Міністерство освіті та науки України

Севастопольський національний технічний університет

Спеціалізована вчена рада Д 50.052.02

ГУТНИК КОСТЯНТИН СЕРГІЙОВИЧ

УДК 517.977.5

РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ

І АЛГОРИТМІВ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

ШТУЧНИМ ОСВІТЛЕННЯМ

Спеціальність 05.13.03 – “Системи і процеси керування”

Автореферат

Дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Севастополь - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Пряшников Федір Дмитрович, кафедра Суднових і промислових автоматичних систем.

Офіційні опоненти – Кушнир В. М., д.т.н., професор (Морской гідрофизічний інстітут, м. Севастополь); Бровинська Н. М., к.т.н. (Центр логистiкi iновацiй, м. Нiколаєв).

Провідна установа – Дніпропетровський національний університет.

Захист дисертації відбудеться 07 2002 р. о 13:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.052.02 при Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрєлецька бухта, Студентське містечко, ауд. А201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севнту (99053, м. Севастополь, Стрєлецька бухта, Студентське містечко).

Автореферат розісланий 04.10. 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент

Крамарь В. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однієї з найбільш важливих задач сучасної науки є розробка енергетично оптимальних технологій. Одним з коштовних енергоресурсів є електрична енергія, значна частина якої витрачається освітлювальними установками. В Україні на нестатки освітлення витрачається близько 13 % усієї вироблюваної електроенергії, тобто близько 13 млрд. квт-год.

Потенціал економії електроенергії за рахунок скорочення споживання освітлювальними установками дуже значний. Установка систем керування освітленням дозволяє досягти економії до 70 %.

Відомо значний вплив рівня освітленості на стан зорового апарата людини. Некомфортний рівень освітленості приводить до підвищеної утоми очей, що може погіршить стан зору працюючого. Автоматичне керування системой освітлювання поряд з економічним ефектом дозволяє забезпечити виконання і перераховані вимоги медицини, охорони праці і ергономіки, що є другою найважливішою причиною необхідності роботи над пристроями оптимального керування освітленням. Досить розвита система автоматичного керування дозволяє виконати тонке настроювання норм освітленості, що змінюються протягом робочого дня, тижня й інших періодів.

Об'єктом дослідження в даній роботі є система автоматичного керування освітленістю виробничого приміщення.

Ціль дослідження – скорочення енерговитрат системи освітлення шляхом автоматичного керування освітленням у залежності від рівня природної освітленості. Для досягнення мети дослідження зважуються наступні задачі:

- побудова математичної моделі виробничого приміщення як об'єкта автоматичного керування; вибір функціональної схеми системи;

- розробка ряду алгоритмів керування освітленням; проведення порівняльного аналізу алгоритмів;

- практична реалізація експериментального зразка системи автоматичного керування освітленням (САКО), що виконує автоматичне керування освітленням виробничого приміщення;

- дослідження якісних показників САКО і способів їхнього поліпшення; дослідження методів загрубіння реакції системи на вхідний вплив.

Методи дослідження. Для рішення поставлених задач використовувалися теоретичні основи побудови систем автоматичного керування з урахуванням особливостей, властивому автоматичному керуванню освітленням. Експериментальні дослідження проводилися з застосуванням діючого зразка системи, а також комп'ютерної моделі об'єкта керування.

До наукової новизни роботи відноситься наступне:

1. Уперше формалізована математична модель системи автоматичного керування освітленням.

2. Обґрунтовано вибір функціональної схеми САКО.

3. Побудовано чотири алгоритми автоматичного керування освітленням, обґрунтовані кращі сфери застосування кожного алгоритму керування.

4. Обґрунтовано вибір математичного апарата, що виконує необхідне загрубіння реакції системи на вхідній вплив.

Практична цінність досліджень складається в побудові експериментального зразка САКО, що виконує функцію керування освітленням приміщення будь-якого розміру і складності, а також – в одержанні статистичних результатів моделювання роботи системи керування для різних приміщень. При цьому:

1. Розроблено структурну схему системи, обґрунтовані основні технічні рішення, покладені в її основу.

2. Розроблено принципову схему блоку керування, що складає основу системи.

3. Алгоритми керування реалізовані у виді програм для ПЭОМ, що підготовляє дані для блоку керування САКО.

4. Розроблено програму для мікроконтролера блоку керування.

5. Проведено дослідження характеристик САКО, запропоновані шляхи їхнього поліпшення.

Особистий внесок здобувача. Усі результати отримані безпосередньо здобувачем під керуванням наукового керівника. У роботі враховані думки і зауваження викладачів Севастопольського національного технічного університету.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень доповідалися автором і одержали схвалення на наукових семінарах кафедри СПАС (1998 - 2001 р.), конференції "Енергетика - 2000" (Севастополь, 1999 р.). Система випробувана в Севастопольському національному технічному університеті, про що мається відповідний акт упровадження. Мається позитивний відгук про результатах роботи з боку Відділу охорони праці Севастопольської міської адміністрації.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано шість друкованих праць у виданнях, що входять у список ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з уведення, чотирьох розділів, висновку і додатків. Вона містить 128 сторінок текстового матеріалу, 41 малюнок, 7 таблиць, список літератури з 95 найменувань і додатків на 26 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показана важливість розробки і дослідження систем автоматичного керування освітленням. Сформульовано об'єкт, ціль дослідження, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі приводиться огляд сучасного стану досліджень і розробок в області пристроїв автоматичного керування освітленням. Класифіковано задачі, що складають на сьогоднішній день проблему автоматичного керування освітленням приміщення, перераховані способи ручного керування і недоліки останнього перед автоматичними системами. Приводиться статистика, що характеризує розвиток светотехнічной галузі в країнах СНД, а також аналізується досвід США в області автоматичного керування освітленням як приклад позитивного впливу законодавчих норм на стан розробок технологій енергозбереження і їхнє впровадження. Далі в першому розділі досліджується стан розробок автоматичних пристроїв керування освітленням: детекторів присутності, світильників з фотодатчіками, таймерів – а також сучасний стан найбільш передових розробок в області систем автоматичного керування освітленням. Приведено описані в наукових і корпоративних виданнях системи керування, проаналізовані існуючі проблеми і перешкоди на шляху поширення САКО. На закінчення оглядової частини першого розділу сформульовані основні вимоги до САКО, а також – ряд можливих додаткових властивостей САКО, що позитивно впливають на споживчі властивості останніх.

У постановочній частині розділу сформульований математичний опис об'єкта керування.

Якщо загальна кількість крапок нормування приміщення є М., то кожна j-я крапка описується наступними перемінними (j = 1…M).

1. Просторові координати: (Xj,Yj, Zj).

2. Орієнтація площини крапок нормування задається за допомогою одиничного відрізка - нормалі, проведеної з крапки (Xj, Yj, Zj). Координати кінця такого відрізка записуються у виді: (Xnj, Ynj, Znj).

3. Миттєве значення освітленості: Ej.

Задаючим впливом у системі є вектор

Eн = (Eн1, Eн2, ... EнM),

де Eнi - освітленість, яку необхідно забезпечувати в k-й крапці.

Впливом, що обурює об'єкт керування, є ПО, забезпечувана вікнами і (або) світловими ліхтарями. Поточна ПО фіксується у векторі

Eест = (Eест1, Eест2, ... EестH),

де Eестh - освітленість, регистрируемая h-м датчиком, H - кількість датчиків.

Один датчик природної освітленості встановлюється з кожної сторони приміщення, з якого надходить природне світло. Таким чином, якщо віконні прорізи маються лише в одній стіні, встановлюється один датчик (Н = 1), у двох стінах - установлюється два датчики (Н = 2), і т.д.

Дані про поточної ПО в крапках нормування представимо як вектор

Eе = (Eе1, Eе2 , ... EеM),

кожен елемент Eеj якого - значення ЕО в j-й крапці нормування:

,

де ehj – коефіцієнт природної освітленості в j-й крапці відносно h-го джерела естественого світла (датчика).

Керуючий вплив на джерела описується вектором керування:

S = (s1, s2, ... sК),

де si - ступінь регулювання і-го джерела, що приймає цілі значення від 0 до деякого L. При sі = 0 напруга на і-й джерело не подається.

Тоді потужність, споживана системой, виражається вектором:

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

де Ni - потужність електричного струму, споживана і-м джерелом,

Ni = m(Si) UНОМi IНОМi.

На закінчення приводиться формулювання мети керування: досягнення мінімуму інтеграла споживаної джерелами штучного освітлення потужності:

з урахуванням обмеження: необхідно підтримувати освітленість у крапках кожної робочої зони не менш заданої норми:

Ej і Eнj, j = 1 ... M.

Другий розділ присвячений дослідженню структури, математичної моделі САКО і алгоритмів керування. У першій частині розділу улаштовується вибір принципу керування по збурюванню і функціональній схемі без зворотного зв'язку (мал. 1).

Приведена схема САУ володіє декількома достоїнствами:

- унаслідок відсутності зворотного зв'язку система є внутрішньо стабільної - виникнення хитливих режимів роботи цілком виключене;

- реєстрація тільки обурюючих впливів у даній задачі приводить до значного спрощення схеми САУО в порівнянні зі схемою, що включає зворотний зв'язок.

При виробленні керуючого впливу використовуються два типи експериментально обумовлених залежностей.

1. Коефіцієнт зміни напруги харчування джерела висвітлення в залежності від ступіні керування: mi (r) ; i = 1, 2, … K; Целое rО[0;L]. Як приклад на мал. 2 зображена крива m (r), знята експериментально для лампи накалювання.

2. Залежність коефіцієнта зміни освітленості від ступіні керування. Після того, як вектори коефіцієнтів зміни освітленості визначені для всіх джерел, маємо вектори виду: ji (r); i = 1, 2, ... K; Целое rО[0;L]. Крива jі (r), знята експериментально для лампи накалювання, приведена на мал. 3.

Мал. 1. Функціональна схема системи керування.

Мал. 2. Коефіцієнт зміни напруги в залежності від

ступіні регулювання (лампа накалювання).

Мал. 3. Коефіцієнт зміни створюваної освітленості в залежності від ступіні регулювання (лампа накалювання).

Обчислення освітленості, забезпечуваної включеним на номінальну напругу харчування Uном q-м світильником у j-й крапці нормування, здійснюється крапковим методом:

, (1)

де Іaqj - сила світла, забезпечувана q-м світильником у напрямку (кут aqj) на j-ю крапку - є довідковою інформацією для типу q-го світильника, bqj - кут між нормаллю до площини освітлюваної поверхні і напрямком на світильник.

Внесок і-го джерела, включеного на номінальну напругу Uномі, в освітленість j-й крапки утвориться як сума освітленістей, створюваних кожним світильником джерела окремо :

. (2)

При включенні і-го світильника на знижену ступінь r регулювання, тобто на напругу харчування U < Uномі, сила світла, забезпечувана світильником у напрямку на j-ю крапку, зменшується відповідно до jі (r). З обліком цього сумарна освітленість j-й крапки приміщення складається з освещенностей, створюваних окремими джерелами:

, j = 1, 2, ... M, (3)

Сумарна споживана світильниками потужність:

, (4)

Вираження коротко (1) - (4) відображають математичну модель приміщення як об'єкта автоматичного керування.

Далі виконується уточнення постановки задачі. Залежність ji(r) освітленості від ступіні регулювання джерела освітлення і залежність mi(r) споживаної потужності від ступіні регулювання вносять у задачу не лінійність; остання стає задачею нелінійного целочісленого програмування з недіференцируемой (у силу свого східчастого виду) цільовою функцією й обмеженнями-нерівностями. Цільова функція, що підлягає мінімізації по своїх аргументах:

(5)

S1, S2, ... SK О [0;L],

де Si – стан (ступінь керування) i-го джерела освітлення; Uiном – номінальна напруга харчування джерела; Ii – номінальний споживаний останнім струм; L – максимальна ступінь керування; K – кількість джерел штучного освітлення.

Обмежуючі умови:

, (6)

де pij – величина внеску i-го джерела в освітленість j-й крапки нормування; Ejн – освітленість, нормована в j-й крапці; Ehест – освітленість, яка зареєстрована h-м датчиком природної освітленості (ПО); ehj – коефіцієнт ПО j-й крапки відносно h-го датчика; H – кількість датчиків ПО; М – кількість крапок нормування в приміщенні.

Відомо, що задача, поставлена вираженнями (5), (6) не має загального аналітичного рішення. Для рішення можуть бути використані алгоритми пошуку наближеного чи рішення повні переборні алгоритми.

Переборний алгоритм для кожної крапки нормування виконує перебір станів Kокр Ј K джерел, найбільш близьких геометрично до крапки нормування. Число Kокр для деякого екземпляра САКО є постійним і залежить тільки від швидкості апаратної бази, на якій працює САКО (характеристик ЕОМ). У результаті часткового перебору одержують рішення задачі (1), (2). Часто можливо Kокр = K, тобто для кожної крапки розглядаються всі джерела освітлення приміщення.

Алгоритм зон рівної освітленості є варіантом переборного алгоритму. Основна закономірність поширення бічного (проникаючого з вікон) природного світла полягає в тім, що при однаковості умов поширення на рівних відстанях, відкладених перпендикулярно площини вікна, освітленість однакова. Таким чином, на плані приміщення, освітлюваного з однієї чи декількох сторін через ряди вікон, можна провести лінії рівної освітленості (изолюксы), що поєднують групи крапок нормування. Світильники варто згрупувати так, щоб у кожну групу попадали світильники, що лежать на изолюксе, рівнобіжної деякому ряду вікон. У цьому випадку світильники, що входять в одну групу, повинні включатися на однакову потужність, тобто можуть складати одно джерело освітлення (ДО). Ступінь регулювання кожного джерела повинна бути такий, щоб покривати недолік освітленості у всіх освітлюваних їм крапках нормування.

Максімальне значення недоліка освітленності для і-го джерела:

Eнедi = max { EнормRi1 – EискRi1 – EестDi hRi1, EнормRi2 – EискRi2 – EестDi hRi2, … EнормRi ri – EискRi ri – EестDi hRi ri },

де Ri1, Ri2, ... Ri ri - номера крапок нормування, які освітлюються i-м джерелом; EнормRij – нормована освітленость крапки с номером Rij; EискRij – штучна освітленость крапки с номером Rij, яка создана іншімі джерелами, якім в ходе попередніх розрахунків вже прісвядчений деякій стан; EестDi – ПО, яка зареєстрована Di-м датчиком; hRij – КПО крапки с номером Rij.

Після определения максімального недоліка освітленності виконується пошук значення ступени регулювання Si, яка забеспечує освітленость Eнедi, а далі – коректіровка значення штучної освітленності в усіх крапках, в якіх освітленость зросла за рахунок прісвядчення джерелу стана Si.

Алгоритм рівномірного освітлення побудований на допущенні, що для досягнення задачі керування варіанти включення джерел досить вибирати тільки з тих, котрі забезпечують рівномірне освітлення простору приміщення. Останнє припустимо при виконанні наступних умов.

1. У межах приміщення відсутні робочі місця, на яких виконуються роботи, що вимагають істотно різної освітленості.

2. ПО розподіляється рівномірно, тобто внесок останньої в освітленість кожної робочої зони однаковий. Такій умові відповідають, наприклад, приміщення, ПО яким забезпечується стельовими світловими ліхтарями.

При виконанні приведених умов ситуацію, коли в різних частинах приміщення повинна бути забезпечена різна щільність працюючих світильників, можна з розгляду виключити.

В алгоритмі послідовно вирішуються дві задачі :

- підбор "щільності" і послідовності включення джерел (тобто числа іOn включених джерел із групи, що складає з іGr джерел, а також номера іFіrst першого включеного джерела в групі);

- підбор мінімально можливої ступіні , на яку варто включити джерела, номери яких визначені рішенням першої задачі .

Виконання першої задачі зводиться з виконанню наступних двох кроків:

Шаг 1. Виконувати крок 2, поки x(S) = 0, вибираючи i = -N+2, -N+1, …-1, 0, 1, … N-2:

Шаг 2. Виконувати, поки x(S) = 0, вибираючи

,

де b[j] приймає значення 0 або 1 у залежності від значення j-го розряду в двоичном представленні числа b.

S = (S1, S2, … SK)

Sk = L b[k % iGr]

iGr = | i | + 2

Для кожного стану виконується підбор номера іFіrst першого включеного джерела.

Після одержання значень іGr, іOn, іFіrst виконується підбор найменшої достатньої ступіні регулювання для джерел, що включаються.

Алгоритм пошуку найбільш вигідних джерел. У будь-якому стані об'єкта керування кожної ступіні r регулювання кожного джерела i можна зіставити перемінну Cir, що є критерієм “вигідності” ступіні:

,

де Nir - потужність, споживана i-м джерелом при включенні на r-ю ступінь; pijr - освітленість, забезпечувана i-м джерелом при включенні на r-ю ступінь у j-й крапці за умови відсутності інших джерел світла; Ej, Eнj - поточна і необхідна освітленість у j-й крапці.

Таким чином, алгоритм може бути описаний у наступному виді.

Крок 1. Знайти

Крок 2. Якщо виконується умова , то повторити крок 1.

Висновки про доцільні умови застосування кожного алгоритму доцільно згрупувати так, як зазначено в табл. 1.

Таблиця 1

Сфери застосування алгоритмів керування САКО

Рівномірне ПО при рівних нормах освітленості Так Немає

Складність приміщення Низька Висока Низька Висока

Можливості апарат-них засобів Широкі Алгоритм равномер-ного освітлення Спрощений переборний алгоритм Повний переборний алгоритм

САКО Вузькі Алгоритм зон рівної освітлено-сті Алгоритм пошуку найбільш вигідних джерел

Мал. 4. Структурна схема САКО.

Основу БК САКО складає широко застосовуваний у промислових пристроях автоматичного керування мікроконтролер PIC16C84.

Розроблено програму для ПЭОМ, призначена для підготовки даних і моніторингу процесу керування. Описується архітектура програмного забезпечення, діаграма "Сутність-зв'язок" бази даних, а також приводяться основні зведення про програму підготовки даних. Викладені також алгоритми роботи програми мікроконтролера БК.

Третій розділ присвячений опису технічних і програмних засобів САКО, розроблених у ході дослідження. Приводяться два варіанти структурної схеми САКО: на основі ПЭОМ і мікроконтролерного блоку керування (БК), вказуються умови кращого застосування кожного варіанта. Структурна схема виготовленого і випробуваного зразка САКО представлена на мал. 4.

У четвертому розділі викладені результати роботи з дослідження системи керування освітленням. Після обґрунтування факту безумовно усталеної роботи САКО, детально розбираються показники якості роботи системи: час реакції на збурювання, помилка керування.

Час реакції системи складається з часу tАЦП аналого-цифрового перетворення і часу tПр.Реш. ухвалення рішення. При розробці експериментального зразка САКО удалося досягти tАЦП + tПр.Реш. Ј tтакта при будь-яких умовах.

Помилка керування e системи визначається як

e = | Zt - Xt |, де Zt - вплив, що задає, у деякий момент часу, Xt - фактичний стан САКО в той же момент часу. Оцінка помилки керування виконана для випадку, коли точне керування можливо, тобто система штучного освітлення (ШО), світильники якої включених на деяку яскравість, у кожній розрахунковій крапці фізично може забезпечити освітленість, рівну нормованої. Маємо

e = eград. + eАЦП + eрозрахунку + eД,

де eград. - помилка градуировки датчика; eАЦП - помилка аналого-цифрового перетворення; eрозрахунку - помилка розрахунку; eД - помилка дискретизації. У експериментальному зразку отриманий = eград. + eАЦП + eрозрахунку = 0,6 %.

Помилка дискретизації системи визначається для кожного джерела в такий спосіб:

,

де Ei – освітленість, забезпечувана джерелом на ступіні i.

У реалізованому варіанті САКО (шістнадцять ступіней керування) помилка дискретизації завжди позитивна (що визначається метою керування – нерівністю (2)) і для окремого джерела складає величину не більш +6,7 %. Таким чином, сумарна помилка керування складає –0,6...+7,3 %, що цілком задовольняє вимогам діючих Снип: -10...+20 %.

Ряд дослідників підкреслюють важливість деякого загрубления систем автоматичного керування освітленням, що працюють по збурюванню – рівню природної освітленості. При цьому метою загрубления є досягнення кращих суб'єктивне оцінюваних властивостей системи: опитування користувачів існуючих САКО показують, що занадто швидка реакція системи керування на зовнішній вплив (а саме – зміна умов природної освітленості) небажана.

Запропоновано два методи загрубления системи. Короткочасне перетворення Фур'є в методі фільтрації описується наступними вираженнями:

, ,

де xn – вихідний ряд отсчетов, що виникають на вході впливу, що обурює, САКО; N - кількість аналізованих отсчетов у вхідних даних; ck - k-я складова спектра вхідного сигналу ; - k-я складова спектра перетвореного сигналу; - перетворений ряд отсчетов, що відповідають відфільтрованому впливу, що обурює; kср - частота зрізу.

Другий метод загрубления - усереднення останніх N отсчетов вхідного впливу: .

Показано доцільність відсікання викидів сигналу, що доставляють значення першої похідної, що перевищує деяке граничне значення:

,

де vn – поточний відлік на вході збурювання; vn-1 – попередній відлік на вході збурювання; vmax – максимально можливе значення швидкості зміни збурювання.

Порівняння ефективності виконане на моделі за критерієм кількості переключень системи ШО і показало приблизно однакові результати для обох методів.

Економічний ефект від упровадження САКО розрахований на підставі відомої методики розрахунку економії від обмеження напруги на джерелах ШО, що була доповнена для випадку автоматичного керування. Для найбільш загального випадку розрахункова методика показує 13-процентну економію від упровадження САКО.

На закінчення розділу наводяться зведені дані про результати комп'ютерного моделювання роботи системи з урахуванням реальних характеристик розробленого зразка. Час рахування розроблених алгоритмів керування досліджено для різних реальних приміщень. При дослідженні різних алгоритмів керування на ряді денних протоколах зміни природної освітленості отримані дані про точність роботи алгоритмів і досягнутої економії електричної енергії. Перша величина, рівна нулю для повного переборного алгоритму, склала для інших алгоритмів величину 0.9...…20%. Величина максимальної економії отримана в порівнянні з постійно включеної протягом дня системою ШО і склала 21... 88 %

Загальнi висновки

У результаті виконання роботи отримані наступні теоретичні і практичні результати:

1. Побудовано математичну модель системи керування висвітленням, що включає математичний опис об'єкта керування, впливу, що задає, впливу, що обурює і впливу, що керує; сформульована мета керування.

2. Обґрунтовано вибір функціональної схеми системи, запропоновані варіанти реалізації технічних засобів системи автоматичного керування освітленням.

3. Розроблено чотири алгоритми автоматичного керування освітленням; обґрунтовані сфери кращого застосування кожного алгоритму.

4. Досліджено показники якості керування САКО; обґрунтований вибір методів загрубления реакції системи на вхідний вплив.

5. Розроблено, побудовано і випробувано експериментальний зразок САКО, що працює на основі мікропроцесорного блоку керування власної розробки і оригінального програмного забезпечення.

6. Розроблено програмне забезпечення ПЭОМ, призначене для підготовки даних для САКО і моніторингу процесу керування .

7. Виконано моделювання роботи САКО в ряді приміщень з урахуванням характеристик експериментального зразка САКО. Отримано результати якості керування. Отриманий економічний ефект складає від 20 до 80 %.

Основні результати досліджень опубліковані в наступних роботах:

1. Гутник К. С. Методы поиска информации в компьютерной сети Интернет на примере автоматизации управления освещением // Вестник СевГТУ. Информатика, электроника, связь. – 1999. – № 18. – стр. 124-128.

2. Гутник К. С. Усовершенствование методики оценки экономического эффекта от внедрения системы автоматического управления освещением // Вестник СевГТУ. Экономика, финансы. – 1999. – № 19. – стр. 95-99.

3. Гутник К. С., Пряшников Ф. Д. Оптимизация производственного освещения при помощи системы автоматического управления // Оптимизация производственных процессов. – 1999. – № 1. – стр. 97-102.

4. Гутник К. С., Пряшников Ф. Д. Алгоритм автоматического управления освещением // Вестник СевГТУ. Механика, энергетика, экология. – 2000. – № 23. – стр. 132-136.

5. Гутник К. С. Сравнительный анализ алгоритмов управления освещением производственного помещения // Автоматизация процессов и управление. – 2000. – № 27. – стр. 155-160.

6. Гутник К. С., Пряшников Ф. Д. Обработка возмущающего воздействия с целью загрубления работы системы автоматического управления освещением // Вестник СевГТУ. Механика, энергетика, экология. – 2002. – № 39. – стр. 120-123.

7. Гутник К. С. Система автоматического управления освещением производственного помещения // Информационный листок Крымского ЦНТЭИ. – 1999. – № 13.

Гутник К. С. Разработка математической модели и алгоритмов автоматического управления искусственным освещением. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 – Системы и процессы управления. – Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2002.

В диссертации исследована проблема математической формализации производственного помещения как объекта автоматического управления освещением. Обоснована важность автоматического управления искусственным освещением в зависимости от уровня естественного с целью сокращения потребления электрической энергии осветительными установками, а также – более качественного обеспечения надлежащих условий труда.

Формализована математическая модель производственного помещения как объекта управления в системе автоматического управления освещением: математически описаны значимые для исследования координаты объекта управления, задающее, возмущающее и управляющее воздействия. Цель управления сформулирована как задача минимизации недифференцируемой нелинейной функции по нескольким аргументам с несколькими ограничениями–неравенствами.

Обоснован выбор функциональной схемы системы управления как системы управления без обратной связи. Предложены два варианта построения структурной схемы: с применением ПЭВМ и микропроцессорного блока управления.

Построены и исследованы на моделях реальных помещений четыре алгоритма автоматического управления источниками искусственного света в зависимости от уровня естественной освещенности: алгоритм частичного перебора, алгоритм зон равной освещенности, алгоритм равномерного освещения, алгоритм наиболее выгодных источников. Перечисленные алгоритмы отличаются требуемыми вычислительными ресурсами, точностью получаемого решения, накладывают определенные ограничения на конфигурацию помещений, в которых используются. В этой связи для каждого алгоритма предложена сфера наиболее предпочтительного применения.

В ходе экспериментальной работы разработан, построен и испытан действующий образец системы автоматического управления освещением на основе микропроцессорного блока. Разработана программа для ПЭВМ, предназначенная для подготовки данных и мониторинга процесса управления.

Аналитически получены значения основных показателей качества управления системы: время реакции на возмущение и качества управления. Обоснована необходимость загрубления чувствительности системы к перепадам возмущающего воздействия; выполнено сравнение двух методов загрубления: фильтрации и усреднения.

Аналитически получена оценка снизу экономического эффекта от внедрения системы управления искусственным освещением в Украине. В среднем на широте Киева последняя составляет 13%.

С целью подтверждения полученных аналитически значений показателей качества и экономических показателей выполнено моделирование работы системы управления на моделях ряда реальных помещений с учетом характеристик опытного образца.

Проанализировано среднее отклонение от точного решения для различных алгоритмов, составившее в среднем 0…2 %. Величина максимально возможной экономии при внедрении в исследуемых помещениях составила 20…80 %.

Внедрение результатов диссертационной работы на промышленных предприятиях позволяет достичь существенной экономии электрической энергии, а также – обеспечить выполнение норм, накладываемых на условия освещенности рабочих мест.

Ключевые слова: автоматическое управление, освещение, алгоритм, датчик, грубость, микроконтроллер.

Гутник К. С. Розробка математичної моделі і алгоритмів автоматичного керування штучним освітленням – Рукопис. Дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - Системи і процеси керування. - Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2002.

Досліджено проблему математичної формалізації виробничого приміщення як об'єкта автоматичного керування . Сформульовано вид впливу, що задає, впливу, що обурює і впливу, що керує. Для побудови системи керування освітленням обґрунтований вибір функціональної схеми без зворотного зв'язку.

Розроблено чотири алгоритми керування штучним освітленням у залежності від рівня природного, що відрізняються необхідними обчислювальними ресурсами і точністю одержуваного рішення. Для кожного алгоритму сформульована сфера найбільш кращого застосування.

Розроблено і випробуваний експериментальний зразок системи автоматичного керування освітленням. Значення найбільш важливих параметрів системи були отримані аналітично, а потім підтверджені експериментом із застосуванням експериментального зразка.

Ключові слова: автоматичне керування, освітлення, алгоритм, датчик, загрубіння, мікроконтролер.

Gutnik K. S. The development and the study of the mathematical model and algorithms of the automatic artificial lighting control. – Manuscript. The dissertation for getting the scientific degree of the candidate of the technical sciences on the speciality 05.13.03 – Control systems and processes. – Sevastopol national technical university, Sevastopol, 2002.

The problem of the mathematical formalisation of the productional room as the object of the automatic control studied. The specifying, revolting and control influences formulated. Open-loop control system was grounded to be the best basis for the system.

Four algorithms developed for the artificial lighting control according to the natural light conditions. The algorithms differ in the calculating time and the accuracy. The best conditions of the using of each algorithm defined.

The experimental control box was developed and tested. All most important parameters of the system studied analytically: the quality of control and the robustness. This study was confirmed by the experimental study with the use of the control box.

Key words: automatic control, lighting, algorithm, sensor, robustness, microcontroller.

Підписано до друку 14.09.2002. Формат 60х90 1/16. Папір офсетний.

Гарнитура Таймс. Умовн. друк. аркуш 0.75. Тираж 100 прим.

Замовл. № 268. Видавництво СевГТУ, НМЦ

99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, 4-й учбовий корпус