управления ни применялся, при

выработке управляющего воздействия используются два типа

экспериментально определяемых зависимостей. Во-первых, перед запуском

51

системы управления для каждой ступени управления определяют

коэффициент изменения напряжения питания источника освещения:

i (r) ; i = 1, 2, ... K; Целое r[0;L].

Рис. 2.2. Коэффициент изменения напряжения в зависимости от ступени

регулирования (лампа накаливания).

В качестве примера на рис. 2.2 изображена кривая (r), снятая

экспериментально для лампы накаливания.

На этапе, когда в САУО включается поддержка управления

светильниками некоторого нового типа, экспериментально должна быть

определена зависимость коэффициента изменения освещенности от номера

ступени управления. После того, как векторы коэффициентов изменения

освещенности определены для всех источников, имеем векторы вида:

i (r); i = 1, 2, ... K; Целое r[0;L].

Кривая i (r), снятая экспериментально для лампы накаливания, приведена на

рис. 2.3.

52

Рис. 2.3. Коэффициент изменения создаваемой освещенности в

зависимости от ступени регулирования (лампа накаливания).

Важной подзадачей алгоритма является вычисление освещенности

точки помещения. Вычисление освещенности, обеспечиваемой включенным

на номинальное напряжение питания Uном q-м светильником в j-й точке

нормирования, осуществляется широко применяемым в точных расчетах

освещенности точечным методом [75]:

,

где Iqj - сила света, обеспечиваемая q-м светильником в направлении

(угол qj) на j-ю точку – является справочной информацией для типа q-го

светильника,

qj - угол между нормалью к плоскости освещаемой поверхности и

направлением на светильник (см. рис. 2.4). В соответствии с теоремой

косинусов

rqj - расстояние от центра светильника до точки нормирования:

53

,

rnqj - расстояние от центра светильника до конца единичной нормали,

опущенной из точки нормирования:

,

qj – угол между нормалью к поверхности, проведеной через центр

светильника, и направлением на расчетную точку:

.

Рис. 2.4. Расположение точки нормирования на плоскости РМ и источника

ИО.

Вклад i-го источника, включенного на номинальное напряжение Uномi,

в освещенность j-й точки образуется как сумма освещенностей, создаваемых

каждым светильником источника в отдельности:

.

54

При включении i-го светильника на пониженную ступень r

регулирования, т.е. на напряжение питания U < Uномi, сила света,

обеспечиваемая светильником в направлении на j-ю точку, уменьшается в

соответствии с i (r). С учетом этого суммарная освещенность j-й точки

помещения складывается из освещенностей, создаваемых отдельными

источниками:

, j = 1, 2, ... M,

Суммарная потребляемая светильниками мощность:

,

Кратко повторим формулировку задачи управления: при соблюдении

условия (1.3) суммарная потребляемая источниками мощность должна

принимать минимальное значение (1.2).

При управлении включением-отключением источников, т.е. при i(r)

[0,1], i(r) = r, i(r) [0,1], i(r) = r задача управления сводится к задаче

целочисленного линейного программирования. При этом целевая функция,

подлежащая минимизации:

,

Ограничения - неравенства:

Очевидно, что задача в такой постановке может быть решена широко

используемым сиплекс-методом решения задачи линейного

программирования с учетом ограничений значений неизвестных S1...SK

числами 0 и 1 (см., например, [82, 83]). Далее будет рассмотрен случай

ступенчатого управления уровнем яркости, что обеспечивает бóльшую

55

гибкость и в большем количестве случаев приводит к положительному

экономическому эффекту [2, 27, 84].

При управлении ступенчатым изменением уровня зависимости i(r),

i(r) вносят в задачу нелинейность, последняя становится задачей

нелинейного целочисленного программирования с недифференцируемой (в

силу своего ступенчатого вида) целевой функцией и ограничениями-

неравенствами. Целевая функция, подлежащая минимизации по своим

аргументам:

(2.1)

S1, S2, ... SK [0;L]

Ограничивающие условия:

(2.2)

.

Известно, что задача, поставленная выражениями (2.1), (2.2) не имеет

общего аналитического решения. Для решения могут быть использованы

алгоритмы поиска приближенного решения или полные переборные

алгоритмы.

Какой бы алгоритм управления не использовался, целесообразно

заранее, перед стартом САУО, рассчитать pij (i = 1...K, j = 1...M), т.е. вклады

каждого светильника в освещенность каждой точки помещения. Этим

достигается сокращение количества сложных математических расчетов

внутри алгоритма. Пересчет матрицы pij необходим только в случае

изменения характеристик светильников или точек нормирования, что

происходит сравнительно редко.

Наглядное представление о сути решаемой задачи можно получить,

интерпретировав постановку графически. На рис. 2.5 изображено

56

распределение естественного света в пространстве помещения, освещаемого

со стороны задней и левой стен. На рис. 2.6. представлено распределение

освещенности, создаваемой шестнадцатью точечными источниками света,

включенными на одинаковую мощность. График суммарной освещенности Е,

обеспечиваемой естественным и искусственным светом, изображен на рис.

2.7. Наконец, на рис. 2.8 представлен график нормы освещенности: в

рассматриваемом помещении находятся девять рабочих зон, в шести из

которых должна поддерживаться освещенность 400 лк, в остальных трех –

300 лк. В пространствах между рабочими зонами (проходах) норма

освещенности составляет 20 лк. Задача управления сводится к тому, чтобы

максимально приблизить поверхность Е, описывающую суммарную

освещенность (см. рис. 2.7), к поверхности Енорм, описывающей норму

освещенности (см. рис. 2.8). При совмещении Е и Е норм поверхность Е

должна пролегать не ниже Енорм, однако располагаться выше последней на

минимально возможную величину. Управление формой и высотой

поверхности Е осуществляется при помощи управления мощностью

источников искусственного света, т.е. высотой пиков поверхности рис. 2.6.

57

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Рис. 2.5. Распределение уровня освещенности в помещении, освещенного рядами окон, находящихся в смежных стенах.

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Рис. 2.6. Распределение освещенности, создаваемой шестнадцатью равномерно расположенными точечными источниками света.

58

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Рис. 2.7. Суммарная освещенность помещения.

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Рис. 2.8. График нормы освещенности.

59

Перед стартом алгоритма управления необходимо проверить

граничные условия управления, т. е. состояния объекта управления в

«крайних точках». Такими точками являются полностью выключенная и

полностью включенная система освещения. Таким образом, перед стартом

алгоритма управления выполняется:

подготовительные действия по расчету недостаточной освещенности для

каждой точки;

проверка того, не является ли состояние объекта управления в одной из

двух его краних точек оптимальным.

Блок-схема процесса управления в целом изображена на рис. 2.9. В

первом цикле (блоки 1, 2) выполняется расчет вектора Енедост, каждый

элемент Енедостj (j = 1...M) которого хранит значение недостатка

освещенности в j-й точке нормирования.

В блоках 3, 4, 6 выполняется проверка достаточности освещенности

при минимальном значении вектора S состояний источников (минимальное

значение Smin соответствует выключенному состоянию всех источников) и

отключение всех управляемых осветительных приборов. В блоках 5, 6

производится проверка того, достаточно ли для освещения помещения

включения системы освещения на полную мощность, и включение всех

источников на полную мощность, если требуемую освещенность обеспечить

невозможно. Математически вышеописанное выражается следующим

образом:

,

где Sopt – результат расчета по одному из алгоритмов управления.

60

В блоках 7, 8 осуществляется вызов алгоритма управления,

реализованного по одному из трех рассмотренных ниже алгоритмов, и вывод

управляющего воздействия. Каков бы ни был результат выполнения

процесса управления (освещенность достаточна без искусственного

освещения, искусственное освещение не в состоянии покрыть нехватку

освещенности, включение источников в соответствии с найденным

управляющим воздействием) процесс управления через заданный интервал

времени повторяется с начала.

Рассмотрим разработанные варианты алгоритмов, вызываемые в блоке

7 процесса управления, позволяющие найти оптимальное решение задачи

(1.2), (1.3).

61

Рис. 2.9. Общий вид процесса управления.

2.2.1. Переборный алгоритм управления. Цель алгоритма управления -

поиск наилучшей комбинации Sopt состояний источников. Для каждой точки

нормирования переборный алгоритм выполняет перебор Kокр K

62

источников, наиболее близких геометрически к точке нормирования. Число

Kокр для некоторого экземпляра САУО является постоянным и зависит

только от быстродействия аппаратной базы, на которой работает САУО

(характеристик ЭВМ). Часто возможно Kокр = K, то есть для каждой точки

рассматриваются все источники освещения помещения. Пусть состояния

ближайших Kокр источников учитываются при помощи вектора R.

Рассмотрим характеристику (r) / (r) (целое r [0…L]),

демонстрирующую “выгодность” включения источников искусственного

освещения на каждую ступень регулирования. Полученная

экспериментально характеристика (r) / (r) для лампы накаливания

приведена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. График (r) / (r) для лампы накаливания.

Многочисленные исследования по регулированию яркости

светильников [13, 81] также показывают, что освещенность, обеспечиваемая

светильниками, включенными на пониженное напряжение, убывает быстрее

напряжения. Таким образом, производительность светильников с

уменьшением напряжения падает – характеристика (r) / (r) всегда

убывает. Особенно сильно эта тенденция проявляется в случае

63

люминесцентных ламп, наиболее часто применяемых для искусственного

освещения производственных помещений. Следовательно, более

целесообразно эксплуатировать светильники на напряжениях, как можно

более близких к Uном, т.е. на максимальных ступенях регулирования.

В переборном алгоритме данный вывод учитывается следующим

образом: точки нормирования рассматриваются в порядке уменьшения

недостатка освещенности. Таким образом, сначала включаются источники,

освещающие наиболее темные зоны. После этого более светлые зоны

помещения уже могут оказаться освещены достаточно. При таком порядке

рассмотрения точек нормирования наиболее высока вероятность того, что

источники окажутся включенными либо на полную мощность, либо

выключенными вообще (расположенные вблизи окон).

В каждом цикле выработки управляющего воздействия САУО работает

по алгоритму, изображенному на рис. Б-2.1.

После присвоения вектору Sopt (результату работы алгоритма)

начального значения для каждой точки нормирования выполняется

следующее. Прежде всего, при помощи процедуры Номера ближайших

источников выполняется поиск номеров источников, геометрический центр

которых расположен наиболее близко к j-й точке. Алгоритм процедуры

изображен на рис. Б-2.2. Номера источников, фактическое количество

которых составляет k Kокр, заносятся в вектор V. При поиске учитываются

только те источники, для которых еще не построено управляющее

воздействие. Для этого в цикле, выполняемом K окр раз (тело цикла заключено

в блоках 3-6), ищется источник, наиболее близко расположенный к j-й точке

(расстояние составляет rmin). Если для некоторого источника с номером i уже

построено управляющее воздействие, то S i отлично от нуля, и такой

источник не рассматривается (блок 5).

После построения вектора ближайших источников алгоритм (рис. Б-

2.1) предусматривает цикл по всем возможным состояниям таких

64

источников, т.е. по всем значениям вектора R (тело цикла - блоки 6-9). Для

каждого состояния определяется суммарная мощность, потребляемая

источниками (блок 6) и суммарная создаваемая освещенность (блок 7). Если

текущее состояние является наилучшим из рассмотренных (создаваемая

освещенность достаточна и мощность минимальна, блок 8), то оно

запоминается в векторе Ropt вместе со значением потребляемой в этом

состоянии мощностью (блок 9). Полученный перебором состояний вектор

Ropt копируется поэлементно в вектор Sopt (блоки 10, 11):

По окончании работы алгоритма Sopt хранит оптимальную с точки

зрения критериев управления комбинацию светильников, а Nmin -

минимально достижимую при этом потребляемую мощность.

Разработана модификация алгоритма, в которой принимается Kокр = K,

что часто возможно при небольшом (до восьми) количестве каналов

управления. В этом случае (см. рис. Б-2.3) в главном цикле (блоки 2-6)

осуществляется перебор всех значений вектора S. При этом для каждого

состояния проверяется условие достижения наименьшей потребляемой

мощности (блоки 3, 4) и достаточности освещенности (блок 5). В случае

выполнения обоих условий текущее значение вектора S сохраняется как

оптимальное Sopt (блок 6), а текущая мощность N - как оптимальная

мощность Nopt.

Проверка достаточности освещенности, доставляемой источниками,

находящимися в состоянии S, для удовлетворения норм в точках

нормирования выполняется отдельной процедурой Освещенность

достаточна (S) (см. рис. Б-2.4). Для каждой точки нормирования

рассчитывается (блок 3) суммарная искусственная освещенность Eисск,

которая затем сравнивается (блок 4) со значением недостатка освещенности

65

Енедостj. В случае, если хотя бы для одной точки Eисск < Енедост

j, процедура

завершается с результатом Ложь.

Достоинством переборного алгоритма является его полнота, т.к.

полный перебор возможных состояний ближайших источников гарантирует

получение оптимальной комбинации (при условии выбора такого Kокр, что

для любой точки нормирования в переборе участвуют все светильники,

вкладом которых в освещенность точки нельзя пренебречь).

Недостатком алгоритма является степеннáя зависимость времени

расчета от количества рассматриваемых источников. Максимальное

количество возможных состояний вектора R есть LKокр. Таким образом,

наихудшее время расчета пропорционально MLKокр.

2.2.1. Алгоритм зон равной освещенности. На основании закономерностей

распространения света в помещении можно выделить вариант переборного

алгоритма, представляющий значительный самостоятельный интерес.

Основная закономерность распространеия бокового (проникающего из окон)

естественного света заключается в том, что при одинаковости условий

распространения на равных расстояниях, отложенных перпендикулярно

плоскости окна, освещенность одинакова. Таким образом, на плане

помещения, освещаемого с одной или нескольких сторон через ряды окон,

можно провести линии равной освещенности (изолюксы) так, как

изображено на рис. 2.11 (изолюксы изображены черными линиями, ряды

окон - толстыми синими линиями).

Светильники следует сгруппировать так, чтобы в каждую группу

попадали светильники, лежащие на изолюксе, параллельной некоторому

ряду окон. В этом случае светильники, входящие в одну группу, должны

включаться на одинаковую мощность, т.е. могут составлять один источник

освещения (на светильниках, изображенных окружностями, проставлены

номера источников, к которым они относятся). Ступень регулирования

66

каждого источника должна быть такой, чтобы покрывать недостаток

освещенности во всех освещаемых им точках нормирования.

Каждому источнику освещения сопоставляется несколько рабочих зон,

находящихся наиболее близко. Пример объединения рабочих зон показан на

рис. 2.11 пунктиром. В результате сопоставления для каждого значения i от

1 до K (т.е. для каждого источника) составляют векторы (Ri1, Ri2, … Ri ri),

содержащие номера точек, отнесенных к i-му источнику. Количество таких

точек обозначается как ri.

67

Рис. 2.11. Зоны равной освещенности на плане помещения.

68

Перед расчетом необходимо также задаться вектором D, каждый

элемент Di (i = 1...K) которого – номер датчика ЕО, со стороны которого

естественный свет поступает в ту часть зоны равной освещенности, которая

освещается i-м источником. Например, для помещения, изображенного на

рис. 2.11, D1 = D2 = 1, D3 = D4 = 2.

Способ объединения светильников в источники освещения при методе

зон равной освещенности зависит от выделения рабочих мест, имеющих

схожие условия ЕО.

В случае проникновения света со стороны смежных стен (см. рис. 2.12)

способ объединения рабочих мест в зоны равной освещености не столь

очевиден, как в случае освещения с одной стороны или с противоположных

сторон, и зависит от ориентации помещения по сторонам света и

желательного направления освещения рабочих зон. Например, рабочие зоны

2, 3, 4 в основном освещены первым источником ЕО, условия проникновения

естественного света примерно одинаковы, поэтому целесообразно

объединить их в зону равной освещенности. Ближайшие светильники в этом

случае необходимо объединить в источник освещения (светильники 2, 3, 4).

Рабочие зоны 6, 7, 8, 10, 11, 12 также преимущественно освещаются первым

источником естественного света и 6-м, 7-м, 8-м источниками

искусственного. Перечисленные рабочие зоны объединяются в одну зону

равной освещенности, светильники – в один источник освещения. Рабочие

зоны 5, 9, 13 освещаются преимущественно вторым источником

естественного света и 5-м, 9-м источниками искусственного. То же

относится к зонам 15, 16 и источникам 11, 12. Зону 14 не целесообразно

объединять ни с одной другой зоной, т.к. она преимущественно освещается

вторым источником естественного света.

Более углубленный анализ необходим для рабочих зон, находящися на

примерно одинаковых расстояниях от источников ЕО (например, зона 1 на

рис. 2.12). Если более солнечной стороной помещения является первая и для

69

рабочей зоны 1 предпочтительным является освещение именно с этой

стороны, то эту зону следует объединить с зонами 2, 3, 4. Если же зона 1

лучше освещается со стороны источника естественного света 2, то ее

следует включить в зону, образованную рабочими зонами 5, 9 и 13.

Рабочие зоны 6, 7, 8, 10, 11, 12 невозможно разделить на две зоны, т.к.

в этом случае каждой зоне невозможно было бы сопоставить группу

ближайших светильников. Это обстоятельство иллюстрирует тот факт, что

расположение светильников также оказывает влияние на способ объединения

рабочих зон.

При верхнем освещении целесообрано все помещение отнести к зоне

равной освещенности и управлять всеми осветительными приборами как

одним источником. Максимальное значение недостатка освещенности для i-

го источника определяется как

Eнедi = max { Eнорм

Ri1 – EискRi1 – Eест

Di Ri1, EнормRi2 – Eиск

Ri2 – EестDi Ri2, …

EнормRi ri – Eиск

Ri ri – EестDi Ri ri },

где Ri1, Ri2, ... Ri ri - номера точек нормирования, освещаемых i-м

источником;

EнормRij – нормированная освещенность точки с номером Rij;

EискRij – искусственная освещенность точки с номером Rij, созданная

другими источниками, которым в ходе предыдущих расчетов уже присвоено

некоторое состояние;

EестDi – ЕО, регистрируемая Di-м датчиком;

Rij – КЕО точки с номером Rij.

70

Рис. 2.12. Зоны равной освещенности на плане помещения, освещенного со стороны смежных стен.

71

Блок-схема алгоритма зон равной освещенности изображена на рис. Б-

2.5. Для каждого источника выполняется:

поиск максимальной нормы Emax освещенности (блок 3) среди точек,

попадающих под действие источника (точки с номерами R i1, Ri2, ... Ri ri)

поиск значения ступени регулирования Si, которая обеспечивает

освещенность E (блок 4);

корректировка значения искусственной освещенности во всех точках,

увеличившейся за счет присвоения состояния S i очередному источнику

(блок 5).

Функция Si (E) является ступенчатой возрастающей. Процедура поиска

изображена на рис. Б-2.6 и представляет собой широко используемый

алгоритм метода половинного деления. Целочисленный результат

определяется внутри отрезка [0; L] за log2 (L+1) шагов.

Запуску САУО, работающей под управлением рассмотренного

алгоритма, предшествуют ряд дополнительных расчетов. Границы зон

проводятся по изолюксам так, чтобы в каждую зону попадали рабочие места,

равноудаленные от того ряда окон (окна), который преимущественно

доставляет естественный свет. Каждой зоне равной освещенности

сопоставляется один источник освещения. Определяется вектор D.

Условие применимости алгоритма выполняется в большинстве

реальных производственных помещений: естественное освещение должно

являться либо чисто боковым, либо чисто верхним. В случае

комбинированного освещения не удается выполнить основное условие

применимости алгоритма: возможность для каждой точки помещения

выделить направление на основной источник естественного света.

2.2.3. Алгоритм равномерного освещения. Алгоритм равномерного

освещения построен на допущении, что для достижения задачи управления

варианты включения источников достаточно выбирать только из тех,

72

которые обеспечивают равномерное освещение пространства помещения.

Последнее допустимо при выполнении следующих условий.

1. В пределах помещения отсуствуют рабочие места, на которых

выполняются работы, требующие существенно различной освещенности.

2. ЕО распределяется равномерно, то есть вклад последней в освещенность

каждой рабочей зоны одинаков. Такому условию отвечают, например,

помещения, ЕО которых обеспечивается потолочными световыми

фонарями.

При выполнении приведенных условий ситуацию, когда в разных

частях помещения должна быть обеспечена различная плотность

работающих светильников, можно из рассмотрения исключить.

Система освещения в результате работы алгоритма должна оказаться в

следующем состоянии: в каждой группе из iGr светильников включены iOn

светильников, iGr [2...K], iOn [1...iGr-1]. При этом светильники,

составляющие группу, расположены рядом.

Подбор количества включаемых источников выполняется по схеме,

которую легко представить на следующем примере. Пусть СО содержит

восемь источников. Тогда последовательно производится попытка

промоделировать освещение помещения, перебирая состояния,

изображенные в табл. 2.1.

При этом моделирование выполняется для каждого случая

распределения включенных источников в группе (то есть, например, для

случая «два источника из трех» моделирование выполняется для следующих

состояний источников в каждой тройке: «включен, включен, выключен»,

«включен, выключен, включен», «выключен, включен, включен»).

73

Таблица 2.1

Состояния СО для восьми источников

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1 источник из 8.

1 источник из 7

1 источник из 6

1 источник из 5

1 источник из 4

1 источник из 3

1 источник из 2

2 источника из 3

3 источника из 4

4 источника из 5

5 источников из 6

6 источников из 7

7 источников из 8

Вышеизложенная схема реализуется в виде алгоритма, изображенного

на рис. Б-2.7. В алгоритме последовательно решаются две задачи:

подбор «плотности» и последовательности включения источников (т.е.

числа iOn включенных источников из группы, состоящей из iGr источников,

а также номера iFirst первого включенного источника в группе);

подбор минимально возможной ступени, на которую следует включить

источники, номера которых определены решением первой задачи.

Первая задача решается при помощи цикла, изображенного на рис. Б-

2.7. блоками 1 (заголовок цикла) и 2-8 (тело цикла). Каждый проход цикла

соответствует одному из состояний табл. 2.1. Сначала (при i < 0)

выполняется перебор состояний от первого включенного источника из K до

первого включенного источника из двух, затем - от двух включенных из трех

74

до K-1 включенных из K. Таким образом, выполнение первой задачи

сводится с выполнению следующих двух шагов:

Шаг 1. Выполнять шаг 2, пока (S) = 0, выбирая i = -N+2, -N+1, …-1, 0, 1, …

N-2:

Шаг 2. Выполнять, пока (S) = 0, выбирая

,

где b[j] принимает значения 0 или 1 в зависимости от значения j-го разряда в

двоичном представлении числа b.

S = (S1, S2, … SK)

Sk = L b[k % iGr]

iGr = | i | + 2

Для каждого состояния выполняется подбор номера iFirst первого

включенного источника (цикл, изображенный блоками 6-8).

После получения значений iGr, iOn, iFirst в блоках 9-11 выполняется

подбор наименьшей достаточной ступени регулирования для включаемых

источников.

Процедура, блок-схема которой приведена на рис. Б-2.8,

предназначена для присвоения вектору S значения, соответствующего

включению iOn источников из iGr начиная с iFirst на ступень r.

Так как на каждом шаге выполняется проверка достаточности

освещенности для всех точек нормирования, время работы алгоритма

пропорционально M (2K! + L).

2.2.4. Алгоритм поиска наиболее выгодных источников. В любом

состоянии объекта управления каждой ступени r регулирования каждого

75

источника i можно соспоставить переменную Cir, являющуюся критерием

«выгодности» ступени:

,

где Nir - мощность, потребляемая i-м источником при включении на r-ю

ступень;

pijr - освещенность, обеспечиваемая i-м источником при включении на

r-ю ступень в j-й точке при условии отсутствия других источников

света;

Ej, Eнj - текущая и требуемая освещенность в j-й точке.

Введение оператора min позволяет достичь того, что источники

считаются тем менее выгодными, чем больший излишек освещенности они

обеспечивают.

Таким образом, алгоритм может быть описан в следующем виде.

Шаг 1. Найти

где

Шаг 2. Если выполняется условие

то повторить шаг 1.

Управляющее воздействие рассчитывается по алгоритму,

изображенному на рис. Б-2.9.

76

Алгоритм содержит цикл, выполняемый пока не будет достигнута

достаточная для всех точек освещенность или пока система освещения не

достигнет состояния работы на полную мощность (блок 2). Внутри цикла

выполняется следующее: для каждой ступени каждого источника

рассчитывается (блок 7) критерий C; из всех рассчитанных критериев

выбирается максимальный (блоки 8, 9). Если найденному наиболее

выгодному источнику (с номером imax) в текущем состоянии присвоена

ступень, меньшая наиболее выгодной (rmax), такому источнику присваивается

ступень rmax (блоки 10, 11).

Время работы алгоритма в наихудшем случае пропорционально (LK)2.

2.3. Выводы

Гарантированное решение предоставляет переборный алгоритм,

однако при большом или сложном по конфигурации помещении, где

выбрано большое K, полный перебор (K = K окр) невозможен. При этом

решение, пренебрежимо близкое к оптимальному, достигается при

соблюдении следующего условия: найдено Kокр такое, что каждая точка

нормирования существенно освещается не более чем K окр источниками.

Cущественно освещающими источниками будем считать те, отношение

вклада которых в освещенность точки ко вкладу наиболее сильно

освещающего источника составляет не менее некоторой заранее выбранной

величины (например, порядка 0,01). Учитывая, что каждый источник

составляется из большого числа сгруппированных светильников, в

подавляющем большинстве случаев приведенное условие выполняется уже

при Kокр = 4 ... 6.

При условии равных норм освещенности для рабочих зон наиболее

удачным выбором представляется алгоритм равномерного освещения,

позволяющий при небольшом времени расчета (а, значит, невысокой

стоимости аппаратной базы САУ) находить решение, по качеству не

уступающее переборному алгоритму.

77

Алгоритм равномерного освещения построен таким образом, что на

первом этапе делается попытка максимально приблизиться к оптимальному

решению за счет изменения количества включенных (на номинальную

мощность) источников, а лишь затем выполняется подбор ступени

регулирования. Такой подход приводит к следующему дополнительному

достоинству алгоритма: получаемое с его помощью решение с большой

вероятностью переводит источники в ступень регулирования, близкую к

максимальной. А чем более напряжение питание источника близко к

номинальному, тем выше показатель освещенность/напряжение (см. рис.

2.10), т.е. электроэнергия используется более эффективно.

Строгое обоснование того, что алгоритм выгодных источников всегда

предоставляет оптимальное решение, пока не разработано, однако принцип

перебора состояний источников от более экономически выгодных к менее

выгодным представляется правильным.

Алгоритм равноосвещенных зон не является точным, т.к. пренебрегает

вкладом в освещение точки нормирования со стороны неосновных

источников ествественного света. Таким образом, в рабочих зонах,

находящихся на примерно одинаковых расстояниях от двух рядов окон,

может быть создана излишняя освещенность.

Время счета, точность каждого алгоритма были экспериментально

получены в ходе компьютерного моделирования работы системы. Условия

моделирования представлены в разделе 4.5, результаты – в табл. 4.4, 4.5,

4.6 .

Основными факторами, определяющими сферы применения

алгоритмов, являются:

свойства ЕО, распространяющегося в помещении, в первую очередь – его

равномерность или неравномерность;

характеристики помещения как объекта управления, определяющие

количество независимых каналов управления (источников освещения):

78

сложность геометрии помещения, разброс норм освещенности в рабочих

зонах;

возможности аппаратной базы САУО: быстродействие и объем

оперативной памяти.

Сгруппировав соответствующим образом факторы, перечисленные

выше, получим в табличном виде выводы о сферах применения каждого

алгоритма (см. табл. 2.2).

79

Таблица 2.2

Сферы применения алгоритмов управления САУО

Равномерное ЕО при рав-

ных нормах освещенности

Да Нет

Сложность помещения Низкая Высокая Низкая Высокая

Возможности

аппаратных

средств

Широкие Алгоритм равномерного

освещения

Упрощенный переборный

алгоритм

Полный переборный

алгоритм

САУО Узкие Алгоритм зон равной

освещенности

Алгоритм поиска

наиболее выгодных

источников

80

РАЗДЕЛ 3

Экспериментальные исследования и описание технических и

программных средств САУО

3.1. Обоснование выбора архитектуры САУО. САУО на основе ПЭВМ

При выборе архитектуры САУО целесообразно выделить два варианта

построения системы, каждый из которых обладает своей сферой применения.

Автоматическое управление освещением в помещениях сложной

конфигурации или имеющих большую неравномерность распространения ЕО

диктует необходимость построения САУО с:

большим количеством N независимых каналов управления;

большим количеством L ступеней управления.

В указанном случае наиболее целесообразно в качестве аппаратной

базы САУО использовать относительно мощное вычислительное устройство.

Распространенной архитектурой такого уровня является IBM-совместимая

ПЭВМ. Алгоритм управления, выбранный из числа изложенных в разделе 2

по рекомендациям п. 2.6, в масштабе реального времени исполняется на

ПЭВМ. Результат работы алгоритма каждый такт работы САУО передается

на БУ, контроллер которого выполняет включение-отключение ИИО и

регулирование потребляемой ими мощности.

Структурная схема САУО на основе ПЭВМ изображена на рис. 3.1.

Оригинальные ТС сосредоточены в блоке управления (БУ), предназначенном

для решения следующих задач:

преобразование сигнала датчика ЕО в цифровую форму для передачи

ПЭВМ;

регулирование яркости свечения ламп источников в соответствии с

передаваемым от ПЭВМ цифровым кодом.

81

Рис. 3.1. Структурная схема САУО на базе ПЭВМ.

82

БУ состоит из двух независимых трактов: «датчик - ПЭВМ» и «ПЭВМ

- объект управления». Тракт «датчик – ПЭВМ» включает в себя датчик

освещенности и преобразователь «сопротивление - частота». Тракт «ПЭВМ -

объект управления» предназначен для преобразования полученных

алгоритмом управления номеров ступеней управления в уровень

действующего напряжения на источниках освещения.

В те моменты времени, когда МК готов принять данные о требуемых

ступенях регулирования каждого канала, сигнал ГМК принимает единичное

значение. В ответ программа ПЭВМ, если необходимо, последовательно

передает МК по линии ВМК данные о ступенях управления каждого канала.

Изображенные на рис. сигнальные линии ВП, ГМК и ВМК подключены

к параллельному порту ПЭВМ. Выбор данного порта диктуется тем, что

ТТЛ-сигналы в последнем совместимы по уровню с действующими в блоке

управления. Для определения уровня ЕО алгоритм управления ПЭВМ

определяет длительность периода сигнала, действующего на линии ВП,

затем вычисляет значение уровня ЕО.

Был разработан действующий прототип САУО на основе ПЭВМ. Его

основой являются алгоритмы управления, закодированные на языке Object

Pascal в среде Delphi 5.0. Текст программы приведен в Приложении В.

3.2. САУО на базе микроконтроллера. Структурная схема технических

средств

В ходе проведения экспериментальных исследований был построен и

запрограммирован опытный образец САУО, в полной мере реализующий

оптимальное управление системой освещения помещения (см. рис. 3.2).

Сфера применения САУО, построенной по архитектуре, которая изложена

ниже, - помещения несложной конфигурации с отсутствием

неравномерностей распространения ЕО, для управления освещением в

которых достаточно N=8 каналов управления и L=16 ступеней управления.

83

На рис. 3.5 изображена структурная схема технических средств (ТС)

САУ. Оригинальные ТС сосредоточены в блоке управления (БУ),

предназначенном для решения следующих задач:

преобразование сигнала датчика ЕО в цифровую форму;

выборка вектора S управляющего воздействия в соответствии со

значением сигнала датчика;

регулирование яркости свечения ламп источников в соответствии с

выбранным вектором управляющего воздействия.

БУ состоит из следующих электронных устройств:

программируемого микроконтроллера, выполняющего все основные

функции БУ

преобразователя «Сопротивление – ширина импульса», являющегося

генератором единичных импульсов, ширина которых пропорциональна

сопротивлению датчика ЕО, которое в свою очередь пропорционально

регистрируемой ЕО;

детектора нуля, предназначенного для подачи на микроконтроллер

синхронизирующих единичных импульсов в момент перехода сетевого

фазного напряжения через нуль;

ключей коммутации фазного напряжения для осуществления

регулирования подводимой к источникам освещения мощности

(например, фазоимпульсным методом).

84

Рис. 3.2. Опытный образец системы автоматического управления освещением.

85

Рис. 3.3. Опытный образец системы автоматического управления освещением. Плата микроконтроллера.

86

Рис. 3.4. Опытный образец системы автоматического управления освещением. Вид на коммутационную панель.

87

Рис. 3.5. Структурная схема САУО.

88

Рассмотрим основные принципы работы субблоков блока управления.

Выбор датчиков является одним из важных вопросов, встающих при

построении любой САУ. В данной системе датчиком естественной

освещенности является фоторезистор. Фоторезисторы являются одними из

наиболее дешевых датчиков освещенности, обладающими, однако,

нелинейной характеристикой «освещенность - сопротивление»

(Характеристика фоторезистора, использованного при построении САУО, в

качестве примера изображена на рис. 3.6). По указанной причине они редко

применяются в автоматических системах. В данной задаче нелинейность

датчика не является недостатком, т.к. очень просто может быть

компенсирована программно, что выполняется следующим образом.

Алгоритм управления, работающий на ПЭВМ, получает от БУ цифровой код,

несущий информацию о сопротивлении фоторезистора. Затем, используя

хранящуюся в памяти ПЭВМ характеристику «освещенность –

сопротивление» фоторезистора, по коду выполняется интерполяционная

выборка значения освещенности. Таким образом, нелинейность датчика не

оказывает практически никакого влияния на точность расчетов.

Для передачи информации об уровне ЕО в ПЭВМ в блоке управления

реализован простейший аналого-цифровой преобразователь,

представляющий собой преобразователь сопротивления в ширину импульса

[86]. Преобразователь работает таким образом, что ширина единичных

импульсов, генерируемых преобразователем и подаваемых на

микроконтроллер, тем выше, чем выше уровень ЕО.

89

Рис. 3.6. Характеристка фоторезистора

Синхронизацию работы программы МК с изменением сетевого

напряжения выполняет детектор нуля [87]. На вход этого устройства

подается сетевое напряжение (см. рис. 3.7), на выходе действует нулевой

сигнал, за исключением тех моментов времени, когда сетевое напряжение

переходит через нуль (рис. 3.8).

Основным компонентом БУ является восьмиразрядный

микроконтроллер (МК) типа PIC16C84 производства Microchip.

Микроконтроллер выполняет функции многоканального цифрового

регулятора мощности нагрузки с последовательным входом. В

экспериментальной установке осуществляется регулирование источников

ИО на лампах накаливания, поэтому регулирование среднего напряжения

каждого канала (Источник 1, ... Источник К) осуществляется

фазоимпульсным методом [86]. Нагрузка подключается к сети электронным

ключом через некоторое время после появления очередной полуволны

90

сетевого напряжения. Изменяя это время, потребляемую источниками

освещения мощность можно регулировать практически от нуля до

максимума. Высоковольтный ключ подключает нагрузку, когда от МК

поступает единичный сигнал, и отключает - когда нулевой.

На рис. 3.9 изображен пример управляющего сигнала, а на рис. 3.10 –

соответствующая форма питающего напряжения, подаваемая на источник.

Полностью отключить источник можно, постоянно подавая на

соответствующий ключ нулевой сигнал.

Изображенные на рис. сигнальные линии ПУ и ДПП подключены к

последовательному порту ПЭВМ. Выбор данного порта диктуется

современными стандартами на подключение микроконтроллерных устройств

к ПЭВМ.

Архитектура САУО, работающей на основе автономного модуля (БУ),

не треубующего постоянной связи с ПЭВМ, имеет ряд преимуществ перед

архитектурой, предусматривающей постоянную связь с ПЭВМ:

ПЭВМ не задействована постоянно на выполнение алгоритма управления,

поэтому может использоваться для других целей, следовательно, ее

стоимость не входит в стоимость системы управления;

обычные ПЭВМ и многозадачные операционные системы класса Windows

не предназначены для работы в режиме реального времени, поэтому

удается избежать ситуации, когда ПЭВМ становится «узким местом» в

смысле отказоустойчивости системы управления в целом.

91

72070068066064062060058056054052050048046044042040038036034032030028026024022020018016014012010080604020

1

0

-1

Рис. 3.7. Форма сетевого напряжения

72070068066064062060058056054052050048046044042040038036034032030028026024022020018016014012010080604020

1

0

-1

Рис. 3.8. Выход детектора нуля

72070068066064062060058056054052050048046044042040038036034032030028026024022020018016014012010080604020

1

0

-1

Рис. 3.9. Управляющий сигнал, вырабатываемый МК

72070068066064062060058056054052050048046044042040038036034032030028026024022020018016014012010080604020

1

0

-1

Рис. 3.10. Форма питающего напряжения, подаваемая на

источник освещения

92

В то же время задачу подготовки данных нецелесообразно переносить

в микроконтроллер ввиду резкого усложнения и удорожания схемы

последнего за счет средств интерактивного взаимодействия с пользователем.

В случае выбора архитектуры ТС САУО на основе автономного

модуля стоимость системы уменьшается на величину стоимости ПЭВМ, т.к.

ПЭВМ задействована только для предстартовой подготовки данных и может

затем использоваться по другим назначениям. Кроме этого, если при

постоянном использовании ПЭВМ вероятность отказа САУО составляет

произведение вероятностей отказа ПЭВМ, БУ и датчика :

PСАУО = PПЭВМ PБУ PДАТЧ ,

то без постоянного использования ПЭВМ – увеличивается за счет иключения

первого сомножителя:

PСАУО = PБУ PДАТЧ .

Вероятность PПЭВМ ввиду сложности и громоздкости работающего на

ПЭВМ программного обеспечения в основном определяется вероятностью

программного сбоя ПЭВМ, значительно большей вероятности любого

аппаратного отказа БУ, ПЭВМ или датчика. Таким образом, отказ от

выполнения алгоритма управления на ПЭВМ существенно повышает

надежность системы.

3.3. Принципиальная схема блока управления

Принципиальная схема БУ без ключей коммутации источников

освещения показана на рис. 3.11. К микроконтроллеру (DD4) подключены

следующие периферийные устройства:

энергонезависимая память данных объемом 2 Кбайт для хранения хэш-

таблицы векторов управления (DD1);

одновибратор с управляемой шириной импульса, зависящей от

сопротивления датчика освещенности (DD2);

93

Таблица 3.1

Характеристики МК PIC16С84

Характеристика Значение

Максимальная тактовая частота,

МГц

10

Память программ

тип

размер, байт

размер, слов

EEPROM2

1792

1024 14

Память данных

тип ПЗУ

размер ПЗУ, байт

размер ОЗУ, байт

EEPROM

64

36

Порты ввода-вывода

количество разрядов

нагрузочная спосбоность, мА

13

25

Питающее напряжение, В 2…9

Другие возможности Аппаратный таймер – счетчик

Watchdog – таймер

Возможность

перепрограммирования без

демонтажа из обслуживаемой

системы

2 EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory) - электрически

перепрограммируемое ПЗУ

94

преобразователя уровня ТТЛ-сигналов, действующих внутри БУ, в уровни

интерфейса RS-232 и обратно (DD3);

детектор нуля (U1).

Микроконтроллер PIC16С84 представляет собой восьмиразрядный

RISC-процессор производства Microchip [88], характеристики которого

приведены в табл. 3.1.

Для точной синхронизации МК служит кварцевый резонатор BQ1,

работающий на частоте 8 МГц. На вход сброса MCLR подается напряжение

логической единицы (сброс МК происходит только при включении питания).

Переключатель SB1 служит для переключения БУ в рабочий режим

или режим программирования. Положение переключателя, показанное на

схеме, соответствует рабочему режиму. В этом режиме на входы МК

подключаются одновибратор, детектор нуля; входы RB6, RB7 подключаются

к соответствующим высоковольтным ключам; включается кварцевый

резонатор. В режиме программирования (загрузки кода в память программ)

МК отключается от периферии, могущей внести сбой в процесс

программирования, и от кварцевого резонатора и подключается выводами

RB6, RB7 напрямую к линиям интерфейса RS-232, по которому выполняется

программирование.

В рабочем режиме (положение переключателя SB1, показанное на

схеме) переключатель SB2 переводит БУ в режим управления (положение,

показанное на схеме) или в режим загрузки данных в энергонезависимую

память данных (БИС DD1). В режиме управления ко входу RA3 МК

подключается одновибратор, к выходу RB3 – высоковольтный ключ № 3; в

режиме загрузки данных к указанным линиям подключаются соответственно

выход приемника и вход передатчика RS-232. На входе RA4 МК

присутствует уровень логического нуля в режиме управления и уровень

логической единицы – в режиме загрузки данных.

95

Детектор нуля построен на оптронах U1.1, U1.2 и резисторах R2, R4.

Когда сетевое напряжение, подаваемое с разъема XP3 через резистор R4 на

светодиоды оптронов, превышает по модулю порог срабатывания

оптотранзисторов, хотя бы один из них находится в закрытом состоянии.

При переходе сетевого напряжения через нуль (а также некоторое время до и

после этого) оба транзистора открыты. В результате на выходе детектора

нуля (выводы 6, 7 U1) получаем последовательность относительно коротких

импульсов (см. рис. 3.8), средняя точка каждого из которых совпадает по

времени с моментом перехода сетевого напряжения через нуль. Сигнал с

детектора нуля подается на младший бит порта B микроконтроллера (вывод

6).

Микросхема DD1 энергонезависимой памяти данных представляет

собой электрически перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM) объемом 2 Кбайт

с последовательным доступом по 2-проводной шине стандарта I2C. Шина I2C

в данной схеме представляет собой два провода, связывающие выводы SCL

(синхронизации) и SDA (данных) DD1 и выводы RA0, RA1 МК.

Одновибратор реализован на специально предназначенной для этого

ИС DD2 [89], времязадающая цепь которой состоит из конденсатора C1 и

фоторезистора-датчика ЕО, подключаемого к разъему XP1. ИС К155АГ1

включена в режиме генерации единичного импульса по положительному

фронту выхода детектора нуля.

Преобразователь уровня ТТЛ в уровень передатчика RS-232 и уровня

приемника RS-232 – в уровень ТТЛ выполнен на ИС DD3 типа MAX232

производства Maxim. Назначение его выводов следующее: 13 (R1in) –

приемник RS-232, 14 (T1out) – передатчик RS-232, 12 (R1out) – сигнал

приемника, преобразованный к ТТЛ-уровню, 11 (T1in) – ТТЛ-сигнал,

подлежащий преобразованию в уровень RS-232. Кабель интерфейса RS-232

подключается к разъему XP2.

96

Рис. 3.11. Принципиальная схема блока управления САУО

97

Один МК типа PIC16C84 может управлять до восьми электронными

ключами. Электронный ключ (см. рис. 3.12) выполнен на элементах R6, VT1,

R7, U2, VD1, FU1. Логический двоичный сигнал МК усиливается

транзистором VT1 и подается на светодиод оптрона U2. В те моменты

времени, когда сигнал принимает единичное значение, динистор оптрона

замыкается. Через динистор, представляющий собой в это время диод, и

мост VD1 протекает ток нагрузки. Предохранитель FU1 защищает мост VD1

и оптрон U2 от чрезмерного тока. Когда управляющий сигнал на выходе МК

принимает нулевое значение, светодиод оптрона не излучает, ток нагрузки

через разомкнутый динистор и мост не течет.

Рис. 3.12. Принципиальная высоковольтного ключа БУ.

3.4. Конструктивное исполнение

Технические средства САУО выполнены в виде трех блоков: блока

управления, датчика ЕО и блока питания. Корпус блока управления имеет

размеры 190 200 70 и имеет соответствующее количество отверстий для

вентиляции. На внешнюю панель вынесены: включатель и индикатор

питания, переключатель режима работы SB2. Блок управления соединен с

последовательным портом ПК девятижильным экранированным кабелем,

98

разъем которого вынесен на заднюю панель. Датчик подсоединяется к

соответствующему разъему задней стенки блока управления при помощи 2-

жильного кабеля.

Конструкция корпуса датчика ЕО разработана с учетом следующих

требований: корпус должен исключать попадание на датчик искусственного

света, прямых солнечных лучей, а также - оказывать минимальное влияние

на освещение датчика естественным светом. Наилучшим образом этим

требованиям отвечает корпус, изображенный на рис. 3.2. Датчик

устанавливается в нижней части окна. Высокий козырек препятствует

влиянию на датчик искусственного света при минимальном влиянии на

освещение естественным.

Питание установки напряжением +5 В обеспечивается компактным

блоком питания, совмещенным со штепсельной розеткой. Блок питания

обеспечивает ток до 300 мА.

3.5. Программное обеспечение

В соответствии со структурной схемой оборудования САУО

спроектировано программное обеспечение, архитектурное решение которого

проиллюстрированно на рис. 3.13.

Программный комплекс, работающий на ПЭВМ, работает на основе

базы данных (БД), объединяющей в себе всю постоянную информацию об

объекте и системе управления. Редактирование БД осуществляется при

помощи программы подготовки (редактирования) данных. По окончании

редактирования для каждого возможного значения ЕО рассчитывается,

согласно алгоритму управления, вектор управления, затем полученная

таблица векторов управления пересылается на БУ.

Программа, работающая на МК, в режиме загрузки данных принимает

таблицу управляющих векторов от ПЭВМ, а в режиме управления (без связи

с ПЭВМ) пользуется хранящейся таблицей для управления источниками ИО,

регулируя потребляемую ими мощность фазоимпульсным методом.

99

Рис. 3.13. Архитектура программного обеспечения САУО.

3.5.1. Структура БД. На рис. 3.14 представлена логическая модель БД

САУО в виде диаграммы "Сущность - связь". Сущности, каждой из которых

соответствует одна таблица БД, обозначены прямоугольниками, в верхней

части которых указано имя сущности, в нижней - имена атрибутов, каждому

из которых соответствует одно поле таблицы. Любая сущность имеет также

один атрибут-идентификатор (ключ), не демонстрируемый в логической

модели.

Информация о РЗ и точках нормирования хранится в таблицах

"Рабочая зона" и "Точка", связанных отношением 1:4. Количество записей в

таблице"Рабочая зона" равно М/4, в таблице "Точка" - М. Для РЗ хранится

норма освещенности, а также, если необходимо, наименование. Для каждой

точки нормирования в БД содержатся координаты как самой точки, так и

нормали к ее поверхности. КЕО точки относительно каждого из источников

искусственной освещенности хранятся в таблице "Коэффициент

100

искусственной освещенности", причем каждой точке нормирования

соответствует Ке записей.

Источник искусственной освещенности (таблица "Источник")

характеризуется, помимо идентификатора, лишь типом (таблица "Тип

источника"). В свою очередь, тип характеризуется номинальным

напряжением, а также характеристиками (r) и (r), каждая из которых

хранится в таблице "Характеристика источника" в виде L+1 записей. Кроме

этого, в таблице "Точка КСС" для каждого типа источников хранится

табулированная кривая силы света.

Источник искусственного освещения состоит из отдельных

светильников. Данные о светильниках хранятся в одноименной таблице и

содержат координаты, номинальную мощность и признак работоспособности

светильника.

Матрица P вкладов источников в освещенность точек в БД

представляет собой таблицу "Освещенность, обеспечиваемая источником".

Таким образом, для каждой пары источник-точка хранится значение

искусственной освещенности.

101

Рис. 3.14. Диаграмма «Сущность – связь» БД САУО.

102

3.5.2. Программа подготовки данных. Ввод и редактирование данных об

объекте управления и источниках освещения, а также мониторинг работы

САУО производится с помощью специальной программы для ПЭВМ,

работающей в среде Windows 95 (или более поздней). Для нормальной

работы программы ПК должен быть оснащен не менее чем 8 Мбайт

оперативной памяти.

Информация вводится и редактируется путем заполнения экранных

таблиц. Редактируются следующие разделы БД.

1. Информация об объекте управления: наименования и нормы

освещенности рабочих зон, координаты и КЕО точек, входящих в каждую

рабочую зону. Информация заносится в две таблицы, расположенные на

вкладке «Рабочие зоны» (см. рис. 3.15). При выборе некоторой строки в

левой таблице (некоторой рабочей зоны) в правой отображаются данные

только тех точек нормирования, которые входят в выбранную рабочую

зону).

2. Информация об источниках освещения. Для каждого источника

выбирается тип применяемых светильников (левая таблица на рис. 3.16),

а также вводятся координаты светильников, входящих в источник, и

признаки работоспособности каждого светильника (правая таблица).

3. Информация о типах применяемых светильников. Для каждого типа (см.

левую таблицу на рис. 3.17) вводится наименование, номинальное

напряжение, номинальный потребляемый ток. Кроме этого, каждому типу

соответствует таблица коэффициентов изменения освещенности (r) и

коэффициентов изменения напряжения (r) (средняя таблица на рис.

3.17), а также – табулированный вид кривой силы света (правая таблица).

103

Рис. 3.15. Параметры рабочих зон и точек нормирования.

Рис. 3.16. Параметры источников освещения.

104

Рис. 3.17. Данные о типах применяемых светильников.

Рис. 3.18. Содержимое матрицы P.

Результатом работы программы подготовки данных является итоговая

матрица вкладов P, каждый элемент pij которой содержит освещенность,

обеспечиваемую i-м источником в j-й точке нормирования при условии, что

другие источники искусственного и естественного света неактивны. Расчет

матрицы выполняется по окончании ввода данных в перечисленные выше

таблицы нажатием кнопки «Расчет итоговой матрицы». Итоговая матрица

105

отображается на одноименной вкладке окна программы подготовки данных

(см. рис. 3.18).

Подготовка таблицы векторов управления и передача ее в БУ

осуществляются командой “Загрузка в контроллер” (см. рис. 3.18). После

нажатия соответствующей кнопки в правом поле окна демонстрируется

информация, передаваемая в БУ в текущий момент времени.

Подготовка таблицы векторов управления выполняется по одному из

алгоритмов управления из числа рассмотренных в разделе 2. Алгоритм

управления выполняется для каждого значения возмущаещего воздействия

(уровня ЕО), в результате чего для МК подготавливается таблица

“возмущающее воздействие – управляющее воздействие” для каждого

значения возмущающего воздействия. Тексты процедур на языке Object

Pascal, каждая из которых выполняет один из алгоритмов управления,

приведены в Приложении В.

3.5.3. Мониторинг процесса управления. Программа, обеспечивающая

работу САУО на ПЭВМ, может выполнять мониторинг работы САУО. Для

выполнения мониторинга необходимо соединить кабелем БУ, выполняющий

управление системой освещения, с портом интерфейса RS-232 ПЭВМ. На

вкладке «Мониторинг» демонстрируется диаграмма изменения

регистрируемой ЕО, а также мгновенное значение ЕО (см. рис. 3.19).

На диаграмме, отображаемой в основном поле окна, в графическом

виде фиксируется уровень естественной освещенности, наблюдаемой

датчиками системы. В окнах, расположенных правее кнопки «Старт»,

отображаются текущие ступени управления имеющихся источников ИО.

В статусной строке, расположенной в нижней части окна,

отображается (слева направо):

длина принимаемого ПК импульса, несущего информацию об уровне ЕО;

уровень ЕО, полученный в результате масштабирования показаний

датчика;

106

вектор битов управления, посылаемый на источники освещения;

текущее количество повторов выполнения алгоритма (циклов управления).

Рис. 3.19. Диаграмма изменения ЕО.

3.5.4. Программа микроконтроллера. Микроконтроллер (МК) блока

управления работает по специально разработанной программе. В табл. Г-4.1

приведены переменные, используемые в программе МК.

МК работает на основе прерываний, что означает, что после

инициализации переменных и аппаратных флагов (см. блок-схему на рис. Б-

2.10) МК выполняет все свои действия только в процедуре обработки

прерывания. Сигнал прерывания поступает на МК при переходе сетевого

напряжения через нуль, т.е. каждые 10 мс. В ходе прерывания МК работает

по алгоритму, изображенному на рис. Б-2.11.

107

РАЗДЕЛ 4

Исследование и пути улучшения характеристик САУО

4.1. Устойчивость

Разработанная система относится к разомкнутым САУ, не содержащим

обратной связи и работающим по внешнему возмущению. Вследствие этого

САУО принципиально не может войти в неустойчивое состояние и вопрос об

условиях устойчивости не рассматривается.

4.2. Качество управления

Для определения времени реакции системы на возмущение

рассмотрим реакцию системы управления на внешнее воздействие

ступенчатой формы. На рис. 4.1 изображено мгновенное изменение

естественной освещенности Eест (линия большей толщины), а также

изменение суммарной освещенности Ej в некоторой j-й точке помещения

(линия меньшей толщины).

Еест , Еj

t

tупр

Рис. 4.1. Время реакции САУО на ступенчатое возмущение

108

В течение интервала времени tупр регулируемая величина Ej

значительно отклоняется от нормального значения, а САУО выполняет

регулирование с целью возврата регулируемой величины к нормальному

значению.

Интервал tупр строго равен длительности такта работы БУ САУО:

tупр = tтакта (4.1)

Вид выражения (4.1) определяется алгоритмом работы БУ САУО,

который предусматривает вывод управляющего воздействия

(непосредственно сокращение потребляемой мощности) уже на следующем

такте работы системы после получения цифровых показаний с датчиков ЕО

(см. рис. 4.2)

tтакта - длительность такта работы БУ САУО,

tАЦП - время аналого-цифрового преобразования БУ,

tПр.Реш. – время принятия решения МК БУ.

Рис. 4.2. Продолжительность реакции на возмущение.

Произведем оценку каждого из приведенных интервалов времени.

1. Величина tтакта определяет, с какой периодичностью выполняется алгоритм

регулирования мощности и полностью определяется частотой

промышленной сети переменного тока: tтакта составляет половину

109

длительности периода сетевого напряжения, т.е. tтакта = 10 мс для сетей стран

СНГ.

2. В реализованном варианте САУО аналого-цифровое преобразование

выполнено посредством преобразования сопротивления в частоту. Как

известно, такой способ преобразования не дает высокого быстродействия.

Однако, удалось так подобрать электронные компоненты, чтобы несущая

информацию об уровне естественной освещенности ширина импульса

лежала в пределах приблизительно 0…8 мс (соответственно для

освещенности от 60000 до 0 лк).

3. При использовании алгоритма, выбирающего регулирующий сигнал из

заранее рассчитанной таблицы, все расчеты выполняются ПЭВМ перед

стартом системы (не в режиме реального времени). Величина tПр.Реш. при этом

составляет микросекунды и ей, таким образом, можно пренебречь.

Таким образом, удалось достичь tАЦП + tПр.Реш. tтакта при любых

условиях.

В реализованном варианте САУО процесс вывода управляющей

информации представляет собой регулирование потребляемой мощности

фазоимпульсным методом. Таким образом, уже в следующем за моментом

принятия решения такте БУ обеспечивает освещенность, отвечающую

изменившимся условиям. Следовательно, имеем tупр = 10 мс.

Ошибка управления системы определяется следующим образом:

= | Zt - Xt | ,

где Zt - задающее воздействие в некоторый момент времени,

Xt - фактическое состояние САУО в тот же момент времени.

Оценим ошибку управления для случая, когда точное управление возможно,

т.е. система ИО, светильники которой включенны на некоторую яркость, в

каждой расчетной точке физически может обеспечить освещенность, равную

Eнорм.

Суммарная ошибка управления:

110

= град. + АЦП + расчета,

где град. - ошибка градиуровки датчика;

АЦП - ошибка аналого-цифрового преобразования;

расчета - ошибка расчета.

При градиуровке датчика эталонным люксметром выполняется

измерение освещенности в одной плоскости с датчиком и в

непосредственной близости от него. При помощи лабораторной лампы

изменяется освещенность и снимаются показания люксметра и датчика.

Далее выполняется расчет вектора коэффициентов пересчета длительности

времени импульса в освещенность. При работе системы управления

указанный вектор используется как характеристика, путем интерполяции по

которой выполняется подбор текущего коэффициента пересчета. Таким

образом, град. складывается из погрешности эталонного люксметра и ошибки

интерполяции. При проведении испытаний системы использовался люксметр

Ю116, погрешность измерения которого составляет 0,5 %. При интеполяции

используется зависимость, содержащая достаточно большое число точек для

того, чтобы погрешностью интерполяции можно было пренебречь.

Алгоритм выработки управляющего воздействия работает с

действительными числами, каждое из которых представляется восемью

байтами, что позволяет производить вычисления с точностью до

шестнадцатого знака после запятой. Таким образом, расчет, выполняемый на

ПЭВМ, существенно на точность работы САУО не влияет.

Механизм АЦП, основанный на преобразовании электрического

сопротивления датчика освещенности в ширину импульса,

запрограммирован (см. Приложение В) таким образом, что длительность

импульса на входе БУ колеблется (в зависимости от уровня ЕО) от 0 до 8184

мкс, причем МК «отмеряет» длительность с шагом 8 мкс. Таким образом,

разрядность АЦП составляет 10 разрядов; результатом преобразования

111

является число от 0 до 1023. Следовательно, АЦП составляет 1/1024*100%

0,1 %.

Погрешность, возникающая в результате дискретности управления

источниками, заключается в том, что яркость светильников может

принимать только дискретные значения. По этой причине в некоторой точке

в общем случае невозможно обеспечить точно требуемую освещенность.

Ошибка дискретизации системы определяется для каждого источника

следующим образом:

,

где Ei – освещенность, обеспечиваемая источником на ступени i.

В реализованном варианте САУО (шестнадцать ступеней управления)

ошибка дискретизации всегда положительна (что определяется целью

управления – неравенством (1.3)) и для отдельного источника составляет

величину около +6,7 %. Следует, однако, учитывать, что при использовании

нескольких ИИО алгоритм управления выдает такие ступени для каждого

источника, чтобы суммарная освещенность минимально отличалась от

требуемой. Таким образом, происходит компенсация ошибок дискретизации

отдельных источников. Суммарную ошибку дискретизации в этом случае

можно оценить как +1…3%, и в любом случае она не превышает величину

+6,7 %, что вполне согласуется с требованием [28] (+ 20 %).

Консультации со специалистами в области освещения показали, что

выбранное для экспериментальной реализации системы количество ступеней

управления, равное шестнадцати, является:

достаточным для обеспечения гибкости управления;

предоставляет значительно более широкие возможности по сравнению с

управлением включением-отключением;

обеспечивает достаточную точность.

Тем не менее, если эксплуатация в конкретных условиях, требующих

более высокой точности регулирования освещением, чем определяет [28],

112

показывает что ошибка дискретизации (определяемая исключительно

количеством ступеней регулирования) оказывается неприемлемой,

уменьшить ее можно, увеличив количество L ступеней регулирования. При

этом требования к аппаратуре САУО возрастают пропорционально log 2 (L).

Реализация БУ САУО на цифровой элементной базе диктует выбор L из ряда

2n, где n – натуральное число.

Из вышеприведенного анализа следует, что значение суммарной

ошибки колеблется от –0,6 до +7,3 %. Такое значение удовлетворяет

существующим нормам ошибки [28] :

0,9EH EФ / KЗ 1,2EH ,

где EH - нормативное значение освещенности рабочей зоны

EФ - фактическое значение освещенности рабочей зоны

KЗ - коэффициент запаса.

Таким образом, в наихудших условиях САУО работает с ошибкой

–0,6…+7,3 %, при том что требования стандарта допускают ошибку, равную

–10…+20 %.

4.3. Грубость

Ряд исследователей подчеркивают [43, 44] важность некоторого

загрубления систем автоматического управления освещением (САУО),

работающих по возмущению – уровню естественной освещенности. При

этом целью загрубления не является повышение устойчивости (что имеет

место в системах управления с обратной связью), а достижение лучших

субъективно оцениваемых свойств системы. Опросы пользователей

существующих САУО показывают, что слишком быстрая реакция системы

управления на внешнее воздействие (а именно – изменение условий

естественной освещенности) нежелательна. Так, кратковременный заслон

солнца облачностью не должен приводить ко мгновенному включению

искусственного света: большинство пользователей предпочитают

113

проработать несколько минут в условиях заниженной освещенности, чем

многократно адаптироваться к каждому переключению освещения с

естественного на искусственное и обратно.

В рамках данной работы было проведено изучение ряда известных

методов повышения грубости (робастности) [90-94], два из которых были

выделены для сравнения эффективности обеспечения грубости САУО. Метод

фильтрации входного воздействия [94] является одним из наиболее часто

используемых методов загрубления входа системы управления. Фильтр

низких частот используется в этом случае как средство отсечь шумовые

высокочастотные составляющие входного сигнала и выделить полезные

низкочастотные. Работа цифрового фильтра описывается следующими

выражениями:

где xn – исходный ряд отсчетов, возникающих на входе возмущающего

воздействия САУО

N – количество анализируемых отсчетов во входных данных

ck – k-я составляющая спектра входного сигнала

– k-я составляющая спектра преобразованного сигнала

– преобразованный ряд отсчетов, соответствующих

отфильтрованному возмущающему воздействию

kср – частота среза.

В данном применении метода цифровой фильтрации целесообразно

применять так называемое кратковременное преобразование Фурье –

исследовать лишь часть последовательности входного сигнала длины N.

114

Выбирают отрезок соответствующей длины, после чего, передвигая окно

вдоль последовательности, так, чтобы правый край отрезка совпадал с

последним поступившим отсчетом, получают набор спектральных

коэффициентов, зависящих от положения отрезка.

Вторым методом обеспечения загрубления чувствительности ко

входным воздействиям является усреднение последних N отсчетов входного

воздействия [94]:

Оценка эффективности методов загрубления производилась прежде

всего по критерию количества переключений системы управления

освещением при равных условиях использования методов. Эксперименты по

обработке реальных данных об уровне естественной освещенности показали

одинаковую эффективность обоих методов. Часть экспериментальных

данных приведена в табл. 4.1.

Следует также учесть результат сравнения методов по

дополнительным критериям:

1. Метод усреднения гораздо менее ресурсоемок, чем метод цифровой

фильтрации (на 2-3 порядка, в зависимости от разрядности фильтрации и

других параметров).

2. Метод фильтрации обеспечивает меньшее запаздывание. Особенно

значительно запаздывание проявляется в случае устойчивой тенденции к

изменению освещенности в какую-либо сторону (см. рис. 4.5).

115

Таблица 4.1

Эффективность методов загрубления

№

экспе-

римента

Количество

переключений

системы без

применения методов

загрубления

Количество

переключений

системы с

применением метода

фильтрации

Количество

переключений

системы с

применением метода

усреднения

1 288 17 17

2 14 2 2

3 15 2 2

4 88 6 6

5 461 13 14

6 44 18 17

Среднее 151,7 9,7 9,7

Эксперименты также показали, что перед использованием как первого,

так и второго метода целесообразно выполнять отсечение выбросов сигнала,

доставляющих значение первой производной, превышающей некоторое

пороговое значение:

,

где vn – текущий отсчет на входе возмущения

vn-1 – предыдущий отсчет на входе возмущения

vmax – максимально возможное значение скорости изменения

возмущения

В подтверждение на рис. 4.3, 4.4 изображен результат обработки

возмущающего воздействия соответственно с применением ограничения

производной и без него. В первом случае колебания обработанного сигнала

116

имеют меньшую амплитуду, его значения находятся ближе к

преимущественному значению освещенности.

Для наиболее полного использования преимуществ алгоритма

цифровой фильтрации необходимо правильно подобрать значение частоты

среза. В качестве примера на рис. 4.6 изображена обработка той же

последовательности, что на рис. 4.3, но с частотой среза, большей в десять

раз. Таким образом, оптимальное значение частоты среза определяется

минимально допустимым временем между переключениями системы

освещения и при значениях последнего 20 – 40 мин. составляет 0,0005 –

0,001 Гц. При практической реализации алгоритма в работающем образце

системы управления данный параметр необходимо выполнить

настраиваемым.

117

Рис. 4.3. Обработка входного воздействия при помощи алгоритмов

фильтрации и усреднения

Рис. 4.4. Обработка входного воздействия при помощи алгоритмов

фильтрации и усреднения без ограничения производной

118

Рис. 4.5. Обработка входных данных, демонстрирующих устойчивую

тенденцию

Рис. 4.6. Обработка входной последовательности при меньшей частоте среза

119

4.4. Экономические показатели

В любом производственном процессе под повышением эффективности

понимается повышение показателя производительность / затраты.

Продукцией осветительных установок является световой поток,

падающий на рабочую поверхность, затратами - единовременные

капитальные затраты на осветительные установки и расходы на содержание

осветительных установок, в первую очередь на замену источников света и на

оплату электроэнергии.

Таким образом, задача повышения эффективности осветительных

установок сводится к сокращению как непосредственно капитальных затрат,

так и эксплуатационных расходов, т.е. к сокращению расхода

электроэнергии.

Экономия электроэнергии при применении САУО достигается за счет

значительного сокращения времени использования установок

искусственного освещения, т.е. рационального использования естественного

света. Принцип действия САУО состоит в периодическом измерении уровня

естественной освещенности и соответствующем регулировании напряжения

на светильниках помещения. При необходимости САУО полностью

отключает некоторые группы светильников. Каких-либо ограничений на

типы уже установленных в помещении светильников при этом не

накладывается. Определим годовую экономию средств, получаемую

предприятием за счет внедрения САУО.

Годовая экономия СЭ от внедрения САУО составляет:

СЭ = СРЕГ + СЭЗ,

где СРЕГ - стоимость сэкономленной в результате использования САУО за

год электроэнергии, грн.

СЭЗ - размер сокращения затрат на эксплуатацию осветительной

установки.

120

Рис. 4.7. Суточное изменение естественной освещенности.

Для определения количества электроэнергии, экономящейся при

использовании САУО, воспользуемся данными о естественной

освещенности, наблюдаемой в каждое время года на широте Киева

(приблизительно 50° с.ш.). В течение дня естественная освещенность

изменяется по кривой, вид которой приведен на рис. 4.7. В табл. 4.2

приведены среднестатистические сезонные значения ЕMAX, а также средние

значения ЕПР прироста и спада освещенности в течение дня [4].

Достаточный уровень освещенности определяется следующим

образом:

ЕДОСТ = ЕНОРМ / е,

где ЕНОРМ - уровень освещенности, требуемый в соответствии с

нормативными документами [28] для работы, выполняемой в помещении,

е - коэффициент естественной освещенности (КЕО) помещения.

121

Таблица 4.2

Среднесезонные значения максимальной суточной освещенности ЕMAX и

прироста и спада освещенности в течение дня ЕПР

Время года ЕMAX, Лк ЕПР, Лк TДОСТ, ч ТРЕГ, ч

Весна 12 000 1 770 4,17 2,83

Лето 18 750 2 420 5,84 1,16

Осень 12 500 1 860 4,24 2,76

Зима 4 900 710 0,40 6,60

Для производственных помещений и офисов учреждений КЕО

колеблется в пределах 0,01...0,12 [75], поэтому для оценочного расчета в

среднем может быть принят равным 0,065. Значение Е НОРМ нормируемого

уровня освещенности для различных категорий зрительных работ составляет

30 ... 1500 Лк. Большинство работ, выполняемых рабочими и служащими

основных производств и видов конторской деятельности, относятся к

работам категории средней или высокой точности, поэтому нормируемый

уровень в среднем примем равным 300 Лк [28].

Среднее значение времени ТДОСТ (см. рис. 4.7), в течение которого

естественная освещенность достаточна и применение искусственного

освещения не требуется, рассчитывается для каждого сезона как:

ТДОСТ = 2 (ЕМАХ - ЕДОСТ) / ЕПР.

Следовательно, время ТРЕГ, в течение которого используется

искусственный свет, а значит осуществляется автоматическое управление

освещением, рассчитывается как:

ТРЕГ = ТРД - ТПЕР - ТДОСТ,

где ТРД - продолжительность рабочего дня, ч (принимается для

односменной работы равным 8 ч),

122

ТПЕР - продолжительность перерывов, приходящихся на светлое время

дня, ч (принимается равным 1 ч).

Значение ТРЕГ, рассчитанные для каждого сезона, приведены в табл.

4.2. Среднегодовое время ТРЕГ.СР, в течение которого осуществляется

автоматическое регулирование освещения, таким образом, составляет:

ТРЕГ.СР = 3,34 ч.

При регулировании напряжения на светильниках системы освещения в

среднем достигается следующая дневная экономия электроэнергии Э РЕГ, кВт

• ч (KU - коэффициент, показывающий отношение фактического напряжения

на лампах к номинальному (для различных типов ламп минимальное

значение KU составляет около 0,2; здесь для получения оценки снизу

экономического эффекта примем KU = 0,9); Р - мощность осветительной

установки, кВт):

ЭРЕГ = Р (1 - KU1,58) ТРЕГ = 0,511 P - при применении ламп накаливания

(ЛН);

ЭРЕГ = Р (2,43 - 2,43KU) ТРЕГ = 0,811 P - при применении дуговых ртутных

люминесцентных ламп (ДРЛ);

ЭРЕГ = Р (1,26 - 1,26KU) ТРЕГ = 0,421 P - при применении люминесцентных

ламп (ЛЛ) с пускорегулирующим аппаратом типа УБК;

ЭРЕГ = Р (3,5 - 3,5KU) ТРЕГ = 1,169 P - при применении дуговых ксеноновых

трубчатых ламп (ДКсТ).

Таким образом, после внедрения САУО потребление электроэнергии

системой освещения сократится в среднем на 13 % от прежнего потребления

(для системы освещения на люминесцентных лампах, что имеет место в

большинстве случаев).

Стоимость сэкономленной электроэнергии составляет:

СРЕГ = ЭРЕГ nГ,

123

где - тариф на электроэнергию, грн. / кВт • ч,

nГ - число рабочих дней в году.

Размер СЭЗ экономии за счет сокращения эксплуатационных затрат

возникает ввиду увеличения срока службы ламп. Увеличение срока службы

происходит вследствие работы ламп под напряжением, меньшим

номинального, и в расчете на каждую лампу составляет [4]:

= РЕГ - Н = Н Kum - Н = Н (Ku

m - 1),

где Н - номинальный срок службы лампы, ч,

РЕГ - срок службы лампы, регулируемой САУО, ч.

m - коэффициент, определяемый конструкцией лампы. Для ЛН и ламп

ДКсТ m = -14, для ЛЛ и ДРЛ m = -3,2.

Для ЛЛ получаем = 0,401Н, т.е. срок службы каждой лампы

продлевается на 40 %.

Следовательно, СЭЗ определяется как:

СЭЗ = n (ЦЛ + ЦЗЛ) / Н = (Kum - 1) (ЦЛ + ЦЗЛ),

где ЦЛ и ЦЗЛ - соответственно стоимость лампы и стоимость ее замены,

грн.,

n - количество ламп в осветительной установке, шт.

Таким образом, при внедрения автоматического управления

освещением экономический эффект составляет около 13 % стоимости

расходуемой осветительной установкой электроэнергии. Помимо этого

приблизительно на 40 % продлевается срок службы каждой лампы системы

освещения. Повсеместное внедрение автоматического управления

освещением позволило бы в масштабах страны достичь 1,7 % экономии

электрической энергии.

124

4.5. Моделирование работы САУО с различными объектами управления

В рамках данной работы был проведен ряд экспериментов по

моделированию управления освещением в различных помещениях.

Эксперименты проводились со следующими целями:

подтверждение сравнительных характеристик алгоритмов управления и

выводов об услових применимости каждого алгоритма;

проверка наличия экономического эффекта от внедрения САУО.

Моделирование проводилось в следующих условиях. В качестве

объектов управления было выбрано два помещения, параметры которых

представлены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Параметры помещений, использовавшихся для моделирования

Параметр Помещение 1 Помещение 2

Площадь, м2 40 79,4

Количество рабочих мест 16 14

Количество стен с оконными

проемами

1 2

Количество отдельно управляемых

источников освещенияй

6 8

Количество светильников в одном

источнике

2 1

Общая мощность системы ИО,

включенной на полную мощнсть, Вт

480 576

Выработка управляющего воздействия выполнялась поочередно при

помощи трех алгоритмов:

1. Полного переборного алгоритма.

125

2. Алгоритма равномерного освещения.

3. Алгоритма выгодных источников.

В качестве возмущающего воздействия подавались значения

естественной освещенности, полученные в результате реального наблюдения

за естественной освещенностью. Для моделирования отобраны пять дней,

среди которых имеются преимущественно солнечные, полностью пасмурные

и с переменной облачностью. Для каждого дня значения естественной

освещенности следуют для времени от 9-00 до 18-00 с шагом 40 с.

Моделирование проводилось на ПЭВМ Pentium-III 800 МГц по

следующей методике.

1. Модель каждого помещения была заложена в базу данных «Программы

подготовки данных».

2. Для всех возможных значений возмущения – значений уровня ЕО,

которые могут быть получены с датчика (в данной реализации САУО

количество различных возмущений равно 1024) для каждого алгоритма был

получен вектор управления.

3. Выполнено моделирование управления СО каждого помещения для

каждого светового дня при помощи каждого алгоритма управления; проведен

статистический анализ полученных данных.

Результаты моделирования сведены в табл. 4.4 – 4.6.

Табл. 4.4 демонстрирует время счета для всех возможных значений

возмущения (время выполнения пункта 2 методики) для каждого алгоритма.

Время счета переборного алгоритма на несколько порядков превышает

таковое для других алгоритмов.

Табл. 4.5 показывает экономическую эффективность алгоритмов

управления. Так, переборный алгоритм (1) является (по определению)

максимально эффективным, однако, алгоритмы 2 и 3 отстают от него лишь

на 2 – 3 %. Столбец «Максимальная экономия» показывает, сколько

электроэнергии сэкономило бы применение САУО в каждом помещении, в

126

случае, если без САУО освещение использовалось бы в течение всего

рабочего дня. Результаты экономии для помещения 1 выше, т.к. оно в целом

является более «светлым».

Таблица 4.4

Время счета для всех значений возмущения

Время счета, с

Алгоритм 1 Алгоритм 2 Алгоритм 3

Помещение 1 9293 7 9

Помещение 2 207360 9 44

Таблица 4.5

Затраченная энергия и размер максимальной экономии

Затраченная энергия, Вт Максимальная экономия, %

Алг. 1 Алг. 2 Алг. 3 Алг. 1 Алг. 2 Алг. 3

Помещение 1 526 538 537 87,83 87,55 87,57

Помещение 2 4008 4081 4128 22,76 21,35 20,44

Показанная в табл. 4.6 величина отклонения от точного решения

вычислена следующим образом:

,

где T – количество отсчетов в наблюдении, когда система осуществляла

управление, т.е. объект управления находился в ненадлежащем состоянии ,

Еалгj – освещенность, обеспеченная в j-й точке помещения при помощи

алгоритма номер ( = 2, 3). В эксперименте было принято Eнорм = 100 Лк,

поэтому величины в табл. 4.6 численно соответствуют процентным

отклонениям.

Таблица 4.6

Отклонение от точного решения

127

Среднее отклонение от точного решения, Лк, %

Алгоритм 2 Алгоритм 3

Помещение 1 1,99 1,41

Помещение 2 0,95 1,31

Из табл. 4.5, 4.6 видно, что для помещения 1 больше подходит

алгоритм наиболее выгодных источников, для помещения 2 – алгоритм

равномерного освещения, что определяется особенностями помещений.

Однако, разница в эффективности этих алгоритмов относительно невелика.

Время счета переборного алгоритма настолько велико, что его применение

не оправдано при количестве источников, превышающем шесть.

4.6. Выводы

Разработанная система управления относится к САУ, работающим по

возмущению, следовательно, является устойчивой по определению.

Качество управления характеризуется в данном случае в основном

временем реакции на возмущение и ошибкой управления.

Время реакции системы на возмущение является постоянной

величиной и составляет 10 мс. Ошибка управления зависит в основном от

погрешности дискретизации и составляет –0,6…+7,2 %, что согласуется с

нормами СНиП. Сокращение ошибки управления может быть достигнуто

увеличением количества ступеней управления каждым ИИО (т.е.

увеличением шагов дискретизации), а также увеличением точности аналого-

цифрового преобразования.

Важным свойством системы управления освещением является

определенная грубость алгоритма управления. Предложены два способа

введения такой грубости в работу САУО: фильтрация и усреднение

возмущающего воздействия.

128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема энергосбережения является одной из наиболее актуальных

задач современной отечественной и мировой науки. Потребление

электрической энергии осветительными установками составляет

значительную часть электропотребления технических средств.

Для обеспечения высокой эффективности системы автоматического

управления ее разработка проводилась в четыре этапа:

исследование условий задачи автоматического управления освещением,

современных достижений науки в исследуемой сфере;

формулирование математического описания объекта управления,

возмущающего воздействия и цели управления;

разработка алгоритмов управления освещением производственного

помещения и опытного образца самой системы управления;

изучение свойств и характеристик САУО, выработка дополнительных

предложений по улучшению ее свойств.

Таким образом, диссертация включает в себя комплекс теоретических

и экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию свойств

и расширение возможностей разрабатываемой системы управления. В

результате исследования зарубежного опыта построения подобных систем в

целом подтверждена правильность выбранных при разработке направлений,

а также почерпнута основа для ряда последующих научных решений.

Результатом теоретических исследований управления освещением

явились четыре алгоритма управления, каждый из которых имеет свою

предпочтительную сферу применения. Каждый из алгоритмов

запрограммирован и опробован на математической модели объекта

управления.

В результате экспериментальных исследований удалось предложить

оптимальные варианты построения технических и программных средств

129

САУО. Разработанный диссертантом опытный образец системы обладает

характеристиками, позволяющими управлять освещением практически

любого производственного помещения.

Результаты исследований и разработок могут быть использованы

непосредственно на производстве для:

сокращения количества электроэнергии, используемой на нужды

освещения;

постоянного обеспечения надлежащих условий труда сотрудников по

фактору освещенности;

По результатам исследований опубликовано пять печатных работ.

Основные положения и результаты исследований докладывались автором и

получили одобрение на объединенном научном семинаре кафедр СевГТУ

(2000 г.), научных семинарах кафедры СПАС (1998 - 2000 гг.), конференции

"Энергетика - 2000" (Севастополь, 1999 г.).

130

ЛИТЕРАТУРА

1. Mills E. Global Lighting: 1000 Power Plants // IAEEL newsletter. - 2000. - №

1-2. - P. 1-4.

2. Aizenberg J., Mills E. Light from Glastnost // IAEEL newsletter. - 1993. - №3.

- P. 22-25.

3. Picone J. Automatic Light Control Device. - Mississippi State University,

2001. - 21 p.

4. Кунгс А. Я., Фаермарк М. А. Экономия электрической энергии в

осветительных установках. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.

5. Fontoynont M. Daylighting Performance of Buildings: 60 European case

studies // Right Light 4 Proceedings. - 1998.

6. Ottonson A., Stillesjo S. Examples of Technology Procurement and

Demonstration of Energy-Efficient Lighting - a Swedish Approach // Right

Light 3. - 1995. - P. 517-524.

7. Min G., Miles E. China - a Lighting Giant // IAEEL Newsletter. - 1994. - № 3.

- P. 34-36.

8. Borg N. Efficiency in Commercial Buildings // IAEEL Newsletter. - 1997. - №

3-4. - P. 16.

9. Slater A., Bordass B., Heasman T. Give People Control of Lighting Controls //

IAEEL Newsletter. - 1996. - № 3. - P. 22-25.

10. Levy A. Lighting Controls, Patterns of Lighting Consumption, and Energy

Conservation // IEEE Transactions on Industry Applications. - 1980. - Vol.

1A-16. - № 3. - P. 419-427.

11. Galasiu A., Atif M., MacDonald R. Field performance of daylight-linked

lighting controls // IES Conference Proceedings, Ottawa, Ontario, Aug. 5-8

2001. - Ottawa. - 2001. - P. 207-215.

12. Loe D. Task and Building Lighting: The Link Between Lighting Quality and

Energy Efficiency // Right Light 4 Proceedings. - 1997. - P. 15.

131

13. Lee E., DiBartolomeo D. Integrated perfomance of an Automated Venetian

Blind/Electric Lighting System in a Full-Scale Private Office // Proceedings

of the ASHRAE/DOE/BTEC Conference. - Florida. - 1998. - P. 1-12.

14. D. L. DiBartolomeo, E. S. Lee. Developing a Dynamic Envelope/Lighting

Control System with Field Measurements // Journal of the Illuminating

Engineering Society. - 1996. - № 26 (1). - P. 146-164.

15. Jennings J., Rubinstein F., DiBartolomeo D. Comparison of Control Options

in Private Offices in an Advanced Lighting Controls Testbed. - Berkeley:

University of California, 2000. - 26 p.

16. Floyd D. B. Daylight Savings: Not an Easy Catch // IAEEL newsletter. -

1994. - № 4. - P. 23-26.

17. Weersink A. Lighting and Overall Energy Performance of office Buildings //

Energy-Wise News. - 1997. - № 53. - P. 2.

18. Schalin B., Helvar O. The Use of Distributed Intelligent Control in Energy

Efficient Lighting Systems // Right Light 3. - 1995. - P. 212-222.

19. Dilouie C. Manual vs. Dimming Controls. - Lawrence Berkley National

Laboratory. - 1996. - 5 p.

20. Buddenberg A., Visser R. Strategies for Technologies Procurement in

Creating Energy-Efficient Lighting Installations // Right Light 4. - 1997. -

Volume 1. - P. 187-194.

21. Automated On/Off Lighting Controls: Report of Pacific Energy Center /

Pacific Energy Center. - Los Angeles. - 1997. - 5 p.

22. Loe D., Davidson P. A Holistic Aproach to Lighting Design // IAEEL

Newsletter. - 1997. - № 2. - P. 36-41.

23. Vesser R. Occupancy Sensors for the Home // IAEEL Newsletter. - 1997. - №

2. - P. 17-18.

24. Borg N. Large-Scale Procurement Of Occupancy Sensors // IAEEL

newsletter. - № 3. - 1996. - P. 1.

132

25. Retrofit Control Technologies / Advanced Lighting Guidlines (Second

Edition). Lighting Design and Strategy. - Los Angeles: California Energy

Comission, 1993. - 21 p.

26. Maniccia D. Effects on Lamp Life // IAEEL newsletter. - № 3. - 1996. - P. 5.

27. Christofersen J., Petersen E., Johnsen K. An Experimental Evaluation of

Daylight Systems and Lighting Control // Right Light 4. - 1997. - Volume 2. -

P. 245-254.

28. СНиП II-4-79. Естественное и искусственное освещение. Нормы

проектирования. - Введ. 01.01.1980. - М.: Стройиздат, 1980. - 32 с.

29. Younger D., Granda C. Lighting Initiative For Poor Countries // IAEEL

Newsletter. - 1998. - № 2. - P. 11-13.

30. Julian Aizenberg, Evan Mills. Lighting of global importance // IAEEL

Newsletter. - № 3. - 1993. - P. 2.

31. Paule B., Scartezzini J.-L.. "Leso-Dial", a new Computer-based Daylighting

Desing Tool // Right Light 4 Proceedings. - 1997. - P. 26.

32. Daylight-dependent Lighting Control in a Bank // Energy-Wise News. - 1997.

- № 53. - P. 4.

33. Canterbury Library Saves Lighting Energy with Intelligent Controls //

Energy-Wise News. - 1998. - № 59. - P. 5-6.

34. Jacobsen H. Forgotten Issues in Energy Saving // Right Light 4. - 1997. -

Volume 2. - P. 21-24.

35. Mills E. Lighting by Example // IAEEL newsletter. - № 1. - 1999. - P. 22.

36. Mills E. Lighting programs at your fingertips // IAEEL newsletter. - № 1. -

1998. - P. 32.

37. Mills E., Borg N. Rethinking Light Levels // IAEEL newsletter. - № 1. -

1998. - P. 18-19.

38. Queins S., Zimmermann G., Becker M., Kronenburg M., Peper C., Merz R.,

SchAfer J.. The Light Control Case Study: Problem Description // Journal of

133

Universal Computer Science, Special Issue on Requirements Engineering. -

2000. - № 7. - P. 586-596.

39. Kronenburg M., Peper C. Application of the FOREST Approach to the Light

Control Case Study // Journal of Universal Computer Science, Special Issue

on Requirements Engineering. - 2000. - № 7. - P. 679-703.

40. Saing R., Pont P. Asian Development Bank Lights the Way in Efficiency //

IAEEL newsletter. - 2000. - № 1-2. - P. 8-9.

41. Mills E. The Internet as a New Tool for Implementing Energy-efficient

Lighting // Right Light 4. - 1997. - Volume 1. - P. 29-34.

42. Maniccia D. They Turn Off the Lights // IAEEL newsletter. - 1996. - №3. - P.

21-23.

43. Embrechts R., Bellegem C. Increased Energy Savings by Individual Light

Control // Right Light 4. - 1997. - P. 179-182.

44. Viljanen T., Halonen L., Lehtovaara J. Advanced Lighting Controls

Technologies for User Satisfaction and Energy Efficiency // Right Light 4. -

1997. - Volume 1. - P. 169-174.

45. Borg N. High-quality task lighting // IAEEL Newsletter. - 1993. - № 3. - P.

13-15.

46. LRC Releases Evaluation of Lighting Controls: Report of Lighting Research

Center / Lighting Research Center. - Troy, NY. - 1998. - P. 29-30.

47. Rubinstein F. Advanced Lighting Controls Testbed in San-Francisco // IAEEL

Newsletter. - 1996. - № 3. - P. 32-37.

48. Borg N. Easy-to-Install Sensor Charms Tough Buyers // IAEEL newsletter. -

№ 2. - 1998. - P. 22-23.

48. Knoop T., Ehling K., Aydinli S., Kaase H.. Investigation of Daylight

Redirecting Systems and Daylight Responsive Lighting Control Systems //

Right Light 4. - 1997. - Volume 2. - P. 231-235.

134

49. Rubinshtein F., Avery D., Jennings J., Blanc S. On the Calibration and

Commisioning of Lighting Controls // Right Light 4 Proceedings. - 1997. - P.

34.

50. Borg N. Ballast Efficiency Regulation Proposed for Europe // IAEEL

newsletter. - № 2. - 1999. - P. 3-4.

51. Borg N. New ballast may start CFL revolution // IAEEL Newsletter. - 1998. -

№ 1. - P. 14-16.

52. Borg N. New Philips miniature HF ballast // IAEEL newsletter. - № 1. - 1999.

- P. 12.

53. Wolsey R., Davis R., Heslin K., Gross J. Controlling Lighting with Building

Automation Systems // Lighting Answers. - 1997. - Volume 4, № 1. - P. 37-

41.

54. Morrow W., Vargas M., Peterson D., Mix J. The quest for the ideal office

control system // Lighting Futures. - № 3. - Volume 3. - 1998. - P. 2-7.

55. Bierman A., Turnbull P. Daylight Photosensor Control Systems for Office

Buildings : Lighting Research Center report / Rensselaer Polytechnic

Institute. - New York, 2002. - 2 p.

56. Maniccia D. Will Sensors Pay ? // IAEEL newsletter. - № 3. - 1996. - P. 16-

19.

57. Miller N., Vasconez S. Demonstration and Evaluation of Lighting

Technologies and Applications : Lighing Research Center report, Issue 5 /

Lighing Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute. - New York, 1999.

- 2 p.

58. Ji Y., Wolsey R., Bierman A., Davis R. Dimming Systems for High-Intensity

Discharge Lamps // Lighting Answers. - 1994. - Volume 1, № 4. - P. 1-8.

59. Rubinstein F., Jennings J., Avery D. Preliminary Results from An Advanced

Lighting Controls Testbed // IESNA 1998 Annual Conference Proceedings,

San Antonio, TX, August 10-12, 1998. - San Antonio. - 1998. P. 1-19.

135

60. Rubinstein F. Advanced Lighting Controls Testbed In San Francisco // IAEEL

newsletter. - 1996. - № 3. - P. 14-15.

61. Borg N. Give your luminaire a call // IAEEL Newsletter. - 1995. - № 3-4. - P.

12-14.

62. C-bus Lighting Management System // Energy-Wise News. - 1997. - № 53. -

P. 1.

63. Iwata T., Miake T., Sakamoto S., Yoshimura K., Kimura K.-I.. Experimental

Study on the Integrated Lighting System with Daylight and Artificial Light

Based on the subjective Response and Energy Saving // Right Light 4. - 1997.

- Volume 2. - P. 255-259.

64. Berman S. Tuning the Light Spectrum To Improve Energy Efficiency //

IAEEL Newsletter. - 1992. - № 2. - P. 34-36.

65. Berrutto V., Fontoynont M., Fourmigue J.-M. Effect of Temperature and

Light Source Type (natural/artificial) on Visual Comfort Appraisal :

Experimental Design and Setting // Right Light 4. - 1997. - Volume 1. - P.

139-141.

66. Kirschbaum C., Tonello G. Visual Appearance of Office Lighting // Right

Light 4. - 1997. - Volume 1. - P. 143-148.

67. Knez I. Changes in Females' and Males' Positive and Negative Moods As a

Result of Variations in CCT, CRI and Illuminance Levels // Right Light 4. -

1997. - Volume 1. - P. 149-154.

68. Wolsey R. Interoperable Systems: The Future of Lighting Control // Lighting

Futures. - Volume 2. - 1997. - № 2. - P. 16-21.

69. Slater A.. Energy Efficient Lighting in Buildings // Right Light 4

Proceedings. - 1997. - P. 29.

70. Borg N. DELight - Domestic Efficient Lighting // IAEEL newsletter. - 1998. -

№ 1. - P. 8-11.

136

71. Kristensen P. Daylight Europe - JOULE Project CT94 - 0282 // Right Light 4

Proceedings. - 1998.

72. Willey H. Energy-Efficient People: Redefining Energy-Efficient Lighting in

Terms of Support for Human Activity // Right Light 4 Proceedings. - 1997. -

P. 17.

73. Erhorn H., Boer J., Dirksmoller M. ADELINE - An Integrated Approach to

Lighting Simulation // Right Light 4 Proceedings. - 1997. - P. 11.

74. Newsham G., Veitch J. Individual Control Can Be Energy Efficient // IAEEL

newsletter. - № 1. - 1999. - P. 19.

75. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. - М.:

Энергоатомиздат, 1983. - 472 с.

76. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984.

- 541 c.

77. Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. - М.: Наука, 1979.

78. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя. - М.: Наука,

1991. - 432 с.

79. Бессекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического

регулирования. М.: Мир, 1964.

80. Duarte R., Martins G. A Comparative Analysis of Automatic Lighting Control

Strategies in Buildings // Right Light 4. - 1997. - Volume 2. - P. 137-140.

81. Galasiu A., Atif M. Project to improve understanding of daylight-linked

lighting systems // CABA Home & Building Quarterly. - 2000. - Summer. - p.

18.

82. Грешилов А. А. Как принять наилучшее решение в реальных условиях. -

М.: Радио и связь, 1991. - 320 с.

83. Уонем М. Линейные многомерные сисемы управления. Геометрический

подход. - М.: Наука, 1980. - 230 с.

84. Rubinstein F. The Usefulness of Bi-Level Switching. - Berkeley: University

of California, 1999. - 2 p.

137

86. Золотарев С. Регулятор мощности // Радио. - 1989. - № 11. с. 67.

87. Калашник В. Цифровой регулятор мощности // Радио. - 1991. - № 1. - с.

60-61.

88. PIC16C84. 8-bit CMOS EEPROM Microcontroller. - Microchip Technology

Inc. - 1996. - 116 p.

89. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио

и связь, 1987. - 352 с.

90. Коган М. М. Теоретико-игровой подход к синтезу робастных регуляторов

// Автоматика и телемеханика. - № 5. - 1998. - c. 142-151.

91. Балихина И. М., Степанов С. А. Синтез грубых линейных квадратичных

гауссовских регуляторов // Автоматика и телемеханика. - № 7. - 1998. - c.

96-106.

92. Бурдаков С. Ф., Первозванский А. А., Фрейдович Л. Б. Робастное

управление нелинейными механическими системами с помощью

линейных обратных связей // Автоматика и телемеханика. - № 11. - 1999.

- c. 69-80.

93. Цыпкин Я.З. Робастно оптимальные дискретные системы управления //

Автоматика и телемеханика. - № 3. - 1999. - c. 25-37.

94. Некипелов Н. Д. Фильтрация данных в системах анализа и прогноза //

Публикации лаборатории Basegroup (www.basegroup.ru). - 2000.

95. Jane Palmer. A Delightful Opportunity // IAEEL newsletter. - № 1. - 1998. -

P. 14-17.

138

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Обозначения используемых величин

Переменная Назначение

Индексы

i Индекс для источников освещения

j Индекс для точек нормирования

k Индекс для РЗ

r Индекс для ступеней регулирования

q Индекс для светильников

M Количество РЗ

K Количество источников

L Количество градаций (ступеней) регулирования

Qi Количество светильников в i-м источнике

H Количество датчиков ЕО

Объект управления

Xk,Yk,Zk Координаты k-й РЗ

Sk Площадь k-й РЗ

Xj,Yj,Zj Координаты j-й точки

Ej, j[1;M] Мгновенная освещенность в j-й точке

Eнk, j[1;M] Требуемая освещенность в РЗ

Eej, j[1;M] Естественная освещенность в j-й точке

ejh, j[1;M] КЕО j-й точки относительно h-го датчика

Eестh ЕО, регистрируемая h-м датчиком

qj Угол между нормалью к светящейся плоскости q-го

светильника и j-й точкой

qj Угол между нормалью к плоскости j-й точки и

направлением на q-й светильник

rqj Расстояние между j-й точкой и q-м светильником

139

Переменная Назначение

Источники освещения

xq,yq,zq, q [1;Qi] Координаты центра прямоугольника, ограничивающего

светящуюся поверхность q-го светильника

xq, yq, q

[1;Qi]

Размеры светящейся плоскости q-го светильника

xnq,yn

q,znq,

q[1;Qi]

Координаты конца единичной нормали, проведенной из

центра светящейся плоскости светильника

Ii Сила света, обеспечиваемая i-м светильником в

направлении

Si, i[1;K] Ступень регулирования i-го источника. Целое Si[0;L]

Uномi, i[1;K] Номинальное напряжение питания источника

i(r), i[1;K],

r[1;L]

Коэффициент изменения напряжения питания i-го

источника при включении на r-ю ступень

Ui, I[1;K] Действующее значение напряжения на i-м источнике

i(r), i[1;K],

r[1;L]

Коэффициент изменения освещенности от i-го

источника при включении на r-ю ступень

pij, i[1;K],

j[1;M]

Вклад i-го источника, включенного на Uномi, в

освещенность j-й точки

Ni, i[1;K] Потребляемая i-м источником мощность

N Суммарная мощность, потребляемая СО

140

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Алгоритмы управления и алгоритмы БУ

141

Рис. Б-2.1. Переборный алгоритм.

Рис. Б-2.2. Процедура определения номеров ближайших источников.

142

Рис. Б-2.3. Упрощенный вариант переборного алгоритма.

143

Рис. Б-2.4. Процедура проверки достаточности освещенности.

144

Рис. Б-2.5. Алгоритм зон равной освещенности.

145

Рис. Б-2.6. Процедура поиска в алгоритме зон равной освещенности.

146

Рис. Б-2.7. Алгоритм равномерного освещения.

147

Рис. Б-2.8. Процедура присвоения состояний источникам.

148

Рис. Б-2.9. Алгоритм выгодных источников.

149

Рис. Б-2.10. Головная программа микроконтроллера.

150

Рис. Б-2.11. Процедура обработки прерывания микроконтроллера.

151

ПРИЛОЖЕНИЕ В.

Текст программы подготовки данных для САУО. Фрагменты

…

const iMaxRFLevel = 1023; iMaxInXY = 21;

type TLPoint = record sX, sY, sZ, // Коор-ты sNorm, // Норма осв-ти sNLC, // К.Е.О. sAL : single; // Недостающая осв-ть, которую необх. создать aLighting : array [0..15] of single; // Вклады светильников в осв-тьend;

type TfMain = class(TForm)… private { Private declarations } dtLastReceive : TDateTime; iByteToSend : integer; // Индекс передаваемого байта wToSend : array [0..iMaxRFLevel] of word; // Передаваемые вектора cMinStage : Cardinal; // минимальное состояние источников cMaxStage : Cardinal; // максимальное состояние источников iReceived : integer; bAlgResultHashed : array [1..3] of boolean; cAlgResultHash : array [1..3,0..iMaxRFLevel] of Cardinal; procedure recalc_lack_lighting (sLevel : single); function get_art_light_in_point (iP : integer; c : Cardinal) : single; function is_enough_lighting (c : Cardinal) : boolean; function get_power (c : Cardinal) : single; procedure ask_for_byte; function swap_thetrades (w : word) : word; function Process1 (sLevel : single) : Cardinal; function Process2 (sLevel : single) : Cardinal; function Process3 (sLevel : single) : Cardinal; procedure FillAlgResultHash (iAlg : integer); public { Public declarations } iNumSources : integer; // Фактическое кол-во источников function GetRealLighting (iCount : integer) : single; procedure Load_Matrix; function Process (sLevel : single; iVariant : integer) : Cardinal; function ProcessAndTraceRFLevel (w : word; iAlg : integer) : Cardinal; end;

var fMain: TfMain; fFastLog : TextFile; //fSlowLog : TextFile;

…

procedure TfMain.btCalcClick(Sender: TObject);var sLX, sLY, sLZ, sPX, sPY, sPZ, sNX, sNY, sNZ, sL, sR, sR2, sNR2, sBeta, sAlpha : single;function GetLighting (sA : single) : single;var sPrevA, sPrevL, sK : single;begin sA := RadToDeg (ArcCos (sA)); // Выбираем освещенность для alpha по КСС tbTypeCurve.First; sPrevA := tbTypeCurveDegree.AsFloat; sPrevL := tbTypeCurveLighting.AsFloat; tbTypeCurve.Next; Result := -1; while not tbTypeCurve.EOF do

152

begin if (sA>=sPrevA) and (sA<=tbTypeCurveDegree.AsFloat) then begin sK := (sA-sPrevA) / (tbTypeCurveDegree.AsFloat-sPrevA); Result := sPrevL + (tbTypeCurveLighting.AsFloat - sPrevL) * sK; break; end; sPrevA := tbTypeCurveDegree.AsFloat; sPrevL := tbTypeCurveLighting.AsFloat; tbTypeCurve.Next; end;end;begin // Пересчет матрицы освещенности Screen.Cursor := crHourglass; DeleteAll (tbDeposit); tbZone.First; while not tbZone.EOF do begin tbZonePoint.First; while not tbZonePoint.EOF do begin sPX := tbZonePointX.AsFloat; sPY := tbZonePointY.AsFloat; sPZ := tbZonePointZ.AsFloat; sNX := tbZonePointNX.AsFloat; sNY := tbZonePointNY.AsFloat; sNZ := tbZonePointNZ.AsFloat; tbSource.First; while not tbSource.EOF do begin tbType.FindKey ([tbSourceType_No.AsInteger]); //------------------ Расчет ячейки матрицы ------------------------ sL := 0; tbSourceLighter.First; while not tbSourceLighter.EOF do begin sLX := tbSourceLighterX.AsFloat; sLY := tbSourceLighterY.AsFloat; sLZ := tbSourceLighterZ.AsFloat; // Расстояние от точки до светильника sR2 := sqr(sLX-sPX) + sqr(sLY-sPY) + sqr(sLZ-sPZ); sR := sqrt(sR2); // Расстояние от светильника до конца единичной нормали к поверхности в точке sNR2 := sqr(sLX-sNX) + sqr(sLY-sNY) + sqr(sLZ-sNZ); // Косинус угла падения sBeta := (sR2+1-sNR2) / 2 / sR; // Косинус угла между вертикалью, опущенной от светильника, и направлением на точку sAlpha := (sLZ-sPZ) / sR; // Освещенность sL := sL + GetLighting(sAlpha)*sBeta/sR2; tbSourceLighter.Next; end; tbDeposit.Append; tbDepositPoint_No.Assign (tbZonePointNo); tbDepositSource_No.Assign (tbSourceNo); tbDepositLighting.AsFloat := sL; tbDeposit.Post; //----------------------------------------------------------------- tbSource.Next; end; tbZonePoint.Next; end; tbZone.Next; end; Screen.Cursor := crDefault;end;

function TfMain.GetRealLighting (iCount : integer) : single;var i : integer; s : single;begin Result := 0; if iCount<=iLightInX[0] then Result := iLightInY[0] else if iCount>=iLightInX[iMaxInXY] then Result := 0 else for i:=0 to iMaxInXY-1 do if (iLightInX[i]<=iCount) and (iCount<iLightInX[i+1]) then

153

begin s := (iCount-iLightInX[i]) / (iLightInX[i+1]-iLightInX[i]); Result := iLightInY[i] - (iLightInY[i]-iLightInY[i+1]) * s; break; end;end;

// Определение недостающей осв-ти в каждой точке при Е.О. = sLevelprocedure TfMain.recalc_lack_lighting (sLevel : single);var pt : TLPoint; iP : integer;begin for iP:=0 to rsdcPoint.High do begin pt := TLPoint (rsdcPoint[iP]^); pt.sAL := pt.sNorm - sLevel * pt.sNLC; TLPoint (rsdcPoint[iP]^) := pt; end;end;

function TfMain.get_art_light_in_point (iP : integer; c : Cardinal) : single;var pt : TLPoint; iR : integer;begin pt := TLPoint (rsdcPoint[iP]^); Result := 0; for iR:=0 to iNumSources-1 do Result := Result + pt.aLighting[iR] * aLightingCoeffs [(c shr (iR*4)) and 15];end;

// Определение достаточности осв-ти в каждой точке при состоянии источников = cfunction TfMain.is_enough_lighting (c : Cardinal) : boolean;var pt : TLPoint; iP : integer;begin Result := TRUE; for iP:=0 to rsdcPoint.High do begin pt := TLPoint (rsdcPoint[iP]^); if get_art_light_in_point(iP,c) < pt.sAL then begin Result := FALSE; break; end; end;end;

// Определение текущей суммарной потр. мощностиfunction TfMain.get_power (c : Cardinal) : single;var iR : integer;begin Result := 0; for iR:=0 to iNumSources-1 do Result := Result + aCurrentCoeffs [(c shr (iR*4)) and 15];end;

function TfMain.Process1 (sLevel : single) : Cardinal;var sPower, sBestPower : single; c, cBestStage : Cardinal; // Текущее и наилучшее состояние источников // optimisation <<<<<<<<<<<<<<<< cT : Cardinal; bT : byte; aAl : array [0..15] of single; aDep : array [0..15,0..15] of single; pt : TLPoint; iP, iR, iNumPoints : integer; bEnough : boolean; s : single; // optimisation >>>>>>>>>>>>>>>>begin // optimisation <<<<<<<<<<<<<<<< iNumPoints := rsdcPoint.High+1; for iP:=0 to iNumPoints-1 do begin pt := TLPoint (rsdcPoint[iP]^); aAl[iP] := pt.sAL; for iR:=0 to iNumSources-1 do aDep[iP,iR] := pt.aLighting[iR]; end; // optimisation >>>>>>>>>>>>>>>>

// Поиск вектора оптимального состояния источников sBestPower := 10e38; cBestStage := cMaxStage;

154

c := cMinStage; while c > cMaxStage do begin // optimisation <<<<<<<<<<<<<<<< // get the power sPower := 0; cT := c; for iR:=0 to iNumSources-1 do begin bT := cT and 15; sPower := sPower + aCurrentCoeffs [bT]; cT := cT shr 4; end;

if sPower < sBestPower then begin // check if it is enough bEnough := TRUE; for iP:=0 to iNumPoints-1 do begin if aAL[iP]>0 then begin s := 0; cT := c; for iR:=0 to iNumSources-1 do begin bT := cT and 15; s := s + aDep[iP,iR] * aLightingCoeffs [bT]; cT := cT shr 4; end; if s < aAL[iP] then begin bEnough := FALSE; break; end; end; end; if bEnough then begin cBestStage := c; sBestPower := sPower; end; end; // optimisation >>>>>>>>>>>>>>>> { sPower := get_power(c); if (sPower < sBestPower) and is_enough_lighting (c) then begin cBestStage := c; sBestPower := sPower; end; } Dec (c); if (c and $FFFFFF) = $FFFFFF then Caption := IntToStr(c shr 24); end; Result := cBestStage;end;

function TfMain.Process2 (sLevel : single) : Cardinal;var i, iL, // Текущая ступень управления iGr, // Количество светильников в группе iOn, // Количество включенных светильников в группе iFirst : integer; // Номер первого включенного светильника в группе c : Cardinal; // Текущее состояние источников// Включить iOn светильников из iGr, начиная с iFirst-го (каждый на ступень iL) Все эти числа отсчитываются с 1 !function set_stage (iOn, iGr, iFirst, iL : integer) : Cardinal;var iLgr, iLon, iNo, iPos, i : integer;begin Result := cMinStage; // Цикл по группам (с 0) for iLgr:=0 to iNumSources div iGr do // Цикл по источникам в группе (с 0) for iLon:=0 to iOn-1 do begin // Номер текущего источника в группе iNo := (iFirst+iLon) mod iGr; // Номер бита, с которого устанавливать состояние iPos := (iLgr*iGr+iNo)*4;

155

// Если не вылезли за число источников if iLgr*iGr+iNo < iNumSources then // Нарастить рез-т for i:=0 to 3 do MoveBit (Result, iPos+i, GetBit(iL,i)); end;end;begin Result := cMaxStage; for i:=-(iNumSources-2) to iNumSources-1 do // i: -2,-1,0,1,2,3 begin if i>0 then iOn := i+1 // iOn: 1,1,1,2,3,4 else iOn := 1; // ... из ... iGr := min (abs(i) + 2, iNumSources); // iGr: 4,3,2,3,4,4 for iFirst:=0 to iGr-1 do // iFirst: 0..3,0..2,0..1,0..2,0..3,0..3 begin for iL:=15 downto 0 do // Перебор ступеней управления begin // Включить на ступень iL iOn светильников из iGr, начиная с iFirst-го c := set_stage (iOn, iGr, iFirst, iL); //if iL=0 then //begin // mm.Lines.Add (Format ('%d из %d, начиная с %d (%d)', [iOn, iGr, iFirst, iL])); // mm.Lines.Add (Format ('%.16X', [c])); //end; // Если достигнута нормальная освещенность, выйти из циклов if is_enough_lighting(c) then begin Result := c; Exit; end; end; end; end;end;

function TfMain.Process3 (sLevel : single) : Cardinal;var pt : TLPoint; iP, iR, i, r, iMax, rMax : integer; sC, sCMax, sArtLight : single; c : Cardinal; // Текущее и наилучшее состояние источниковbegin c := cMinStage; // Основной цикл выполняется, пока не будет достигнута достаточная освещенность или источники не будут включены полностью while not (is_enough_lighting(c) or (c=cMaxStage)) do begin sCMax := -MAXSINGLE; // Цикл по источникам for i:=0 to iNumSources-1 do // Цикл по ступеням источника выполняется для невыключенных состояний, поэтому $F не рассматривается for r:=0 to $E do // Есть смысл рассматривать только более яркие состояния источников if ((c shr (i*4)) and 15) > r then begin // Получить текущее значение критерия C для данного источника i на данной ступени r sC := 0; for iP:=0 to rsdcPoint.High do begin pt := TLPoint (rsdcPoint[iP]^); // Сколько сейчас искусств. света падает в точку ? sArtLight := 0; for iR:=0 to iNumSources-1 do if iR<>i then sArtLight := sArtLight + pt.aLighting[iR] * aLightingCoeffs [(c shr (iR*4)) and 15]; // Накопление суммы if pt.sAL - sArtLight < 0 then sC := sC + 1 else

156

sC := sC + min (pt.aLighting[i] * aLightingCoeffs [r] / (pt.sAL - sArtLight), 1); end; sC := sC/aCurrentCoeffs[r]; //mm.Lines.Add (Format ('i=%d r=%d sC=%.3f', [i,r,sC])); // Если полученное значение максимально, запоминаем на какой ступени и для какого источника оно получено if sC>sCmax then begin sCmax := sC; iMax := i; rMax := r; end; end;

// S[iMax] := rMax MoveBit (c, iMax*4, GetBit(rMax,0)); MoveBit (c, iMax*4+1, GetBit(rMax,1)); MoveBit (c, iMax*4+2, GetBit(rMax,2)); MoveBit (c, iMax*4+3, GetBit(rMax,3)); end;

Result := c;end;

function TfMain.Process (sLevel : single; iVariant : integer) : Cardinal;begin recalc_lack_lighting (sLevel); if is_enough_lighting (cMinStage) then begin Result := cMinStage; Exit; end; if not is_enough_lighting (cMaxStage) then begin Result := cMaxStage; //mm.lines.add ('not enough'); Exit; end; case iVariant of 1: Result := Process1 (sLevel); 2: Result := Process2 (sLevel); 3: Result := Process3 (sLevel); end;end;

procedure TfMain.Load_Matrix;var pt : TLPoint; iT : Int64;begin // Загружаем точки rsdcPoint.Clear; tbZonePoint.MasterSource := nil; tbZonePoint.First; while not tbZonePoint.EOF do begin FillChar (pt, sizeof(pt), 0); pt.sX := tbZonePoint.FieldByName('X').AsFloat; pt.sY := tbZonePoint.FieldByName('Y').AsFloat; pt.sZ := tbZonePoint.FieldByName('Z').AsFloat; pt.sNorm := 100{tbZonePoint.FieldByName('Norm').AsFloat}; pt.sNLC := tbZonePoint.FieldByName('NLC').AsFloat;

// Загружаем матрицу вкладов tbDeposit.Filter := 'Point_No='+tbZonePointNo.AsString; tbDeposit.Filtered := TRUE; tbDeposit.First; while not tbDeposit.EOF do begin pt.aLighting[tbDepositSource_Ord_No.AsInteger] := tbDeposit.FieldByName('Lighting').AsFloat; tbDeposit.Next; end; tbDeposit.Filtered := FALSE;

rsdcPoint.Add (pt); tbZonePoint.Next; end;

// Загружаем источники iNumSources := tbSource.RecordCount;

157

// Минимальный вектор состояний iT := (Int64(1) shl (iNumSources*4)) - 1; cMinStage := iT; cMaxStage := 0; tbZonePoint.MasterSource := dsZone;end;

function TfMain.swap_thetrades (w : word) : word;begin Result := (w and $F000 shr 12) or (w and $F00 shr 4) or (w and $F0 shl 4) or (w and $F shl 12);end;

…

procedure TfMain.btLoadClick(Sender: TObject);var w : word; dt : TDateTime;begin Screen.Cursor := crHourGlass; mm.Lines.Clear;

// Загрузить м-цу вкладов Load_Matrix; // Загрузить файл с хэш-таблицей для 1-го алгоритма FillAlgResultHash (1); // Для всех состояний датчика (пока одного) dt := Now; for w:=0 to iMaxRFLevel do ProcessAndTraceRFLevel (w, StrToInt(edMultiplier.Text)); mm.Lines.Add (TimeToStr(Now-dt));

// Передать в контроллер iByteToSend := 0; Screen.Cursor := crDefault; //tmSendData.Enabled := TRUE;end;

…

158

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Текст программы микроконтроллера БУ

; =================================================================================LIST P=16C84, F=INHX8M__CONFIG 3FFA ; 5 младших бит:

; 1 - code protection off; 1 - power-up timer enabled; 0 - WDT disabled; 10 - HS oscillator

; =================================================================================; регистры PICINDF EQU 0TMR0 EQU 1STATUS EQU 3FSR EQU 4PortA EQU 5PortB EQU 6 INTCON EQU 0BhOPTREG EQU 81hTRISA EQU 85hTRISB EQU 86h

; биты PICCARRY EQU 0 ; carry flagZERO EQU 2 ; zero flagRP0 EQU 5 ; bank select flagT0IF EQU 2 ; timer int. flagINTF EQU 1 ; PB0 int. flagF EQU 1 ; instruction destinationsW EQU 0 ;

; регистрыiCnt EQU 0CH ; Счетчик битTxByte EQU 0DH ; Байт, передаваемый по RS-232RxByte EQU 0EH ; Байт, принимаемый по RS232TLo EQU 014h ; Текущий отсчет времениTHi EQU 015h ;Level EQU 016h ; Уровни каналов (для 8 каналов заняты адреса 16h...19h)BLo EQU 01Ah ; Временная переменнаяBHi EQU 01Bh ;RTlenLo EQU 01Ch ; Ширина импульса R2T-преобразователяRTlenHi EQU 01Dh ;RTprLo EQU 01Eh ; Предыдущее переданное значение ширины R2T-импульсаRTprHi EQU 01Fh ;FLAG EQU 020h ; ФлагиTLoPrev EQU 021htrCnt EQU 022h

; регистры для работы I2CERCODE EQU 02Bh ; Код ошибкиADDR EQU 02Ch ; АдресSLAVE EQU 02Dh ; Адрес устройства (1010xxx0)TXBUF EQU 02Eh ; Буфер записиRXBUF EQU 02Fh ; Буфер чтения

; биты переменной FLAG#define ERR1 FLAG,0 ; Флаш ошибки I2C#define prevRT FLAG,1 ; Значение R2T-импульса на 1024-м тике прерывания#define prevPr FLAG,2 ; Значение 6-го бита TLo, когда в последний раз выполнялась проверка каналов#define eepromI FLAG,6 ; Буферный бит записи EEPROM#define eepromO FLAG,7 ; Буферный бит чтения EEPROM

; описание выводов#define ModePin PortA,4 ; Вход выбора режима#define RT PortA,3 ; Вход R2T-преобразователя

159

#define ZD PortB,0 ; Вход Zero Detector#define RxD PortA,3 ; RS232-приемник#define TxD PortB,3 ; RS232-передатчик#define SCL PortA,0 ; I2C clock#define SDA PortA,1 ; I2C data#define Monitor PortB,2 ; DEBUG pin

; команды#define BANK0 bcf STATUS,RP0#define BANK1 bsf STATUS,RP0#define SkIfZ btfss STATUS,ZERO#define SkIfNZ btfsc STATUS,ZERO#define SkIfC btfss STATUS,CARRY#define SkIfNC btfsc STATUS,CARRY

; макросыMove MACRO dst, src

movf src,Wmovwf dstendm

MoveCon MACRO dst, conmovlw conmovwf dstendm

MoveBit MACRO dst, dstbit, src, srcbitbtfss src,srcbitbcf dst,dstbitbtfsc src,srcbitbsf dst,dstbitendm

GoIfNEq MACRO Hi1,Lo1,Hi2,Lo2,LabToGomovf Lo1,Wsubwf Lo2,Wbtfss STATUS,ZEROgoto LabToGomovf Hi1,Wsubwf Hi2,Wbtfss STATUS,ZEROgoto LabToGoendm

Inc16 MACRO Hi,Loincf Lo,Fbtfsc STATUS,CARRYincf Hi,Fendm

OffIfNZ MACRO ChanNoMove BLo,Level+ChanNo/2 ; BLo = Level [ChanNo / 2] (1-я или 2-я тетрада)IF ChanNo % 2 == 0swapf BLo,WENDIFandlw 0Fhbtfss STATUS,ZERObcf PortB,4+ChanNoendm

OnChan MACRO ChanNo,NextLblMove BLo,TLo ; BLo = T / 64Move BHi,THirrf BHi,Frrf BLo,Frrf BHi,Frrf BLo,Frrf BHi,Frrf BLo,Frrf BHi,Frrf BLo,Frrf BHi,Frrf BLo,Frrf BHi,Frrf BLo,FMove BHi,Level+ChanNo/2 ; W = Level [ChanNo / 2] (1-я или 2-я тетрада)IF ChanNo % 2 == 0swapf BHi,WENDIFandlw 0Fhsubwf BLo,W ; Если W = BLo

160

SkIfZ ;goto NextLblmovf BLo,W ; W = BLosublw 0Fh ; SkIfNZ ; Если 15 <> Wgoto NextLblbsf PortB,4+ChanNo ; вывести "1" в данный каналENDM

SkIfNE MACRO F1,F2movf F1,Wsubwf F2,WSkIfNZendm

SkIfG MACRO F1,F2movf F1,Wsubwf F2,WSkIfNCendm

GoIfBE MACRO f1,b1,f2,b2,LabToGobtfss f1,b1goto f1is0btfsc f2,b2goto LabToGogoto endGIBE

f1is0: btfss f2,b2goto LabToGo

endGIBE:nopendm

ChIfCS MACROMOVLW 1BTFSS SCLCALL ERRendm

ChIfSS MACRO ErrCodeMOVLW ErrCodeBTFSS SDACALL ERRendm

ChAckC MACROMOVLW 3BTFSC eepromICALL ERRendm

; =================================================================================org 0goto main

; =================================================================================org 4goto begINT

; =================================================================================; DELAY; При работе на 8 MHz:; Время передачи бита: 1000000[мкс] / 115200[бод] = 8.68[мкс]; Посылка бита - 3 цикла, сдвиг - 5, т.е. всего 4 мкс; Т.о., задержка при передаче - 4.68 мкс (одна процедура задержки - 2.34 мкс); =================================================================================COM_Del:return

…

;ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШmain: BANK1

MoveCon TRISA,B'00011000' ; PortA usage (0-out, 1-in) MoveCon TRISB,B'00000001' ; PortB usage (0-out, 1-in)

MoveCon OPTREG,B'11000011' ; 1 - disable PortB pull-ups; 1 - interrupt on up edge; 0 - internal timer; x; 0 - prescaler assigned to the timer; 011 - prescaler is 1:16 (increment every 8 us)

BANK0btfsc ModePin ; Выбор режима работы

161

goto mLoad;---------------------------------------------------------------------------------------mWork: MoveCon Level,0FFh ; Режим УПРАВЛЕНИЯ (ModePin = 0)

MoveCon Level+1,0FFh ; Все каналы выключеныclrf RTlenLo ; RTlen = 0clrf RTlenHi ;clrf RTprLo ; RTpr = 0clrf RTprHi ;clrf trCnt ; trCnt = 0bsf prevRT ; prevRT = 1MoveCon INTCON,B'10010000' ; 1 - global interrupt enable

; 0 - EE int. disable; 0 - TMR0 int. disable; 1 - RB0/INT int. enable; 0 - RB change int. disable; 000 - reset all int. flags

loop: goto loop;---------------------------------------------------------------------------------------mLoad: clrf INTCON ; Режим ЗАГРУЗКИ ДАННЫХ (ModePin = 1)mLoop: call getch ; Получить команду

btfsc RxByte,0 ; Если младший бит = 0, то - записьgoto mRead

mWrite: call getch ; Получить SLAVEMove SLAVE,RxByte ;call getch ; Получить ADDRMove ADDR,RxByte ;call getch ; Получить байтMove TxByte,RxByte ;call WRBYTE ; Записать в EEPROMgoto mLoop

mRead: call getch ; Получить SLAVEMove SLAVE,RxByte ;call getch ; Получить ADDRMove ADDR,RxByte ;call RDBYTE ; read back dataMove TxByte,RxByte ; Передать байт по RS232call putch ;goto mLoop

;ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШProcCh: MoveBit prevPr,TLo,6

OnChan 0,ch1ch1: OnChan 1,ch2ch2: OnChan 2,ch3ch3: OnChan 3,endPRCendPRC: return

;ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШMyDel: MoveCon iCnt,040hmd1: decfsz iCnt,F

goto md1return

;ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШTrans: MoveCon TxByte,055h

call putchMove TxByte,RTlenLocall putchMove TxByte,RTlenHicall putchMove TxByte,Levelcall putchMove TxByte,Level+1call putchMove TxByte,SLAVEcall putchMove TxByte,ADDRcall putch

movf RTlenLo,Waddwf RTlenHi,Waddwf Level,Waddwf Level+1,Waddwf SLAVE,Waddwf ADDR,Wmovwf TxBytecall putch

return

162

;ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШbegINT: btfsc ZD

retfie ;

bcf MonitorOffIfNZ 0 ; Выключить все ненулевые каналыOffIfNZ 1 ;OffIfNZ 2 ;OffIfNZ 3 ;clrf TMR0 ; сброс таймераclrf TLo ;clrf THi ;clrf TLoPrev ;bcf prevPr

;[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[loopT: SkIfNE TMR0,TLo ; Ожидание очередного инкремента таймера

goto loopT ;

Move TLo,TMR0 ; Сохранение значения таймера

btfsc RT ; Если есть низкий уровень RT-сигналаgoto loop3 ;btfsc prevRTgoto loop3 ;bsf prevRTMove RTlenLo,TLo ; RTlen = TMove RTlenHi,THi ;

loop3: SkIfG TLoPrev,TLo ; Если имеем переполнение TLogoto Loop1incf THi,F ; Нарастить старший байтbtfsc THi,2 ; Если достигнут 1024-й отсчет таймераgoto endInt ; Выпасть на выход из прерывания

Loop1: GoIfBE TLo,6,prevPr,Loop2 ; Если изменился 6-й бит TLocall ProcCh ; Обработать каналы

bsf MonitorLoop2: Move TLoPrev,TLo ; TLoPrev = TLo

goto loopT ; Возврат;]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

endInt: MoveBit prevRT,RT ; Запомнить уровень RT-сигнала в этот момент

btfss prevRT ; Если RT=1goto eInt1 ;MoveCon RTlenLo,0FFh ; RTlen = 1023MoveCon RTlenHi,3 ;

eInt1: MoveCon SLAVE,0A0h ; Заполнение SLAVEMoveBit SLAVE,3,RTlenHi,1MoveBit SLAVE,2,RTlenHi,0MoveBit SLAVE,1,RTlenLo,7rlf RTlenLo,W ; Заполнение ADDRmovwf ADDRbcf ADDR,0call RDBYTE ; Считать 2 байта в LevelMove Level,RxByteincf ADDR,Fcall RDBYTEMove Level+1,RxByte

;l0: movf RTlenLo,W ; Вариант, когда уровень ЕО передается на РС только при изменении; subwf RTprLo,W; SkIfNZ; goto l1; movf RTlenHi,W; subwf RTprHi,W; SkIfNZ; goto l1; call Trans;l1: Move RTprHi,RTlenHi ; RTpr = RTlen; Move RTprLo,RTlenLo ;

incf trCnt,F ; Вариант, когда уровень ЕО передается на РС каждые 2.56 c

SkIfNZcall Transbcf INTCON,INTF ; Разрешить дальнейшие прерывания

163

retfie ; Возврат из прерывания: конец обработки полупериода

END

164

Таблица Г-4.1

ПЕРЕМЕННЫЕ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОГРАММЕ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Переменная Тип Описание

ComCode Байт Код команды записи/чтения EEPROM

Slave Байт Адрес EEPROM как I2C-устройства

Addr Байт Адрес для чтения из EEPROM (записи в

EEPROM)

DataByte Байт Считанный из EEPROM (записанный в

EEPROM) байт

i Байт Счетчик

T Слово Текущий отсчет времени

Timer Слово Значение отсчета времени аппаратного

таймера

Level0…

Level7

Массив

байт

Уровни каналов (для восьми каналов заняты 4

байта)

Port0…Port7 Массив

бит

Выводы управления ключами каналов

RT Бит Бит порта ввода, являющийся выходом R-T-

преобразователя

RTPrev Бит Значение выхода R-T-преобразователя на

1024-м отсчете времени

RTlen Слово Ширина импульса R-T-преобразователя

TPrev Слово Предыдущее значение отсчета времени

Counttr Байт Счетчик циклов с момента последней

передачи данных на ПЭВМ

165

166