Цифровое управление биодинамическими системами освещения в птичниках

Применение цифровых управляющих устройств востребовано в различных технологических процессах птицеводства [10, 15]. Особенно актуально их применение в системах автоматического управления микроклиматом в птицеводческом помещении, что позволяет в большей степени раскрыть генетический потенциал высокопродуктивных кроссов птицы. Важным фактором, влияющим на поведение и продуктивность сельскохозяйственной птицы, является световая среда и используемые для ее создания технические средства [1, 13, 14, 17, 23].

Искусственно создаваемая световая среда не в полной мере соответствует естественным потребностям организма птицы [4, 18, 24]. Улучшить условия содержания птицы и повысить показатели ее продуктивности возможно за счет применения цифровых систем биодинамического светодиодного освещения с изменяемыми световым потоком и спектральным составом оптического излучения [19–22]. Однако технические параметры и режимы работы цифровых элементов управления такими система на данный момент исследованы недостаточно. Разработка цифровых систем управления биодинамическим освещением птичников требует комплексного подхода к учету особенностей работы ее цифровых элементов и способов реализации связей между ними.

Целью работы является анализ цифровых элементов современных систем управления биодинамическим освещением птичников и разработка рекомендаций их по проектированию.

Материалы и методы

В работе использовались элементы методов системного и математического анализа, компьютерного моделирования; сведения из теории электро- и светотехники, автоматического управления. Обработка данных и построение графиков выполнялась с применением программы Microsoft Office Excel.

Результаты и обсуждение

В системах биодинамического освещения птичников для изменения освещенности и спектрального состава излучения светодиодных светильников целесообразно использовать метод управления оттенками белого света [8]. Реализация метода требует использования минимум двух белых светодиодов (СИД) с разными коррелированными цветовыми температурами и отдельными каналами управления их световыми потоками [12]. Последние корректно изменять путем ШИМ-регулирования прямых токов через светодиоды. При этом следует учитывать динамику температуры нагрева СИД, которая существенно влияет на параметры его излучения [2]. При таком способе регулирования световой поток светодиода, Ф, может быть вычислен по формуле:

ф = n k D i A U ;                                   (1)

где n — световая отдача светодиода, лм/Вт;

k_D = 0.. .1 о.е. - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала;

I A - амплитуда ШИМ-регулирования прямого тока светодиода, А;

U - прямое падение напряжения на светодиоде, В.

Широкий диапазон изменения коррелированной цветовой температуры излучения светодиодного светильника может быть получен путем изменения коэффициентов k D прямых токов светодиодов белого теплого и холодного света, с номинальными коррелированными цветовыми температурами около 2700^3000 К и 5000^6500 К.

Стабилизацию прямых токов и ШИМ-управление световыми потоками СИД рационально выполнять с помощью линейного светодиодного драйвера с генерацией управляющего ШИМ-сигнала с помощью микроконтроллера [11]. При этом продолжительности импульсов, tON, и пауз, tOFF, вычисляются по соответствующим выражениям:

t ON = V ( ^kD f ) ; t OFF = V ^f — t ON ,

где f - частота ШИМ-сигнала, Гц.

Продолжительности t_ON и t_OFF квантуются во времени исходя из частоты и разрядности ШИМ-сигналов, что сказывается на пульсациях светового потока СИД. Следует учитывать, что это может являться дополнительным стресс-фактором для птицы. Исследования показывают, что негативное влияние на зоотехнические показатели птицы отсутствуют при частоте изменения светового потока более 488 Гц [5]. Частота пульсаций 900 Гц и более не воспринимается птицей [16]. Разрядность сигнала менее 10-ти бит ведет к возникновению «ступенек» при изменении коррелированной цветовой температуры при небольших уровнях освещенности [9].

Автоматическое или ручное изменение параметров освещения выполняется контроллером управления освещением, который может представлять собой отдельное устройство (рис. 1) или быть в программном составе котроллера управления микроклиматом.

Также котроллер управления освещением может выполняться на базе общепромышленного ПЛК. Важным для контроллера освещения является реализация функции «рассвет-закат», позволяющая плавно изменять уровень освещенности в течении заданной продолжительности времени, что снижает стрессовое воздействие резкого изменения света на организм птицы [18]. Связь котроллера освещения с элементами управления светильниками и внешними устройствами целесообразно выполнять на основе цифровых промышленных помехозащищенных интересов, таких как RS-485.

Рисунок 1 - Некоторые специализированные контроллеры для управления

искусственным освещением в птичнике

В соответствии с методическим руководством по проектированию [8] при разработке систем динамического освещения рекомендуется использовать сенсорные панели оператора, позволяющие реализовать современный эргономичный человеко-машинный интерфейс.

Точное поддержание заданных параметров биодинамического освещения в птичнике в реальных условиях эксплуатации (с учетом запыленности светильников, естественного снижения светового потока СИД, изменения величины питающего напряжения и т.д.) возможно за счет применения систем программного управления уровнем освещенности кормушки и коррелированной цветовой температуры оптического излучения светодиодных светильников. Для этого целесообразно использовать ПИ- или ПИД-регулятор с обратной связью по освещенности через соответствующий датчик, что обеспечивает статистическую ошибку регулирования близкой к нулю [12]. С целью минимизации передачи данных по интерфейсам цифровой регулятор освещенности предпочтительно выполнять на базе микроконтроллера, производящего генерацию ШИМ-сигналов управления световыми потоками светодиодов.

Основными параметрами настройки ПИД-регулятора являются: пропорциональный коэффициент передачи, постоянные времени интегрирования и дифференцирования [6]. Также в качестве варьируемого параметра в цифровых системах может выступать время дискретизации регулятора [7]. Практическое применение ПИ-регулятора отличается относительно большей простой настройкой параметров регулятора чем ПИД-регулятора. Математическое представление ПИ-регулятора, выходной величиной которого является регулирующий коэффициент kR заполнения управляющего ШИМ-сигнала, описывается выражением:

kR

= k_P

1             ^

^ E ⁺ Т i ^ Edt MC ’

V       Ti            7

где    ДЕ - сигнал рассогласования, определяемый как разница между заданной и измеренной величинами освещенности, лк;

k_P - пропорциональный коэффициент передачи, 1/лк;

T I - постоянная времени интегрирования, с;

dt Mc — период выполнения цикла программы микроконтроллером, с.

При использовании программного расчета регулирующего коэффициента k_R в каждом цикле программы временем дискретизации регулятора допустимо пренебречь. Высокие показатели качества работы системы автоматического регулирования освещенности обеспечиваются при использовании метода определения настроек параметров цифрового регулятора, предложенного А. П. Копеловичем [12].

Для измерения фактической освещенности при ШИМ-управлении световыми потоками светодиодов в последние годы широкое распространение получили цифровые датчики на основе полупроводниковых микросхем. Такой датчик производит измерение сигнала по следующему алгоритму: сначала выполняется суммирование измерений освещенности в течении времени интегрирования, затем определяется среднее значение и формируется конечный результат измерений. Математическое описание процесса измерения освещенности, E I , цифровым датчиком с учетом дискретизации процесса измерений во времени, может быть представлено в виде:

E ₌ j0 E i dt E

, t DO

где    Ei - освещенность отдельного измерения в периоде интегрирования показаний датчика, лк;

dt_E - продолжительность преобразования измерений освещенности аналого-цифровым преобразователем, с;

t DO - продолжительность интегрирования освещенности, с.

Кроме этого необходимо учитывать время, затрачиваемое на обработку и передачу данных измерений освещенности по цифровому интерфейсу. Квантование освещенности по уровню при высокой разрядности измерений аналого-цифрового преобразователя датчика освещенности допустимо не учитывать [12].

В подобных цифровых системах управления биодинамическим освещением наиболее инертным элементом является датчик освещенности [3], время интегрирования измерения которого на один - два порядка выше постоянных времени остальных элементов системы, что может приводить к скачкообразному изменению регулируемой величины [9]. Для корректного измерения освещенности желательно использовать цифровой фильтр сигнала измерений освещенности [12]. Выходная величина освещенности, E F , сглаженная фильтром на основе апериодического звена первого порядка в дискретной форме, имеет вид:

^EF = ^EF 0 + ( ^EI — ^EF 0 ) ^dtMC l^TF ’                             ⁽⁶⁾

где     E F о - освещенность на выходе фильтра в предыдущем шаге вычислений, с;

T F - постоянная времени фильтра, с.

Применение апериодического фильтра измерений освещенности (рис. 2), несмотря на скачкообразное изменение освещенности E I , позволяет САР более корректно формировать управляющее воздействие с помощью ПИ-регулятора, что положительно сказывается на качестве регулирования системы.

Рисунок 2 – Переходные процессы освещенности системы автоматического регулирования по задающему воздействию

В качестве ориентировочной величины постоянной времени фильтра рационально использовать T F = 0,125 с, которая равна постоянной времени зрения наблюдателя [12].

Выводы

В системах управления биодинамическим освещением птичников для изменения освещенности и спектрального состава излучения светодиодных светильников целесообразно использовать ШИМ-управление световыми потоками светодиодов белого теплого и холодного света. Для этого следует использовать частоту ШИМ-сигнала более 1 кГц при его разрядности не менее 10-ти бит. Это позволяет снизить негативное влияние от эффектов мерцания светодиодов и «ступенек» светового потока СИД при ШИМ-управлении.

Для оперативного управления и изменения настроек работы системы освещения целесообразно использовать в ее составе сенсорные панели оператора или программируемые логические контроллеры с сенсорным экраном, позволяющие реализовать современный эргономичный человеко-машинный интерфейс. Связь между цифровыми элементами системы управления рекомендуется осуществлять посредством интерфейса RS-485.

В качестве регулятора систем программного управления параметрами биодинамического освещения рационально использовать цифровой ПИ-регулятор (4) с обратной связью через датчик освещенности. С целью определения настроек параметров такого регулятора стоит применять метод Копеловича. При этом следует учитывать существенную дискретизацию измерений освещенности датчиком во времени и предусмотреть для него цифровой фильтр, который может быть реализован на базе апериодического звена первого порядка (6) с постоянной времени, равной 125 мс.