СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ОСВЕЩЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H05B37/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области управления устройствами и, в частности, к цифровому управлению устройствами освещения, например твердотельным источникам света.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Общеизвестно, что переменное поведение систем пропорционально-интегрально-дифференциального (PID) управления может классифицироваться как множество различных категорий. В зависимости от амплитуд, обычно упоминаемых как PID-параметры, в которых каждый из пропорциональных, интегральных и производных сигналов усиливается контроллером, выходной сигнал системы может достичь желаемой установленной точки множеством различных способов. Например, желаемая установленная точка может быть быстро достигнута с некоторой степенью выхода за установленные пределы до фиксации на желаемом уровне, желаемая установленная точка может быть достигнута медленно, по существу без выхода за установленные пределы, или желаемая установленная точка может быть достигнута в минимальный период времени, например, с минимальным выходом за установленные пределы. PID-параметры или константы могут быть выбраны для того, чтобы достичь желаемого переменного поведения системы или времени реакции или времени запаздывания, и это желаемое поведение может быть непосредственно связано с типом системы, управляемой PID-контроллером. Системы, время реакции которых по существу постоянно и подразумевается, что они функционируют в пределах условий эксплуатации, которые являются главным образом постоянными, могут эффективно управляться контроллерами с заранее конфигурируемыми PID-константами.

Как определено выше, PID-параметры для некоторых систем конфигурируются из условия, чтобы желаемая установленная точка или эксплуатационный выходной сигнал системы достигался быстрым способом. Это однако может осуществляться ценой потенциального выхода за установленные пределы и осцилляцией в желаемой установленной точке. В некоторых системах это может привести к заметному и нежелательному отклонению в выходном сигнале или выводе системы.

Например, как идентифицировано выше, выход за установленные пределы и осцилляция по желаемой установленной точке могут быть исключены с помощью соответствующего выбора констант для PID-контроллера, например установка высокого значения для производной константы. Этот выбор производной константы имеет эффект замедления приближения выходного сигнала к желаемой установленной точке, так как желаемая установленная точка достигнута. В этой конфигурации желаемая установленная точка достигается относительно медленным способом. Проблема в этой конфигурации в том, что для системы, которая создает нежелательные и заметные изменения в выводе, может потребоваться, чтобы желаемая установленная точка достигалась гораздо более быстрым способом.

Другим способом существенного исключения выхода за установленные пределы и осцилляции по желаемой установленной точке является действие управляющей системы, используя переменную частоту дискретизации обратной связи. Например, система управления может адаптировать частоту дискретизации согласно считыванию желаемого пользовательского интерфейса или согласно состоянию системы по эксплуатационным условиям. Например, система управления может увеличить частоту дискретизации обратной связи во время переходов между состояниями системы. Например, если система является светильником, частота дискретизации обратной связи может быть скорректирована при уменьшении силы света светильника. Увеличенная частота дискретизации обратной связи во время переходного периода может предоставить динамически более стабильный контур управления. Это, однако, в типичном варианте не простое решение проблемы.

Например, имея определенное представление по использованию PID-контроллеров с твердотельным источником освещения, определенная проблема происходит, когда управляют выходом светильника при низких уровнях интенсивности, является ли это изменением цвета, цветной температуры или изменением интенсивности. Широкое распространение методик цифрового управления в твердотельных системах освещения означает, что многие подобные светильники имеют ограниченное число уровней интенсивности, таких как, например, 2⁸ (т.е. 256 уровней интенсивности). При изменении интенсивности или управлении интенсивностью светильника на относительно высоких световых выходах выход за установленные пределы или осцилляция по желаемой установленной точке с помощью немногих этапов интенсивности типично не различима для глаза. Тем не менее, когда желаемая установленная точка находится в нижнем крае доступного диапазона интенсивности, выход за установленные пределы или осцилляция по желаемой установленной точке с помощью только одного или двух этапов интенсивности может соответствовать различимым изменениям интенсивности, возможно в диапазоне примерно 10%. Эта степень выхода за установленные пределы и осцилляция по желаемой установленной точке типично легко различима и может быть и может раздражать некоторых зрителей.

Как известно, различимая яркость LED имеет нелинейную связь с радиометрической интенсивностью LED, включая, например, эффект Гельмгольца-Кольрауша и феномен Бецольда-Брюке. Эта взаимосвязь между различимой яркостью и измеряемой световой интенсивностью описана, например, Вижецки Г. и У.С. Стайлсом в "Наука цвета: Идеи и способы, количественные данные и формулы", Нью-Йорк, NY: Wiley-Interscience, 2000. Эта взаимосвязь приводит к различимой нелинейной яркости во время использования параметров линейного управления. Связь между различимой яркостью и измеряемой освещенностью объекта может быть примерно представлена законом Стивенса и определяется следующим образом:

B=αL^0,5 (1)

где В является различимой яркостью, α является коэффициентом масштабирования и L является яркостью (измеряется в канделлах на квадратный метр на стерадиан) освещенного объекта в заданной точке по его поверхности. Если, например, закон квадратичного уменьшения на основе закона Стивенса не используется во время корректировки выхода светового потока светильника, эта нелинейная связь между различимой интенсивностью и радиометрической яркостью светильника может составить проблему выхода за установленные пределы различимой интенсивности и/или осцилляции в желаемых установленных точках, которые представляют собой уровни низкой интенсивности.

Следовательно, существует необходимость для нового способа и устройства для цифрового управления устройством освещения, например твердотельным устройством освещения, в котором желаемые установленные точки могут быть достигнуты быстро и главным образом поддерживаться без различимого выхода за установленные пределы или осцилляции во время работы контура выборки обратной связи при постоянной частоте.

Эта исходная информация предоставляется для раскрытия информации, предлагаемой заявителем как возможно значимая для настоящего изобретения. Нет необходимости ни подразумевать допущение, ни толковать, что любая предшествующая информация создает предшествующий уровень техники по отношению к настоящему изобретению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление способа и устройства для цифрового управления устройством освещения. Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусматривается способ цифрового управления устройством освещения, используя PID-контроллер, способ, который содержит этапы: получение желаемой установленной рабочей точки устройства освещения; определение текущей рабочей точки устройства освещения; определение отношения, по меньшей мере, частично на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущая рабочая точка устройства освещения или обеих, и сравнение отношения с заранее определенной пороговой величиной; назначение первого набора значений как параметров PID-контроллера, когда отношение выше заранее определенной пороговой величины; назначение второго набора значений как параметров PID-контроллера, когда отношение выше заранее определенной пороговой величины; и управление устройством освещения, используя PID-контроллер с назначенными параметрами PID-контроллера.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусматривается устройство для цифрового управления устройством освещения, устройство освещения, в ответ на один или более управляющих сигналов, устройство, которое содержит: систему обратной связи, выполненную с возможностью отслеживания одной или более рабочих характеристик устройства освещения, и PID-контроллер, функционально соединенный с устройством освещения и системой обратной связи, PID-контроллер, выполненный с возможностью приема одного или более сигналов обратной связи от системы обратной связи, один или более сигналов, обозначающих одну или более рабочих характеристик устройства освещения, PID-контроллер, выполненный с возможностью приема первого сигнала, обозначающего желаемую установленную рабочую точку устройства освещения и определение параметров PID-контроллера на основе заранее определенного отношения, по меньшей мере, частично, на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущей рабочей точке устройства освещения на основе одного или более сигналов обратной связи или обеих, PID-контроллер, сконфигурированный для формирования одного или более управляющих сигналов на основе параметров PID-контроллера, таким образом предоставляя цифровое управление устройством освещения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует изменение выхода устройства, управляемого PID-контроллером, выполненным с возможностью быстрого достижения желаемой рабочей установленной точки устройства.

Фиг.2 иллюстрирует изменение выхода устройства, управляемого PID-контроллером, выполненным с возможностью медленного достижения желаемой рабочей установленной точки устройства.

Фиг.3 иллюстрирует изменение вывода устройства, управляемого PID-контроллером, выполненным согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 иллюстрирует модель для адаптивного управления определением параметров PID-контроллера согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 иллюстрирует архитектуру системы управления для светильника, содержащего PID-контроллер, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Определения

Термин "устройство освещения" используется для определения устройства, допускающего испускание электромагнитного излучения в области или совокупности областей электромагнитного спектра. Устройство освещения может определить единственное устройство, которое испускает излучение, например, элемент, испускающий свет, и может также использоваться для определения устройства освещения или светильника, или его другие варианты, что легко понятно для специалиста в данной области техники.

Термин "светоизлучающий элемент" (LEE) используется для определения устройства, которое испускает излучение в области или в комбинации областей электромагнитного спектра, например, видимая область, инфракрасная и/или ультрафиолетовая область, когда активируется использованием разности потенциалов в нем или, например, прохождением тока через него. Следовательно, светоизлучающий элемент может иметь монохромные, квазимонохромные, полихромные характеристики или характеристики широкополосного спектра испускания. Примеры светоизлучающих элементов включают в себя полупроводник, органические или с полимером/полимерные светоизлучающие диоды, светоизлучающие диоды с оптической накачкой, покрытые фосфором, светоизлучающие диоды с оптической накачкой с нанокристаллами или другие аналогичные устройства, что легко понятно для специалиста в данной области техники. Кроме того, термин «светоизлучающий элемент» используется для определения конкретного устройства, которое испускает излучение, например, матрица LED, и может равным образом использоваться для определения комбинации определенного устройства, которое испускает излучение вместе с оболочкой или корпусом, в пределах которого помещены определенное устройство или устройства.

Термин "текущая рабочая точка устройства освещения" используется для формулирования одного или более определяемых рабочих условий устройства освещения в текущей или настоящей точке во времени.

Термин "желаемая установленная рабочая точка устройства освещения" используется для формулирования одного или более рабочих условий устройства освещения, которые желательны. Например, желаемая установленная рабочая точка устройства освещения может идентифицировать один или более желаемых цветов освещения, цветность, коррелируемую температуру цвета, выход светового потока или тому подобное, что легко понятно для специалиста в данной области техники.

Термин "текущая установленная рабочая точка устройства освещения" используется для формулирования одного или более рабочих условий устройства освещения, которое выбиралось и привело к настоящей рабочей точке устройства освещения.

В качестве используемого в материалах настоящей заявки, термин "примерно" относится к отклонению +/-10% от номинальной величины. Следует понимать, что подобная вариация всегда включена в любую указанную величину, предоставленную в данном документе, определенно ли она упоминается или нет.

Пока не задано иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют то же самое значение, как обычно понимается специалистом в области техники, к которой относится данное изобретение.

Настоящее изобретение предоставляет способ и устройство для цифрового управления устройством освещения, которое допускает желаемую установленную рабочую точку устройства освещения, которую необходимо достигнуть быстрым способом, значительно снижая выход за установленные пределы и осцилляцию по желаемой установленной рабочей точке устройства освещения. В частности, настоящим изобретением допускается PID-контроллер, выполненный с возможностью изменения параметров PID-контроллера на основе отношения, по меньшей мере, частично на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущей рабочей точки устройства освещения или обеих. Например, если устройство освещения работает в текущей рабочей точке, которая превосходит заранее определенную пороговую величину от желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, PID-контроллер выполняется с возможностью работы, используя первый набор параметров PID-контроллера, при этом первый набор параметров PID-контроллера может допускать главным образом быстрый подход в отношении желаемой установленной рабочей точки устройства освещения. PID-контроллер дополнительно выполняется с возможностью корректирования параметров PID-контроллера с различным набором параметров PID-контроллера при достижении заранее определенной пороговой величины, при этом различный набор параметров PID-контроллера может допускать более медленный подход в отношении желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, таким образом уменьшая выход за установленные пределы и осцилляцию по ней.

PID-контроллер при работе соединен с устройством освещения и системой обратной связи, которая отслеживает рабочие характеристики устройства освещения, которые могут представлять текущую рабочую точку устройства освещения. Таким образом, PID-контроллеру предоставляется информация, требуемая для определения, требуется ли модификация параметров PID-контроллера в момент времени.

Способ и устройство согласно настоящему изобретению может использоваться для управления множеством различных устройств освещения, при этом относительно быстрый подход к желаемой установленной рабочей точке устройства освещения требуется наряду с ограничением выхода за установленные пределы и осцилляции по ней. Например, способ и устройство могут использоваться для управления устройством освещения, при этом его выход оцифровывается или разрешение контура обратной связи относительно крупное, когда сравнивается с желаемым разрешением управления устройством освещения. Например, устройство освещения может быть твердотельным устройством освещения или иным устройством освещения, которое требует цифрового управления им, как известно специалисту в данной области техники.

Система обратной связи

Система обратной связи выполняется с возможностью получения информации, представляющей собой одну или более рабочих характеристик управляемого устройства освещения. Система обратной связи содержит один или более блоков датчиков, которые выполняются с возможностью получения определенной рабочей информации устройства освещения. Блоки датчиков могут быть светочувствительными датчиками, температурными датчиками, датчиками напряжения, датчиками давления, тензодатчиками или другой конфигурацией датчиков, что легко понятно специалисту в данной области техники, при этом конфигурация датчиков соответствует требованиям для получения одной или более желаемых рабочих характеристик. Конфигурация системы обратной связи напрямую зависима от самого устройства освещения и желаемого типа требуемого управления. Специалист в данной области техники легко поймет, как выполнить систему обратной связи, подходящую для определенного устройства освещения.

Например, если устройство является твердотельным устройством освещения, система обратной связи может содержать один или более светочувствительных датчиков, которые выполняются с возможностью получения информации, представляющей выход, формируемый устройством освещения. Система обратной связи может дополнительно содержать один или более температурных датчиков, выполненных с возможностью получения информации, представляющей рабочую температуру одного или более светоизлучающих элементов, в пределах твердотельного светоизлучающего устройства.

В одном варианте осуществления система обратной связи дополнительно содержит один или более фильтров, усилителей или другие электронные компоненты для управления и улучшения информации, получаемой одним или более блоками датчиков.

PID-контроллер

PID-контроллер при работе соединен с системой обратной связи и устройством освещения, при этом на основе набора параметров PID-контроллера PID-контроллер формирует один или более управляющих сигналов для управления работой устройства освещения. В одном варианте осуществления PID-контроллер выполняется в пределах управляющей системы, которая может быть микроконтроллером, микропроцессором или иной системой цифровой обработки сигналов, как легко поймет специалист в данной области техники. В другом варианте осуществления PID-контроллер выполняется как отдельный микроконтроллер, микропроцессор или иная система цифровой обработки сигналов, функционально соединенная с управляющей системой. PID-контроллер дополнительно выполняется с возможностью осуществления доступа к памяти, которая может хранить команды, например управляющие программы, например программное обеспечение, микрокод или встроенное программное обеспечение и данные. Память может быть выполнена как оперативное запоминающее устройство (RAM), программируемое оперативное запоминающее устройство (PROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), флеш или иной формат запоминающего устройства, что легко понятно для специалиста в данной области техники.

PID-контроллер выполняется с возможностью приема одного или более сигналов обратной связи от системы обратной связи, при этом один или более сигналов обозначают одну или более рабочих характеристик устройства освещения, и эти один или более сигналов позволяют PID-контроллеру определять текущую рабочую точку устройства освещения. PID-контроллер дополнительно выполняется с возможностью приема или идентификации сигнала, который обозначает желаемую рабочую установленную точку устройства освещения. На основе заранее определенного отношения, по меньшей мере, частично, на основе желаемой рабочей установленной точки устройства освещения, текущей рабочей точки устройства освещения или обеих PID-контроллер выполняется с возможностью определения набора параметров PID-контроллера. Эти параметры PID-контроллера последовательно используются PID-контроллером для того, чтобы определить один или более управляющих сигналов для управления работой устройством освещения.

Параметры PID-контроллера могут быть выполненными как два или более наборов из значений, при этом определенный набор значений PID-контроллера выбирается на основе оценки заранее заданного отношения, по меньшей мере, частично на основе текущей рабочей точки устройства освещения, желаемой установленной рабочей точки устройства освещения или обеих. В целом может быть множество дискретных наборов значений или набор значений может задаваться непрерывной функцией на основе заранее заданного отношения, по меньшей мере, частично на основе текущей рабочей точки устройства освещения, желаемой рабочей установленной точки устройства освещения или обеих.

В одном варианте осуществления заранее определенное отношение основано на отношении разницы между либо настоящей рабочей точкой устройства освещения и желаемой установленной рабочей точкой устройства освещения, либо желаемой установленной рабочей точкой устройства освещения и текущей установленной рабочей точкой устройства освещения, или обеими.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения PID-контроллер содержит алгоритм управления обратной связью PID. Например, для текущих рабочих точек устройства освещения, равных или превосходящих заранее определенную рабочую пороговую величину, параметры PID-контроллера определяются с помощью первоначального набора значений P₁, I₁ и D₁. Эти параметры PID-контроллера могут быть оптимизированы из условия, что желаемый уровень функционирования устройства освещения и/или желаемая установленная рабочая точка устройства освещения может быть достигнута главным образом за минимальную величину времени с по существу небольшим или по существу незначительным и незаметным выходом за установленные пределы или осцилляцией в функционировании устройства освещения. Кроме того, для текущих рабочих точек устройства освещения ниже заранее определенной рабочей пороговой величины параметры PID-контроллера определяются с помощью первоначального набора значений P₁, I₁ и D₁, если текущая рабочая точка устройства освещения больше, чем заранее определенная величина, отдаленная от желаемой рабочей установленной точки устройства освещения. Если, однако, текущая рабочая точка устройства освещения меньше, чем заранее определенная величина, отстоящая от желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, параметры PID-контроллера определяются вторичным набором значений P₂,I₂ и D₂. В этом варианте осуществления первоначальные значения и вторичные значения параметров PID-контроллера могут быть оптимизированы из условия, что выход устройства освещения может достигать желаемой установленной рабочей точки устройства освещения за по существу минимальную величину времени, с по существу небольшим и по существу незначительным и незаметным перерегулированием или осцилляцией в функционировании устройства освещения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения относительные значения параметра PID-контроллера могут быть определены следующим образом, при этом P₁, I₁ и D₁ определяют первоначальный набор значений и P₂, I₂ и D₂ вторичный набор значений:

P₁>P₂ (2)

I₁>I₂ (3)

D₁ < D₂ (4)

В одном варианте осуществления один, два или все три из вышеопределенных условий выполнены. Кроме того, если одно или два из этих условий выполнены, тогда первоначальные и конечные значения другого одного или двух параметров PID-контроллера, которые не удовлетворяют вышеуказанным условиям, определяются как равные как в первоначальном наборе значений, так и во вторичном наборе значений.

Например, фиг.1 иллюстрирует изменения выхода интенсивности твердотельного устройства освещения в дискретных уровнях от нуля до установленной точки из 10 (произвольные модули), где 10 соответствует 10-у уровню интенсивности выхода дискретного освещения, при этом параметры PID-котроллера конфигурируются из условия, чтобы текущая рабочая точка устройства освещения достигала желаемую установленную рабочую точку устройства освещения быстрым образом, тогда как допускается выход за установленные пределы и осцилляция по ней. Выход сначала достигает желаемой рабочей установленной точки устройства освещения в момент τ₀ времени, но продолжает осцилляцию до момента τ₁ времени. Эта осцилляция может быть различима и, таким образом, являться нежелательной при низком уровне интенсивности. Например, осцилляция на тот же самый процент при высокой желаемой рабочей установленной точке устройства освещения, например 200, типично невидима, и выход различим как зафиксированный в более ранний момент τ₀. Ступенчатая линия 110 определяет фактический выход твердотельного устройства освещения как выход, скорректированный поэтапным образом, и сглаженная линия 100 определяет выход твердотельного устройства освещения, если выход был скорректирован непрерывным образом.

Кроме того, фиг.2 иллюстрирует, как выход интенсивности твердотельного устройства освещения приближается к желаемой установленной рабочей точке устройства освещения, если параметры PID-контроллера сконфигурированы для ограничения выхода за установленные пределы и осцилляции по желаемой установленной рабочей точке устройства освещения. Как проиллюстрировано, приближение к желаемой установленной рабочей точке устройства освещения является медленным, желаемая установленная рабочая точка устройства освещения достигается в момент τ₄ по существу без выхода за установленные пределы или осцилляции. Ступенчатая линия 130 определяет фактический выход твердотельного устройства освещения как выход, скорректированный поэтапным образом, и сглаженная линия 120 определяет выход твердотельного устройства освещения, если выход был скорректирован непрерывным образом.

Кроме того, фиг.3 иллюстрирует, как выход интенсивности твердотельного устройства освещения приближается к желаемой установленной рабочей точке устройства освещения, если параметры PID-контроллера были определены согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В момент τ₃ времени параметры контроллера изменяются от первоначального набора значений до вторичного набора значений, и скорость, при которой выход интенсивности приближается к желаемой рабочей установленной точке устройства освещения из 10, может рассматриваться как снижение. В момент τ₂ времени выход достигает и фиксируется в желаемой установленной рабочей точке устройства освещения, главным образом без выхода за установленные пределы или осцилляции, из-за корректировки параметров PID-контроллера. В одном варианте осуществления настоящего изобретения корректировка параметра PID-контроллера может включать в себя увеличенное значение производной константы. Ступенчатая линия 150 определяет фактический выход твердотельного устройства освещения как выход, скорректированный поэтапным образом, и сглаженная линия 140 определяет выход твердотельного устройства освещения, если выход был скорректирован непрерывным образом.

Так как фиг.1, 2 и 3 проиллюстрированы главным образом в том же самом масштабе, может быть идентифицировано, что τ₂ меньше, чем как τ₁, так и τ₄. Кроме того, как проиллюстрировано на фиг.3, по существу нет выхода за установленные пределы или осцилляции выхода твердотельного устройства освещения в отношении желаемой установленной рабочей точки устройства освещения.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения параметры P, I и D могут быть зависимы от желаемой установленной рабочей точки устройства освещения. Например, первый набор параметров P, I, D может быть выбран, когда желаемый выход светового потока светильника от устройства освещения выше заранее определенной пороговой величины и второй набор параметров P, I, D может быть выбран, когда желаемый выход светового потока светильника от устройства освещения ниже заранее определенной пороговой величины. Например, первоначальный набор параметров может быть равен: P=0,3, I=0,004 и D=0, и если желаемая установленная рабочая точка устройства освещения ниже заранее определенной рабочей пороговой величины, например, 10%-ный выход, который может равняться 10%-ный интенсивности, вторичный набор значений для параметров PID-контроллера может быть определен следующим образом:

P=0,3*0,01 * (установленная точка)^{^} 2 (5)

I=0,004*0,01 * (установленная точка)^{^}2 (6)

D=0 (7)

при этом цифровое значение 10%-ный желаемой установленной рабочей точки устройства освещения равно 10.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения квадратичный алгоритм PID ошибок может использовать определение параметров PID-контроллера. Например, один, многочисленные или все из первоначальных параметров PID-контроллера могут быть возведены в квадрат для получения вторичного набора параметров PID-контроллера. Другие целые или нецелые экспоненты могут использоваться для того, чтобы получить вторичный набор параметров PID-контроллера на основе первоначального набора параметров PID-контроллера или наоборот, что легко понятно для специалиста в данной области техники. В другом варианте осуществления один, многочисленные или все из терминов ошибки могут быть возведены в степень, отличную от 1 или 2, включая частичные степени, меньше чем 1. Например, термины P и I могут быть возведены в степень 2, тогда как термин D может быть возведен в степень 0,5. Эта оценка вторичного набора параметров PID-контроллера может иметь эффект сглаживания перехода от высоких значений P, высоких значений I и низких значений D к низким значениям P, низким значениям I и высоким значениям D.

Фиг.4 иллюстрирует модель для адаптивного управления определением параметров PID-контроллера согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, при этом эта модель конфигурируется, используя формат опережающего типа. В частности, желаемая установленная рабочая точка 200 устройства освещения принимается в PID-контроллере 250 и опережающая модель 210, при этом опережающая модель может представлять собой управляемый процесс, а именно управление устройством освещения, и, таким образом, эта опережающая модель может имитировать ответ устройства освещения для разных отличных рабочих установленных точек. На основе желаемой рабочей установленной точки устройства освещения опережающая модель предоставляет указание ожидаемого ответа 220 устройства освещения для корректировки модуля 230 определения, который последовательно определяет требуемую корректировку 240, используя которую PID-контроллер 250, вместе с настоящей рабочей точкой 290 устройства освещения, полученной от системы обратной связи и/или текущей установленной рабочей точкой устройства освещения, может определять управляющие сигналы 260, которые должны быть переданы в устройство 270 освещения, таким образом управляя выходом 280 устройства освещения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения опережающая модель может определяться как прямая линия, когда желаемая рабочая установленная точка устройства освещения имеет уровень интенсивности освещения, ассоциированный с тем, как он попадает между примерно 10% и примерно 100% максимального выхода светового потока устройства освещения. Как таковой, если уровень интенсивности попадает в пределы этих параметров, модификации параметров PID-контроллера не требуется. Кроме того, когда желаемая установленная рабочая точка устройства освещения, которая имеет уровень интенсивности освещения меньше, чем примерно 10%, опережающая модель может быть определена другой формулировкой, которая предоставляет средство для определения модификации для параметров PID-контроллера для того, чтобы смягчать выход за установленные пределы и/или осцилляцию по желаемой установленной рабочей точке устройства освещения. Например, формулировка может быть задана линейной или криволинейной формой, например прямой, экспоненциальной, параболической или иной формой, и может быть задана другим форматом математической формулировки модели. Формулировка может быть также представлена эвристической моделью или другим методом проб и ошибок определения решения. Другие форматы формулировки легко понятны для специалиста в данной области техники.

Вышеизложенное задает множество способов, в которых параметры PID-контроллера повторно оцениваются на основе одного или более различных способов. Эта модификация параметров PID-контроллера предоставляет форму адаптивного управления функциональными возможностями устройства освещения. Множество различных способов адаптивного управления доступно, например, способы, которые используют адаптивное управление с эталонной моделью (MRAC), адаптивное управление с идентификацией модели (MIAC), нейросеть, нечеткую логику, эвристические алгоритмы или модели, модель адаптивного управления обратной связью, модель опережающего адаптивного управления или другие способы, что легко понятно для специалиста в данной области техники, каждая из которых в отдельности или в их сочетании может быть интегрирована в один или более вариантов осуществления настоящего изобретения.

В варианте осуществления настоящего изобретения возможны другие функциональные зависимости между отдельными терминами P, I и D параметров PID-контроллера, например, экспоненциальное, логарифмическое, полиномиальное или другое функциональное отношение, что легко понятно для специалиста в данной области техники. В одном варианте осуществления настоящего изобретения эти функциональные отношения могут быть реализованы цифровым способом с помощью PID-контроллера, электроники, ассоциированной с системой обратной связи, или с помощью аналоговых средств. Например, логарифмический усилитель может конфигурироваться, используя операционный усилитель с диодом в его контуре обратной связи.

Некоторые блоки датчиков в своей основе имеют нелинейные отклики, например, логарифмический отклик, и эта свойственная характеристика блока датчика может преимущественно использоваться в вариантах осуществления настоящего изобретения без необходимости функциональной модификации входного сигнала от блока датчика. Например, с помощью использования, по существу, немодифицированного выхода от блока датчика для входа для определения параметров PID-контроллера, может быть реализована нелинейная корреляция, которая может предлагать улучшенную производительность в терминах минимизации выхода за установленные пределы и осцилляции, когда комбинируется со множеством или изменяющимися наборами параметров PID.

В одном варианте осуществления параметры PID-контроллера регулируются или характеризуются для каждого из множества желаемых установленных рабочих точек устройства освещения, и эти параметры управления PID могут быть сохранены в таблице или ином формате в памяти, к которой осуществляется доступ с помощью PID-контроллера. Следовательно, когда конкретная желаемая установленная рабочая точка устройства освещения выбрана, PID-контроллер может осуществлять доступ к памяти и идентифицировать соответствующие настроенные параметры PID-контроллера, ассоциированные с этой конкретной желаемой установленной рабочей точкой устройства освещения. В одном варианте осуществления настоящего изобретения параметры PID-контроллера могут регулироваться, используя методики, включающие в себя уравнения Циглера-Николса и Коена-Куна.

Альтернативно, параметры PID-контроллера регулируются или характеризуются только для некоторых желаемых установленных рабочих точек устройства освещения, и оставшиеся параметры PID-контроллера для других желаемых установленных рабочих точек устройства освещения могут быть интерполированы между ними, используя линейную интерполяцию или, например, интерполяцию более высокого порядка.

Теперь изобретение описывается со ссылкой на конкретные примеры. Следует понимать, что последующие примеры предназначены для описания вариантов осуществления и не предназначены для ограничения изобретения каким-либо образом.

ПРИМЕРЫ

Фиг.5 иллюстрирует архитектуру обратной связи и систему управления для светильника или твердотельного устройства освещения, которое содержит способ и устройство для цифрового управления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Светильник содержит один или более светоизлучающих элементов 40 для формирования света, при этом светоизлучающие элементы 40 электрически соединены с источником 30 питания через формирователи 35 тока. Источник 30 питания может быть основан, например, на преобразователе переменного тока в постоянный или переменный ток. Если существуют многочисленные цвета светоизлучающих элементов, отдельные формирователи 35 тока могут предоставляться для каждого цвета, таким образом допуская обеспечение необходимым прямым током для каждого из цветов светоизлучающих элементов 40.

Один или более светочувствительных датчиков 50 предоставляются для обнаружения выхода светового потока от светильника. В одном варианте осуществления отдельные светочувствительные датчики 50 предоставляются для каждого цвета светоизлучающих элементов 40. Кроме того, цветовой фильтр может ассоциироваться с одним или более светочувствительными датчиками 50. Каждый светочувствительный датчик 50 электрически соединен с усилителем и преобразователем 55 сигналов, который может преобразовывать воспринимаемый сигнал в электрический сигнал, который может обрабатываться управляющей системой 60. В одном варианте осуществления управляющая система 60 может управлять усилением и управляющими интегрирующими сигналами усилителя и преобразователя 55 сигналов. Следует понимать, что каждый светочувствительный датчик 50 может обнаруживать величину светового потока, который является достаточным, чтобы предоставлять стабильный фототок, который предоставляет сигнал, имеющий минимальное необходимое отношение сигнал-шум. Кроме того, светочувствительные датчики 50 могут быть защищены из условия, чтобы посторонний или рассеянный свет не мог быть обнаружен таким образом, хотя в одном варианте осуществления является выгодным обнаружить рассеянный свет, например дневной свет.

В одном варианте осуществления пользовательский интерфейс 65 соединен с управляющей системой 60 и предоставляет средство для получения информации, связанной с желаемой температурой цвета, цветностью и/или желаемым выходом светового потока для светильника от пользователя к другому устройству управления, например программируемому суточному таймеру или консоли освещения театра. Эта информация преобразовывается в соответствующие электрические опорные сигналы для использования управляющей системой 60. Управляющая система 60 дополнительно принимает данные обратной связи от светочувствительных датчиков 50, относящихся к выходу светового потока от светильника. Управляющая система 60 может, таким образом, определять соответствующие управляющие сигналы для передачи в формирователи 35 тока для получения желаемого светового потока и цветности освещения, которую необходимо создать светильником. Управляющая система 60 может быть микроконтроллером, микропроцессором или иной системой цифровой обработки сигналов, что легко понятно для специалиста в данной области техники.

В одном варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг.5, управляющая система 60 может дополнительно соединяться при работе с одним или более элементов 45 температурного датчика. Температурные датчики 45 могут предоставлять информацию по температуре светоизлучающих элементов 40 при эксплуатационных условиях. Информация по температуре светоизлучающих элементов 40 может использоваться для балансирования с флуктуациями светового потока, зависимого от температуры, и сдвигами длины волны LED. Например, температура светоизлучающих элементов 40 может определяться с помощью измерения прямого напряжения группы светоизлучающих элементов, сопротивления термистора или напряжения термоэлемента. Следовательно, управляющая система 60 может управлять формирователями 35 тока для адаптации тока возбуждения для группы светоизлучающих элементов 40 опережающим образом.

Аналогично, один или более элементов 45 температурного датчика может предоставлять информацию по температуре окружающей среды светочувствительных датчиков 50 при эксплуатационных условиях. Эта информация может использоваться для выравнивания изменений, зависящих от температуры при светочувствительности опережающим способом.

В одном варианте осуществления управляющая система 60 отвечает на сигналы от обоих светочувствительных датчиков 50 и температурных датчиков 45 как цифровая управляющая система 60 обратной связи, отвечающая только на светочувствительные датчики 50, может демонстрировать меньшую долгосрочную стабильность в поддержании постоянного выхода светового потока и цветности.

В другом варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг.5, управляющая система может опционально содержать один или более датчиков 70 напряжения, которые соединены с и обнаруживают прямое напряжение светоизлучающих элементов 40. Сигналы датчика напряжения могут фильтроваться с помощью полосового фильтра, частота несущей которого равна двойной от линейной частоты переменного тока. Частота выборки сигналов датчика напряжения обычно больше, чем 300 Гц, чтобы минимизировать визуальное мерцание.

Управляющая система 60 включает в себя модифицированный алгоритм управления обратной связью PID. Для желаемых рабочих установленных точек устройства, равных или превышающих 10% от максимального выхода освещения светильника, параметры PID-контроллера установлены в три значения P₁, I₁ и D₁. Они оптимизируются из условия, что выход светильника достигает желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, по существу, за минимальную величину времени, по существу, с небольшим или по существу незначительным и незаметным выходом за установленные пределы или осцилляцией в выходе освещения.

Для желаемых рабочих установленных точек устройства освещения ниже 10% максимального выхода освещения светильника параметры PID-контроллера заданы первоначальным набором значений P₁, I₁ и D₁ и если выход больше, чем 5-процентные точки, отстоящие от желаемой установленной рабочей точки устройства. Конечный набор значений P₂, I₂ и D₂ используется для параметров PID-контроллера, когда выход меньше чем 5-процентные точки, отстоящие от желаемой установленной рабочей точки устройства. Эти параметры PID-контроллера могут оптимизироваться из условия, что выход светильника достигает желаемой установленной рабочей точки устройства за минимальную величину времени, с, по существу, небольшим или, по существу, незначительным и незаметным выходом за установленные пределы или осцилляцией в выходе освещения. Относительные значения параметров PID-контроллеров могут быть заданы как P₁>P₂, I₁>I₂, D₁<D₂. Возможно, один, два или все три из этих условий могут быть выполнены. Если только одно или два из этих условий выполнены, тогда оставшиеся параметры PID-контроллера равны первоначальному и конечному набору значений.

В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения уровень интенсивности, задающий заранее определенную рабочую пороговую величину для перехода между фиксированным набором значений PID-контроллера и многочисленным набором значений, может находиться на уровне, ином чем 10% от максимального выхода светильника, как, например, 7,5% или 15%.

В другом варианте осуществления точка перехода от первоначального набора значений P₁, I₁ и D₁ к конечному набору значений P₂, I₂ и D₂ может происходить при отношениях между настоящей рабочей точкой устройства и желаемой установленной рабочей точкой устройства, например переход может происходить, когда выход находится в заранее определенной величине процентных пунктов, отстоящих от установленной точки, отличном от 5, например 3 или 6.

В одном варианте осуществления первоначальный набор параметров PID-контроллера может использоваться во время переходов выхода, например изменения в желаемом цвете, цветовой температуре или интенсивности, и вторичный набор уменьшенных параметров PID-контроллера может использоваться во время действия устойчивого состояния в желаемых установленных рабочих точках устройства ниже, например 10%. Таким образом, выход твердотельного устройства освещения может иметь существенно быстрый отклик без значительного выхода за установленные пределы, тогда как разрешают, по существу, выход в стабильном устойчивом состоянии без существенной осцилляции.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения красный, зеленый и голубой свет от соответствующих светоизлучающих элементов смешиваются вместе через три отдельных контура обратной связи и PID-контроллеры, а именно один для каждого цвета освещения. Условие для изменения соответствующих параметров PID-контроллера может быть разным для каждого цвета, разрешая цвет с более высокими установленными точками, чтобы действовать как нормальные, и цвет с нижними установленными точками, чтобы использовать различные параметры PID-контроллера.

Очевидно, что вышеизложенные варианты осуществления изобретения являются примерами и могут изменяться многими способами. Такие текущие или будущие изменения не рассматриваются как отклонение от духа и объема изобретения и все подобные модификации, как очевидно для специалиста в данной области техники, подразумеваются включенными в пределы объема последующей формулы изобретения.

Изобретение предоставляет способ и устройство для цифрового управления устройством освещения. Технический результат заключается в быстром способе установления рабочей точки устройства освещения, значительно снижая отклонение и осцилляцию по желаемой установленной рабочей точке устройства освещения. В частности, настоящим изобретением предусматривается использование PID-контроллера, выполненного с возможностью изменения параметров PID-контроллера, по меньшей мере, частично на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущей рабочей точки устройства освещения или обеих. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ цифрового управления устройством освещения с использованием PID-контроллера включает в себя этапы, на которых:
a) получают желаемую установленную рабочую точку устройства освещения;
b) определяют текущую рабочую точку устройства освещения;
c) определяют отношение, по меньшей мере, частично на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущей рабочей точки устройства освещения или обеих и сравнивают указанное отношение с заранее определенной пороговой величиной;
d) назначают первый набор значений как параметры PID-контроллера, когда указанное отношение выше заранее определенной пороговой величины;
e) назначают второй набор значений как параметры PID-контроллера, когда заданное отношение выше заранее определенной пороговой величины; и
f) управляют устройством освещения, используя PID-контроллер с назначенными параметрами PID-контроллера.

2. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором первый набор значений, или второй набор значений, или оба заданы дискретными наборами значений.

3. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором первый набор значений или второй набор значений заданы непрерывными функциями.

4. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором отношение является указывающим на сравнение между желаемой установленной рабочей точкой устройства освещения и текущей рабочей точкой устройства освещения.

5. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором отношение является указывающим на желаемую установленную точку устройства освещения.

6. Способ цифрового управления устройством освещения по п.5, в котором заранее определенная пороговая величина является указывающей на выход светового потока на основе желаемой установленной рабочей точки устройства освещения.

7. Способ цифрового управления устройством освещения по п.6, в котором второй набор значений PID-контроллера является зависимым от желаемой установленной рабочей точки устройства освещения.

8. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором существует множество наборов значений PID-контроллера, и каждый из наборов значений PID-контроллера настраивается для определенной желаемой установленной рабочей точки устройства освещения.

9. Способ цифрового управления устройством освещения по п.8, в котором устройство освещения имеет множество определенных желаемых установленных рабочих точек устройства освещения, и все из множества определенных желаемых установленных рабочих точек устройства освещения имеют следовательно сконфигурированный набор значений PID-контроллера.

10. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором второй набор значений PID-контроллера включает в себя одно или более значений, определяемых из соответствующего значения из первого набора значений PID-контроллера, используя функциональное отношение между ними.

11. Способ цифрового управления устройством освещения по п.10, в котором функциональное отношение является экспоненциальным, логарифмическим или полиномиальным.

12. Способ цифрового управления устройством освещения по п.1, в котором второй набор значений PID-контроллера определяется, используя систему адаптивного управления.

13. Способ цифрового управления устройством освещения по п.12, в котором система адаптивного управления конфигурируется, используя адаптивное управление по эталонной модели, или адаптивное управление с идентификацией модели, или нейронную сеть, или нечеткую логику, или эвристическую модель, или модель адаптивного управления с обратной связью, или модель адаптивного управления с опережением.

14. Устройство для цифрового управления устройством освещения, причем устройство освещения отвечает на один или более управляющих сигналов, устройство для цифрового управления устройством освещения содержит:
a) систему обратной связи, выполненную с возможностью отслеживания одной или более рабочих характеристик устройства освещения; и
b) PID-контроллер, соединенный при работе с устройством освещения и системой обратной связи, при этом PID-контроллер выполнен с возможностью приема одного или более сигналов обратной связи от системы обратной связи, причем указанный один или более сигналов указывают на одну или более рабочих характеристик устройства освещения, PID-контроллер выполнен с возможностью приема первого сигнала, указывающего на желаемую установленную рабочую точку устройства освещения, и определения параметров PID-контроллера на основе заранее определенного отношения на основе, по меньшей мере, частично желаемой установленной рабочей точки устройства освещения, текущей рабочей точки устройства освещения на основе одного или более сигналов обратной связи или обеих, PID-контроллер выполнен с возможностью формирования одного или более управляющих сигналов на основе параметров PID-контроллера,
таким образом, предоставляя цифровое управление устройством освещения.

15. Устройство для цифрового управления устройством освещения по п.14, в котором система обратной связи содержит один или более светочувствительных датчиков, или один или более температурных датчиков, или один или более датчиков напряжения, или их сочетание.

16. Устройство для цифрового управления устройством освещения по п.14, в котором PID-контроллер является отдельным микроконтроллером, микропроцессором или системой цифровой обработки сигналов.