Исследование систем программного регулирования параметрами динамического освещения

Введение. Современное птицеводство характеризуется интенсивной технологией выращивания, в которой обычно действующие неблагоприятные факторы воспринимаются организмом птицы как сильные раздражители [1]. Важным фактором, влияющим на продуктивность сельскохозяйственной птицы, является искусственная световая среда [2–5]. С целью повышения биологической эф- фективности влияния искусственного освещения перспективно применение динамических систем освещения с изменяемыми световым потоком [6–9] и коррелированной цветовой температурой (КЦТ) оптического излучения [10–13].

Создать рациональную искусственную световую среду позволяет цифровая система динамического локального освещения клеток для содержания сельскохо- зяйственной птицы [14], в которой световой поток и КЦТ оптического излучения светодиодных светильников изменяется в соответствии с динамикой естественного солнечного света. Для точного поддержания заданного уровня освещенности в реальных условиях эксплуатации в ней применяется система автоматизированного управления освещением с датчиками освещенности [5]. Разработка такой системы освещения соответствует приоритетам стратегии научно-технологического развития РФ, в том числе способствует переходу к высокопродуктивному и экологически чистому агрохозяйству.

Предыдущие исследования [15] были посвящены определению оптимальных параметров ПИ-регулятора системы автоматического регулирования освещенности. Однако в цифровой системе динамического локального освещения клеток для содержания сельскохозяйственной птицы [14] используется программное регулирование заданными параметрами освещения в течение светового периода.

Целью данного исследования являлась оценка качества работы систем программного регулирования (СПР) уровня освещенности дна кормушки для птицы и КЦТ оптического излучения локальных светодиодных светильников.

Материалы и методы исследования. Методика исследования базируется на использовании элементов теории

E₇ = — ln <  a

h_M cos [ arccos ( - h₀ jh_M ) ( 1 - 2 t/t_c ) ] + h₀

^h M ^{+ h} 0

CCT_Z = bE_z + c ,

где a и b – коэффициенты моделей [12].

h М и h 0 – амплитуда и постоянная составляющая гармонической функции косинуса, [12];

автоматического управления и математического моделирования. Оценка качества работы систем программного регулирования проводилась по графикам переходных процессов заданной и наблюдаемой освещенностей ( E Z = f ( t ) и E N = f ( t )), коррелированных цветовых температур оптического излучения ( ССT Z = f ( t ) и ССT N = f ( t )), полученных в результате компьютерного моделирования.

Обработка экспериментальных данных выполнялась в программе Microsoft Office Excel. Компьютерное моделирование проводилось в отечественной среде SimInTech.

В качестве исходной схемы для создания компьютерной модели СПР послужили результаты предыдущего исследования. В нем представлено математическое описание элементов системы и объекта регулирования. Точность используемой исходной компьютерной модели была подтверждена экспериментально [15].

Программное регулирование заданного уровня освещенности E Z (о.е.) и коррелированной цветовой температуры CCT Z (К) оптического излучения светильников в течение светового периода осуществлялось по математическим моделям естественного солнечного света в соответствии с запатентованным способом освещения (патент на изобретение RU 2797873 C1):

( e - 1 ) + 1

;

t и t С – время от начала и продолжительность светового периода, с;

c – постоянная составляющая КЦТ, К [12].

Изменение коррелированной цветовой температуры Δ CCT оптического излучения светильников производилось по экспериментально полученной зависимости (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022619408):

д cct = kD ² + kD , (3) где k 1 и k 2 – коэффициенты модели;

D – коэффициент соотношения заполнения ШИМ-регулирования токов, протекающих через светодиоды белого теплого и холодного света [15].

К качеству систем программного регулирования предъявлялись следующие требования: ошибка регулирования по наблюдаемой освещенности – Δ E N ≤ 0,1 лк; ошибка регулирования по наблюдаемой КЦТ – Δ CCT N ≤ 45 К.

Компьютерное моделирование производилось при параметрах ПИ-регулятора, определенных по методу Копело-вича [15], продолжительности светового периода tC = 1 ч и максимальной заданной освещенности на дне кормушки, равной ЕMAX = 10 лк. КЦТ оптического излучения локального светодиодного светильника по каналу белого теплого и холодного света составляла 2660 К и 5640 К соответственно. Использовался метод интегрирования Эйлера с посто- янным шагом интегрирования, равным 4,883∙10-7 с.

При таком малом шаге интегрирования, необходимом для учета дискретизации ШИМ-регулирования токов через светодиоды, процесс моделирования систем программного регулирования для t C = 1 ч требует значительной вычислительной мощности компьютера, занимает много времени и усложняет обработку экспериментальных данных. Поэтому получение искомых графиков переходных процессов производилось только для характерных участков светового периода: «начальный» и «конечный» – при котором освещенности изменяются от 0 до 1 лк ( t = 0–35 с) и от 1 до 0 лк ( t = 3565–3600 с) соответственно, «средний» – при изменении освещенности от 9,5 до 10 лк ( t = 1230–1800 с).

Результаты исследования и их обсуждение. На основе исходной структурной схемы моделирования САР освещенности в среде SimInTech [15] была разработана структурная схема моделирования систем программного регулирования параметрами динамического освещения: уровнем освещенности и коррелированной цветовой температурой оптического излучения.

Digital light sensor

Рисунок 1 – Структурная схема моделирования СПР параметрами динамического освещения в среде SimInTech

Figure 1 – Structural diagram of simulating the dynamic lighting parameters in the SimInTech environment

На рисунке 1 первая система является замкнутой, вторая – разомкнутой.

Исходная схема [15], была дополнена блоком «ПЛК» (рисунок 1), производящим расчет E Z и CCT Z по моделям естественного солнечного света (1) и (2). Блок был создан с использованием текстового языка программирования, встроенного в SimInTech.

Для оценки качества регулирования КЦТ оптического излучения на выходе субмодели «Светильник» (рисунок 1) дополнительно был сформирован векторизованный сигнал E WC , состоящий из сигналов освещенностей, создаваемых белым теплым E W и холодным E C светодиодами светильника.

В субмодели «Наблюдатель» (рисунок 1) учитывается инертность зрительного аппарата человека [15] и выполняется пересчет освещенностей E W и E C в величину наблюдаемой КЦТ с использованием выражения (3).

Векторизованный выходной сигнал E ZN (рисунок 1), включает в себя сигналы освещенностей E Z и E N , а векторизованный сигнал CCT ZN – сигналы коррелированных цветовых температур CCT Z и CCT N .

Полученные путем компьютерного моделирования искомые переходные процессы систем программного регулирования представлены на рисунках 2 и 3. На данных рисунках синей линией показаны заданные значения величин, красной – наблюдаемые на выходе системы, штриховой линией – допустимые отклонения.

По каналу регулирования освещенности (рисунок 2) на всех исследуемых участках светового периода изменения освещенности E N (красные линии) не превышают допустимых отклонений (штриховые линии).

По каналу регулирования коррелированной цветовой температуры на «среднем» участке (рисунок 3 а ), несмотря на ступенчатое изменение КЦТ оптического излучения амплитудой около 10 К (красная линия), обеспечивается достаточно высокая точность регулирования.

На «начальном» (рисунок 3 б ) и «конечном» (рисунок 3 в ) участках светового периода имеются непродолжительные отклонения от допустимых пределов регулирования. Существует незначительная задержка сигнала CCT N (около 0,67 с) в начальный момент включения светильников (рисунок 3 б ).

Время выхода системы на допустимые отклонения около 29 с (рисунок 3 б и в ), что составляет менее процента от общей продолжительности светового периода.

Такое непродолжительное отклонение в совокупности с малой величиной заданной освещенности ( E Z < 0,85 лк) не окажет влияния на организм сельскохозяйственной птицы.

Ступенчатые изменения величин E N и CCT N (рисунки 2 и 3) главным образом вызваны дискретизацией сигнала датчика освещенности и ШИМ-сигналов управления световыми потоками светодиодов во времени.

а – «средний»; б – «начальный»; в – «конечный»

Рисунок 2 – Переходные процессы освещенностей E Z = f(t) и E N = f(t) на участках светового периода a – «average»; b – «initial»; c – «final»

Figure 2 – Transient processes of illumination E Z = f(t) and E N = f(t) in sections of the light period

а а

а – «средний»; б – «начальный»; в – «конечный»

Рисунок 3 – Переходные процессы КЦТ CCT Z = f ( t ) и CCT N = f ( t ) на участках светового периода a – «average»; b – «initial»; c – «final»

Figure 3 – Transient processes of the CCT Z = f(t) and CCT N = f(t) in the sections of the light period

Выводы. Полученные переходные процессы для характерных участков светового периода при изменении заданного уровня освещенности от 0 до 10 лк и коррелированной цветовой температуры от 2660 до 5640 К удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству программного регулирования уровня освещенности дна кормушки для птицы и КЦТ оптического излучения локальных светодиодных светильников. Дискретизации цифрового датчика освещенности и ШИМ-сигналов управления световыми потоками светодиодов приводят к незначительным (≤ 1% максимальной освещенности) отклонениям уровня освещенности в процессе программного регулирования. Дискретизация ШИМ-сигналов управления световыми потоками оказывает существенное влияние на точность программного регулирования коррелированной цветовой температуры оптического излучения. Повышение точности регулирования возможно за счет увеличения частоты и разрядности управляющих ШИМ-сигналов, применения более быстродействующего датчика освещенности. Параметры ПИ-регулятора, определенные по методу Копелови-ча, можно использовать для реализации систем программного регулирования уровня освещенности и КЦТ оптического излучения светодиодных светильников.