Содержание к диссертации
Введение
1. Текущее состояние вопроса автоматизации управления освещением 15
2. Математическое моделирование осветительных установок с автоматическим управлением 41
2.1. Постановка задачи моделирования 41
2.2. Методика моделирования осветительной установки совмещенного освещения. Метод опорной яркости 47
2.3. Математическое описание физических взаимосвязей в осветительной установке совмещенного освещения 51
2.4. Построение математической модели 58
2.5. Программная реализация математического моделирования осветительной установки совмещенного освещения 62
2.5.1. Численные методы построения математической модели 62
2.5.2. Интерфейс расчетной программы и инструкция пользователя 76
2.5.3. Тестирование программы 81
2.6. Выводы 87
3. Исследование энергопотребления автоматически регулируемых осветительных установок 88
3.1. Постановка задачи исследования 88
3.2. Описание логических взаимосвязей в автоматизированных осветительных установках для существующих алгоритмов управления 90
3.3. Метод априорного расчета энергопотребления автоматизированных осветительных установок 102
3.4. Программная реализация расчета годового энергопотребления в зависимости от алгоритма управления осветительными установками103
3.4.1. Интерфейс программы и инструкция пользователя 103
3.4.2. Тестирование программы расчета энергопотребления 108
3.5. Исследование энергопотребления осветительных установок 114
3.6. Выводы 121
4. Оптимизация энергопотребления в автоматически управляемых осветительных установках 123
4.1. Постановка задачи оптимизации 123
4.2. Методика построения оптимального алгоритма управления внутренним освещением 126
4.3. Программная реализация построения оптимального алгоритма управления освещением 135
4.3.1. Интерфейс программы и инструкция пользователя 135
4.3.2. Тестирование программы 137
4.3.3. Пример оптимизации управления осветительной установкой 141
4.4. Вопросы выбора контрольных точек и группировки светильников для автоматического управления освещением 143
4.5. Функция самоадаптации и устойчивость алгоритма управления 151
4.5.1. Самоадаптация оптимального алгоритма к условиям эксплуатации 151
4.5.2. Вопросы устойчивости оптимального алгоритма управления 153
4.6. Предложения по практической реализации самоадаптирующихся оптимальных алгоритмов управления осветительными установками155
4.7. Выводы 159
Заключение 160
Литература 162
Список принятых сокращений 168
Приложения 169
- Текущее состояние вопроса автоматизации управления освещением
- Методика моделирования осветительной установки совмещенного освещения. Метод опорной яркости
- Описание логических взаимосвязей в автоматизированных осветительных установках для существующих алгоритмов управления
- Методика построения оптимального алгоритма управления внутренним освещением
Введение к работе
Деятельность современного человечества невозможна без электрического освещения. До 20% общего энергопотребления и до 60 % энергопотребления общественных зданий в развитых странах приходится на долю осветительных установок (ОУ) различного назначения [61, 68, 69, 73, 76]. В связи со значительными затратами, связанными с наращиванием производства электроэнергии (ЭЭ), а также ввиду исчерпаемости большинства традиционных энергоресурсов и негативного влияния электростанций на экологическую ситуацию на планете необходимо повышать эффективность использования вырабатываемой энергии, в том числе расходуемой на освещение.
Существуют экстенсивные и интенсивные способы рационализации энергопотребления искусственного освещения. Первые из них заключаются в непосредственном повышении энергетической и световой эффективности источников света и световых приборов. Вторые позволяют повысить энергоэкономичность ОУ при использовании существующего светотехнического оборудования за счет оптимизации режимов его эксплуатации. К этой группе относятся оптимизация размещения светильников в зависимости от конкретных зрительных задач; расширенное использование естественного освещения (ЕО) и применение автоматических или автоматизированных систем управления освещением (СУО). Под автоматическим управлением здесь и далее подразумевается автономная работа СУО, не предусматривающая вмешательства человека. Автоматизированными СУО будем называть все системы, имеющие приборы ручного управления, приоритетные по отношению к автоматическому заданию режима работы ОУ. К этому виду относятся многие из современных серийно производимых СУО.
Следует отметить, что автоматизированные СУО обладают целым рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными (ручными) средствами управления. К ним относятся предоставление пользователю удобных
5 средств индивидуальной настройки режима работы ОУ (дистанционного управления), обеспечение комфортной световой среды за счет автоматического поддержания ее характеристик на указанном пользователем уровне, упрощение электропроводок внутри помещений, гибкость при перепрофилировании и перепланировке помещений, интеграция с другими инженерными системами здания и многое другое.
Несмотря на весь комплекс преимуществ, предоставляемых пользователям СУ О, в современной отечественной практике критерием целесообразности новых изделий чаще всего являются лишь их экономические показатели. Однако именно этим и объясняется возросший в последние годы интерес к СУ О [91]. Этот факт дает основания надеяться, что за счет привлекательности для потребителей энергосберегающих свойств СУО они в обозримое время найдут широкое применение и в нашей стране. Для этого необходимы в первую очередь всесторонние исследования всех аспектов эксплуатации СУО, и в первую очередь их энергоэкономичности.
Автоматическое управление осветительной установкой позволяет осуществить полный контроль факторов, определяющих потребление электрической энергии: текущей мощности ОУ и времени ее работы. Под текущей мощностью потребителя энергии здесь и далее будем понимать действующее значение мощности этого потребителя в рассматриваемый момент времени. Экономичность СУО является их наиболее важной особенностью в условиях эксплуатации, в которых четкий контроль за работой ОУ и персональная ответственность за расход ЭЭ труднореализуемы. Это относится в первую очередь к наружному освещению и освещению производственных и общественных зданий. В первых двух случаях проблема практически решена за счет широкого внедрения централизации управления освещением и наличия специальных диспетчерских служб, принимающих на себя ответственность за эксплуатацию ОУ. В связи с этим предметом исследования в данной работе являются наиболее распространенные в мире автоматизированные ОУ общественных зданий, обеспечивающие самые высокие показатели по относительной экономии ЭЭ. Автоматизи-
рованными ОУ здесь и далее по тексту называются ОУ, оснащенные системами автоматического управления освещением.
Идея изменения текущего режима работы ОУ без участия человека не нова. Первые упоминания в литературе о фотоавтоматах на базе вакуумных фотоэлементов появились еще в 1930-х годах. Однако начало серийного производства и широкого внедрения автоматических устройств совпало с периодом появления и стремительного развития полупроводниковой элементной базы [1,2, 3], концом 50-х - началом 60-х годов XX века. Принцип действия этих устройств основан на полном или частичном отключении осветительной нагрузки при превышении естественной освещенностью заданного уровня, и даже при таком примитивном алгоритме работы они обеспечивали существенную экономию ЭЭ, например, на лестничных клетках жилых зданий [4].
В течение последних десятилетий значительно улучшились характеристики серийно выпускаемого светотехнического оборудования. Появилась техническая возможность глубокого регулирования светового потока газоразрядных ламп, существенно расширяющая потенциал экономии ЭЭ за счет автоматического управления ОУ. Прогресс затронул и СУ О, которые с начала 1990-х годов начали создаваться на базе микропроцессорных комплектов. Современные СУО позволяют снизить текущую мощность ОУ при наличии ЕО в помещении (фактически осуществляя переход от искусственного к совмещенному освещению), отключить светильники или перевести их в дежурный режим при отсутствии в помещении людей, а также исключить работу ОУ вне рабочего времени по сигналам таймеров.
К настоящему моменту многие зарубежные фирмы серийно выпускают обширнейший ассортимент построенных на качественной элементной базе СУО различного назначения, обеспечивающих значительную экономию ЭЭ в ОУ внутреннего освещения. Однако следует отметить, что начиная с самого момента появления СУО существует тенденция к их рассмотрению в первую очередь как электронных устройств, что иногда затмевает роль таких систем в ка-
7 честве светотехнического компонента ОУ. В качестве примеров такого подхода можно привести управление ОУ лишь на основе измерений горизонтальной освещенности в помещении; контроль освещенности в единственной точке помещения; использование вместо данных об освещенности данных о яркости; отсутствие четких рекомендаций по выбору в помещении контрольных точек для СУО и многое другое. К сожалению, эти недостатки свойственны практически всем известным СУО, что фактически сужает их область применения до помещений с невысокими требованиями к качеству световой среды. Существует необходимость в универсальных СУО, обеспечивающих любые заданные характеристики световой среды в помещении в любой момент времени. Такие системы должны предусматривать контроль различных количественных и качественных характеристик световой среды в помещении, а также учет их распределения в пространстве путем проведения измерений в нескольких характерных точках. При наличии соответствующей теоретической основы реализация подобных СУО вполне возможна на микропроцессорной базе.
Несмотря на то, что количество методов управления ограничено и они одинаково используются практически во всех СУО, приводимые в литературе данные о достигаемой экономии ЭЭ очень противоречивы. Например, оценка снижения энергопотребления за счет управления ОУ по сигналам фотодатчиков (ФД) в различных источниках колеблется от 15 до 80% [13, 55, 81, 91]. Кроме этого, существует тенденция предоставлять подобные данные для конкретного примера эксплуатации СУО при отсутствии общей методики расчета энергоэкономичности. Тем не менее, с учетом высокой стоимости СУО для определения целесообразности их применения в конкретных ОУ необходимо заранее представлять возможности по экономии ЭЭ для заданных условий.
В серийно производимых современных СУО, как и в первых фотоавтоматах, используются простейшие взаимосвязи между измеряемыми уровнями освещенности и значениями световых потоков светильников. Вместе с этим, очевидно, что одному и тому же распределению освещенности в помещении могут соответствовать различные сочетания световых потоков каждого из светильни-
8 ков и, следовательно, различные уровни мощности ОУ. Простейшее управление позволяет найти лишь одно из этих сочетаний, в то время как минимальное энергопотребление ОУ подразумевает поиск оптимального уровня мощности всех светильников. Таким образом, при создании новых СУО желательно закладывать в алгоритм их работы оптимальные зависимости мощности ОУ от контролируемых характеристик световой среды.
Актуальность настоящей работы подтверждается возрастающим вниманием, уделяемым проблемам энергосбережения, в частности вопросам автоматического управления освещением. Из-за высокой стоимости и многочисленных концептуальных недостатков существующие зарубежные СУО, как правило, экономически не оправдывают себя в отечественных условиях эксплуатации. Существует острая необходимость в создании СУО, основной функцией которых будет экономия ЭЭ. Согласно проведенному в гл. 1 анализу литературных данных, наибольшая доля экономии ЭЭ (до 70%) в подобных системах достигается за счет управления ОУ по сигналам внутренних ФД. Предметом рассмотрения данной работы явились системы, реализующие эту функцию.
Для успешного применения существующих СУО в проектной практике необходимо априорно оценивать их возможную энергоэкономичность в конкретных условиях эксплуатации. В настоящее время большая часть исследований энергопотребления автоматизированных ОУ носит экспериментальный характер. Полученные результаты имеют области применения, ограниченные условиями, при которых были поставлены эксперименты. Отдельные типы СУО вообще создавались в первую очередь как электротехнические устройства, и исследования их энергоэкономичности не проводились. Вместе с тем, априорный анализ экономической эффективности произвольного типа СУО требует проведения расчета годового расхода электроэнергии (ЭЭ) в произвольных условиях эксплуатации (включающих параметры ОУ, размеры и свойства помещения, ресурсы светового климата). Данный расчет подразумевает создание математической модели автоматизированной ОУ, описывающей электрические и свето-
9 технические характеристики последней с учетом заложенного в СУО алгоритма управления. Использование подобной модели позволяет существенно снизить временные затраты по сравнению с экспериментальными исследованиями при одновременном расширении области применения полученных результатов.
Принцип действия существующих СУО основан на измерении лишь горизонтальной освещенности в нескольких точках помещения. Вместе с тем, в работах ряда авторов подчеркивается, что совмещенное освещение предъявляет особые требования к качеству световой среды, и в первую очередь к распределению яркостей в пространстве. Таким образом, необходимо создание новых алгоритмов управления освещением, предусматривающих контроль не только количественных, но и качественных характеристик световой среды. Учет этих характеристик также может быть реализован на базе математического моделирования ОУ.
Эквивалентные с точки зрения измеряемых в контрольных точках параметров световой среды режимы работы автоматизированной ОУ могут обеспечиваться при различной текущей мощности ОУ. Следовательно, в каждый момент времени работы ОУ существует, по крайней мере, один режим ее работы, обеспечивающий минимальное (оптимальное) энергопотребление. При разработке новых СУО целесообразно закладывать в них алгоритм управления, обеспечивающий работу ОУ в оптимальном режиме. Таким образом, необходима разработка математической модели, описывающей оптимальный алгоритм управления.
В настоящее время в литературе отсутствуют упоминания о работах по математическому моделированию современных СУО. Это делает невозможным создание общей методики предсказания энергопотребления автоматизированных ОУ, а также придание СУО функций поддержания качественных характеристик световой среды в помещении и разработку оптимальных СУО. Поэтому предлагаемую тему диссертации можно считать актуальной.
10 Цели работы:
Выявление и систематизация основных типов существующих СУО и математическое моделирование их алгоритмов работы.
Построение математической модели автоматически управляемой ОУ как единого комплекса совмещенного освещения.
Исследование энергопотребления типовых ОУ с СУО на базе полученных моделей с учетом особенностей помещений, характеристик ОУ и алгоритмов управления.
Создание алгоритма управления совмещенным освещением, использующего информацию не только о количественных, но и о качественных характеристиках световой среды помещения и обеспечивающего минимальное энергопотребление ОУ (построение оптимального алгоритма управления).
Создание комплексного программного обеспечения для исследования СУО, реализующего разработанные модели и полученные алгоритмы управления.
Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит четыре приложения. В первой главе произведен анализ литературных данных об истории и современном состоянии систем автоматического управления освещением, подробно рассмотрены возможности экономии ЭЭ в таких системах, вьывлены наиболее перспективные с точки зрения энергосбережения методы автоматического управления. В результате проведенного обобщения сообщаемых в литературе экспериментальных данных сделан вывод о наибольшем значении СУО с внутренними фотодатчиками для экономии ЭЭ в общем внутреннем освещении. Отмечено, что данный класс систем в настоящее время недостаточно исследован.
Во второй главе в качестве универсального подхода к автоматизированным ОУ предложено математическое моделирование системы «ОУ - СУО» и под-
робно рассмотрена методика построения модели для произвольного помещения. Третья глава представляет собой описание применения модели для априорной оценки энергоэкономичности ОУ и СУО в заданных условиях применения. В конце третьей главы приведен пример использования предложенной методики для исследования энергоэкономичности девяти вариантов ОУ одного помещения.
Четвертая глава посвящена оптимизации автоматического управления ОУ по сигналам фотодатчиков. Рассмотрены свойства математической модели ОУ, на основании которых предложен быстродействующий оптимальный алгоритм управления. Сделаны предложения по практической реализации алгоритма в СУО, обеспечению устойчивости и введению в алгоритм оперативной самоадаптации.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций определяется следующими признаками:
Использование апробированных и широко применяющихся в проектной практике моделей распределения яркости по небосводу и светораспределения светильников, а также известных методов расчета прямых и отраженных составляющих интегральных характеристик световой среды.
Использование априорной оценки погрешности результатов в процессе расчетов.
Согласование промежуточных численных результатов, получаемых в процессе построения математических моделей светотехнической части ОУ, с результатами аналитических расчетов для светораспределений светильников, поддающихся аналитическому описанию либо с результатами расчетов на нескольких известных программных продуктах для произвольных типов и размещений светильников.
Согласование значений относительной экономии ЭЭ, рассчитанных с использованием предложенной математической модели, с опубликованными в
12 литературе экспериментальными данными, полученными для типовых ОУ, помещений, алгоритмов управления и светоклиматических зон.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен метод расчета регулируемого совмещенного освещения, основанный на опорных значениях яркости источников искусственного и естественного излучения (метод опорной яркости).
Впервые предложена математическая модель, описывающая светотехнические и электроэнергетические характеристики автоматизированной ОУ совмещенного освещения с учетом вносимых системой управления обратных связей между характеристиками световой среды и мощностями искусственных излучателей.
Разработана методика прогнозирования энергопотребления автоматизированных ОУ с произвольными алгоритмами управления, основанная на математическом моделировании.
Разработан оптимальный (обеспечивающий минимальное энергопотребление ОУ) метод автоматического управления ОУ совмещенного освещения, основанный на применении симплекс-алгоритма к части математической модели ОУ, описывающей связи опорных яркостей и контролируемых характеристик световой среды (КХ) в помещении.
Практическая ценность работы:
Разработан пакет прикладных программ, осуществляющих расчеты интегральных характеристик световой среды внутри помещений с ОУ совмещенного освещения, применимый для проектирования ОУ.
Реализована в виде программного комплекса математическая модель ОУ, обеспечивающая прогнозирование энергопотребления ОУ с существующими алгоритмами управления.
Получены зависимости энергопотребления автоматизированных ОУ от алгоритма управления, параметров регулирующего оборудования и коэффици-
13 ента запаса, принятого при проектировании ОУ для типичных условий эксплуатации в общественных зданиях. Сделаны выводы о целесообразности существующих алгоритмов управления в условиях различных светоклиматических зон.
Разработан в виде программного продукта и используется в рамках НИР «Разработка систем управления внутренним освещением демонстрационных объектов в школах, больницах и детских садах МО "Лефортово"» оптимальный алгоритм управления ОУ.
Получена требуемая для практического применения СУ О оценка зависимости необходимого количества и размещения контрольных точек от количества и размещения раздельно управляемых групп светильников в ОУ.
Реализация работы. Результаты проведенных исследований нашли применение в следующих работах:
НИР на тему "Разработка систем управления внутренним освещением демонстрационных объектов в школах, больницах и детских садах МО "Лефортово"", проводимой в рамках направления "Энергосберегающие технологии межотраслевого применения" "Долгосрочной программы энергосбережения в городе Москве" Правительства Москвы. (Руководитель работы -профессор Атаев А.Е.).
программных продуктах LCS Calculator (в четырех модификациях), LCS Estimator и LCS Optimizer для 32-битных операционных систем MS Windows, предназначенных для математического моделирования, исследования энергопотребления и оптимизации СУ О соответственно. Программы используются в учебном процессе на кафедре Светотехники МЭИ в рамках курсового, дипломного проектирования и лабораторного практикума.
разработанном автором работы учебном курсе «Энергосбережение в осветительных установках» (24 часа).
14 Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на пятой и шестой московских международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", четвертой Международной светотехнической конференции молодых ученых "Lux Junior" (Ильменау, 1999), научно-техническом семинаре «Молодые светотехники России» (Москва, 1999), IV международной светотехнической конференции (Вологда, 2000) и на семинарах кафедры Светотехники МЭИ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ [110-119].
Текущее состояние вопроса автоматизации управления освещением
С начала 1960-х годов и вплоть до настоящего времени наиболее широко распространенным типом ОУ общественных зданий являются нерегулируемые установки, образованные группами светильников с люминесцентными лампами (ЛЛ) или реже - лампами накаливания (ЛН) или высокого давления [92]. В подобных ОУ энергопотребление каждого компонента мощностью Pj (например, ряда светильников) определяется, как где Ati - время работы рассматриваемой части ОУ. Полное энергопотребление ОУ может быть определено, как
Из формулы (1.2) очевидны два способа снижения энергопотребления традиционных ОУ: за счет отключения части элементов ОУ, в работе которых нет необходимости и путем уменьшения времени работы элементов ОУ Atj. Введя понятие способа управления ОУ, характеризующее функцию изменения мощности ОУ во времени, управление ОУ путем полного отключения целых групп светильников может быть отнесено к способу дискретного отключения, описываемому функцией где Pjt ном - номинальная (паспортная) мощностьу-й группы светильников.
Наиболее полного учета целесообразности работы ОУ в каждый момент времени и определения необходимой ее мощности можно добиться только при использовании средств автоматического управления.
Автоматизированная ОУ представляет собой комплекс, в который согласно принятой в теории управления терминологии входят следующие основные составляющие (рис. 1.1) [10]: 1. Объект управления, которым являются непосредственно управляемые светильники в ОУ; 2. Блок управления, функции которого выполняет СУО; 3. Исходные данные, описывающие требуемое состояние объекта управления и вводящиеся в систему вручную; 4. Внешние факторы, оказывающие независимое от блока принятия решений влияние на объект управления и отдельно учитывающиеся в процессе управления (в случае ОУ таким фактором является, например, ЕО).
Измеряемая системой управления контролируемая характеристика (КХ) объекта y(t) (например, горизонтальная освещенность) формируется под воздействием управляющего воздействия u(t) и неуправляемого воздействия X(t), определяющихся системой управления и внешними по отношению к ОУ факторами соответственно. В ОУ внешним фактором может служить световой поток ЕО, а управляющим воздействием u(t) может являться, например, вырабатываемый по команде СУО световой поток ламп. Блок управления поддерживает воздействие u(t) на таком уровне, чтобы значения y(t) в каждый момент времени были максимально приближены к определяемым исходными данными.
Серийные образцы промышленных систем автоматического и автоматизированного управления ОУ впервые появились в период разработки надежной электронной элементной базы - аналоговых полупроводниковых приборов (конец 50-х - начало 60-х годов XX в.). Первые образцы СУО представляли собой фотореле на базе селеновых фотоэлементов, коммутировавшие электрическую нагрузку в зависимости от фототока, вызванного ЕО [1-4]. Такие устройства, реализующие полное или частичное отключение светильников, нашли широкое применение в управлении ОУ лестничных клеток, а также в наружном и уличном освещении. Примерно в те же годы было реализовано ограничение времени работы ОУ по сигналам электромеханических часов реального времени [6, 70, 71]. Таким образом, простейшие фотореле и временные коммутаторы позволили в значительной степени снизить остроту проблемы обеспечения экономичности ОУ с труднореализуемой личной ответственностью пользователей за энергопотребление.
В [11] отмечено, что дискретное изменение мощности ОУ с небольшим числом возможных вариантов неспособно эффективно удовлетворить плавно изменяющейся потребности в искусственном освещении в течение суток. Однако в 1960-е - 80-е годы основным источником света, применяемым для внутреннего освещения, являлись ЛЛ с нерегулируемыми электромагнитными пускорегу-лирующими аппаратами (ПРА). Несмотря на разработку в начале 1970-х годов групповых тиристорных регуляторов мощности ЛЛ [12, 41, 72], они не нашли широкого распространения. Это связано с обычно небольшой глубиной регулирования светового потока ламп (30%), невысокой энергоэффективностью (в случае, когда регулирование требует дополнительного расхода ЭЭ на подогрев катодов ЛЛ) и недопустимым изменением формы кривой тока ламп, влекущим за собой увеличение пульсации светового потока и снижение срока службы ламп. В течение последующих лет произошел значительный прогресс осветительного оборудования.
Методика моделирования осветительной установки совмещенного освещения. Метод опорной яркости
Интегральные характеристики световой среды, позволяющие количественно и качественно оценить освещение помещений, определяются как воздействие на контрольную точку яркостей всех направлений в пространстве L(a, Д t), взвешенных по так называемой функции ценности излучения/ц(а, /3) (рис. 2.6) [94]:
Конкретный вид интегральной характеристики определяется функцией ценности излучения. Пусть относительная зависимость яркостей окружающего і-ю контрольную точку пространства от углов a, J3, создаваемая у-ым светильником, представлена функцией /,,/а, f3). Примем в первом приближении, что эта функция не зависит от абсолютных значений яркостей. Данное допущение справед ливо для всех типов светильников с регулируемыми источниками света, как то ЛН, галогенные ЛН (ГЛН) высокого и низкого напряжения или ЛЛ [106]. Тогда (2.3) можно переписать в виде где Lcg/t) - некоторый масштабный коэффициент, представляющий собой усредненное за несколько периодов сетевого напряжения в момент / значение яркости j светильника в направлении, соответствующем единичному значению относительной функции /яі/а, Р), charEo/t) - вклад ЕО в рассматриваемую /-ю КХ.
Значения charEo,i(t) определяются в первую очередь распределением яркости по небосводу и в общем случае соотношение между ними переменно и является функцией времени дня t. На этапе проектирования совмещенного освещения традиционно используются модели небосвода, представляющие последний в виде некоторого излучателя, создающего неизменное во времени относительное распределение яркости вокруг контрольной точки /я,есті(а, Р). Это позволяет переписать (2.4) в виде где Lz(t) - значение яркости модели небосвода в направлении, соответствующем единичному значению функции/я есті(а, Р), ky, кесті - некоторые индивидуальные для каждой пары «значение яркости - КХ» коэффициенты. Из выражения (2.5) следует, что при известных коэффициентах к расчет текущего значения интегральной характеристики в каждой точке сводится к подстановке в (2.5) текущих характерных значений яркости искусственного и естественного излучения. Физический смысл коэффициентов кф составляющих основу математической модели, близок к смыслу принятого в проектной практике коэффициента естественной освещенности (КЕО), хотя, будучи представленными в общем виде для произвольного вида характеристик charh они представляют значительно большие возможности по описанию световой среды.
Формула (2.5) позволяет предложить единый подход к искусственному и естественному излучению в рамках проектного расчета ОУ регулируемого совмещенного освещения. Удобно ввести понятие опорного значения яркости каждого вносящего вклад в световую среду помещения излучателя, представляющее собой некоторое значение яркости излучателя, однозначно определяющее распределение его светового потока в пространстве. Например, для естественного излучения в качестве опорной удобно принять яркость небосвода в зените, а для искусственного излучения - яркость светильника в направлении а = 0, ft = 0. Метод расчета совмещенного освещения, заключающийся в выявлении значений коэффициентов Лив последующих расчетах по формуле (2.5), будем называть методом опорной яркости. Обратим внимание на то, что коэффициенты к представляют собой математическое описание взаимосвязей опорных яркостей излучателей с КХ, то есть основу математической модели физических взаимосвязей в ОУ.
Для целей построения математической модели целесообразно рассматривать в качестве самостоятельных излучателей уже не отдельные светильники, а группы светильников, яркость которых Lj(t) изменяется синхронно и одинаково. При этом в качестве собственно текущего параметра может быть взята яркость любого из светильников, входящих в такую группу. В случае, когда ОУ образована группами одинаковых светильников, в качестве самостоятельных элементов ОУ удобно рассматривать раздельно управляемые группы светильников (например, ряды на рис. 2.5). Описывающая физические взаимосвязи в системе «ОУ - СУО» система (2.2) в этом случае примет вид
Описание логических взаимосвязей в автоматизированных осветительных установках для существующих алгоритмов управления
Для использования математического моделирования в целях априорного расчета энергопотребления ОУ необходимо дополнить модель физических взаимо связей математическим описанием алгоритма управления группами светильников, заложенного в СУО. По своей сути данный алгоритм представляет собой практический способ решения системы неравенств (2.39), реализованный в СУО. Как уже отмечалось в гл. 1, по каталожным и литературным данным можно выявить ряд характерных алгоритмов, применяющихся в современных системах. Рассмотрим их более подробно.
Первым, наиболее простым алгоритмом управления ОУ является одинаковое регулирование всех групп светильников по сигналам одного или нескольких ФД. Отыскание требуемого уровня мощности ОУ при этом сводится к нахождению решения вида то есть минимального значения опорной яркости Lce, при котором значение КХ char І не занижается во всех М точках измерения.
Управление с фиксированной разностью световых потоков (и, следовательно, опорных яркостей) групп светильников используется, как правило, в ОУ с небольшим количеством ФД. Расчет необходимой яркости производится только для первой группы светильников (например, ближайшего к окнам ряда светильников), а яркости остальных групп вычисляются путем добавления к яркости первой некоторого фиксированного значения. Математически этот процесс может быть сведен к двум этапам: нахождению яркости первой группы светильников по формуле и вычислению остальных яркостей где ALj - разность опорных яркостейу-й и первой групп светильников. В случае, если рассчитанное необходимое значение Lj превышает LJMAX-, ОНО принимается равным LJMAX Последовательный расчет световых потоков (опорных яркостей) рядов светильников представляет собой поочередное решение (2.39) относительно каждого значения опорных яркостей. Это означает, что необходимая текущими параметрами яркость первой группы светильников рассчитывается только с учетом вклада во все КХ естественного излучения а опорные яркости каждой следующей группы - с учетом вклада ЕО и всех уже рассчитанных опорных яркостей:
Аналогично предыдущему алгоритму, при возникновении ситуации Lj Все три описанных алгоритма представляют собой строгие зависимости между опорными яркостями групп светильников и уровнем ЕО, то есть каждому значению опорной яркости ЕО Lz может быть поставлено в соответствие единственное значение текущей мощности ОУ РОУ(0- Несколько иная ситуация наблюдается в автоматизированных ОУ со стихийным алгоритмом управления, при котором каждая группа светильников управляется независимо от остальных, что наблюдается при использовании для каждой из них отдельных СУО. В этом случае точное значение текущей мощности ОУ является случайной величиной, причем можно говорить о минимально возможной и максимально целесообразной мощностях ОУ, то есть о минимуме и максимуме текущей мощности ОУ в каждый момент времени, при которых выполняется (2.39), причем хотя бы одно из входящих в (2.39) выражений обращается в строгое равенство. Реальная установившаяся в стихийно управляемой ОУ текущая мощность в первом приближении может быть принята равной среднему арифметическому этих двух значений. Перед тем, как приступить к подробному рассмотрению стихийного алгоритма управления, необходимо описать взаимосвязь электрической мощности элементов ОУ с их опорными яркостями согласно (2.11).
Методика построения оптимального алгоритма управления внутренним освещением
Как уже отмечалось ранее, задачей любого алгоритма автоматического управления ОУ по сигналам ФД, измеряющих интегральные характеристики световой среды, является поддержание значения каждой из характеристик на уровне, не ниже предписываемого нормами. Как было показано в гл. 2, математическое описание данной функции в рамках предложенного моделирования ОУ с N раздельно управляемыми группами светильников и М контрольными точками представляет собой систему неравенств где chari)HOpM - нормируемые значения контролируемых СУО интегральных характеристик в і точках, charEO,i(t)- вклад ЕО в КХ, измеряемых в этих же точках. Автоматическое определение системой управления этого вклада может быть осуществлено путем вычисления разности где chart(t) - измеренная в момент t КХ в 1-й точке, {Lj}N - набор значений опорных яркостей N групп светильников, установленный системой по состоянию на момент измерения t При этом неравенства (4.1) примут вид причем их правые части будут представлять собой постоянные величины в каждый момент времени. Опустим в дальнейших формулах обозначение зависимости от времени всех входящих в (4.3) величин для упрощения записи выражений.
Введем понятие целевой функции энергопотребления Роу, равной сумме те кущих мощностей всех элементов ОУ: где Cpeej и P0j - параметры, определяющие зависимость вида (3.7) для у-й группы светильников, sgn(Lj) - знаковая функция, принимающая значение 1 при Lj О и 0 при Lj = 0. Математически задача оптимизации энергопотребления сводится к отысканию хотя бы одной комбинации значений {Lj}N, доставляющей минимум функции Роу в каждый момент времени t при следующих ограничениях: где LJMAX - максимальное значение опорной яркости у -й группы светильников, соответствующее максимально возможной (номинальной) мощности данной группы.
На этапе исследования энергоэкономичности различных алгоритмов управления ОУ для решения этой задачи был использован метод направленного перебора возможных комбинаций Lj, удовлетворяющих (4.5), с выбором минимального и максимального значений Роу. Несмотря на простоту и достаточную точность данного метода (погрешность расчета определяется шагом перебора и может быть априорно оценена), его практическое применение в оптимальных СУ О невозможно. Это связано со значительным числом используемых вычислительных операций, так как несмотря на небольшой объем кода команд вычисления проделываются многократно для каждого значения Lj. Так, для расчета оптимального набора опорных яркостей всего лишь трех групп светильников и четырех контрольных точек (ОУ рис. 2.16, а) программе LCS Estimator требуется около 40 секунд на компьютере типа Pentium 11-400. При использовании данного алгоритма для работы с большим числом групп светильников и контрольных точек время расчета возрастает пропорционально величине C"V Нетрудно видеть, что в этой ситуации время реакции СУО на изменение ЕО может достигнуть десятков минут и даже часов, что совершенно недопустимо. Очевидно, необходим поиск другого алгоритма нахождения минимального значения Роу.
