Способ управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике проектирования и управления амплитудно-временными (частотными) характеристиками осветительных систем и приборов светотехнического назначения. Технический результат - повышение стабильности светового импульса ламп. Для достижения данного результата осуществляют формирование значений управляющего воздействия на источник питания лампы с учетом предварительно выявленной зависимости световой интенсивности лампы от величины (амплитуды или мощности) этого воздействия. 3 ил.
Изобретение относится к специальным областям электротехники, в частности к светотехнике, и может найти применение при разработке и конструировании осветительных систем и аппаратуры широкого назначения, от светотехнического оформления зрелищных мероприятий и рекламных объектов до решения специальных прикладных задач.
Широкий спектр типов используемых в светотехнике ламп, различающихся способом генерации света (лампы накаливания, тлеющий разряд, дуговые, импульсные лампы), определяет существенные различия в их вольт-амперных характеристиках, которые в большинстве случаев являются нелинейными. Нелинейными являются также передаточные функции используемых регулируемых источников питания ламп: тиристорных регуляторов, инверторов, конверторов. Использование современных средств электроники и вычислительной техники позволяет во многих случаях учесть существующие нелинейные связи в системе источник питания - лампа и сформировать импульс света с амплитудно-временньми характеристиками, адекватными требованиям заказчика. Однако нарушения в процессе эксплуатации режимов работы оптоэлектроники, понижение напряжения питающей сети, старение лампы или выход из строя части каналов многоканальных ламп ведут к характерным искажениям формы светового импульса, проявляющимся в уплощении или срезе его вершины.
Известен способ управления амплитудно-временньми характеристиками светимости лампы, используемой в бактерицидном реакторе для обеззараживания воды [см. Патент ФРГ №19824423, МПК Н 05 В 41/392, опубл. 02.12.99], при котором в устройство памяти предварительно записывают заданное значение напряжения, которое соответствует напряжению с фотодатчика при выбранной интенсивности лампы, фотодатчиком измеряют сигнал, пропорциональный световой интенсивности лампы, сравнивают в процессе работы лампы напряжение фотодатчика с записанным в устройстве памяти значением и, если они различаются, вырабатывают сигнал рассогласования, в соответствии с которым изменяют управляющее воздействие на источник питания в сторону, соответствующую увеличению интенсивности света при одном знаке сигнала рассогласования, и в сторону, соответствующую уменьшению интенсивности света при другом знаке сигнала рассогласования.
Недостатками такого способа являются невозможность сформировать импульс света с формой, отличающейся от прямоугольной, и наличие наложенных на световой импульс пульсаций, вызванных отработкой сигнала рассогласования в замкнутой петле обратной связи по световой интенсивности.
Известен способ управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы, используемой в самолетостроении, выбранный нами в качестве прототипа [см. Патент GB №2316246, МПК Н 05 В 41/38, опубл. 18.02.98], при котором задают максимально возможное значение управляющего воздействия на источник питания лампы и определяют соответствующее ему максимальное значение напряжения фотодатчика, регистрирующего световой поток лампы, затем в устройство памяти вводят заданную зависимость светимости лампы от времени в виде изменяющегося во времени напряжения, амплитуда которого не превышает максимального значения напряжения фотодатчика, последовательно во времени осуществляют выборку из устройства памяти заданной зависимости и сравнивают в процессе работы лампы напряжение фотодатчика с введенными в устройство памяти значениями, и если они различаются, то вырабатывают сигнал рассогласования, в соответствии с которым изменяют управляющее воздействие на источник питания в сторону, соответствующую увеличению интенсивности света при одном знаке сигнала рассогласования, и в сторону, соответствующую уменьшению интенсивности света при другом знаке сигнала рассогласования.
Недостатком этого способа управления является искажение формы импульса света, проявляющееся в уплощении или срезе его вершины при нарушениях в работе осветительной системы. Кроме этого, способ не лишен недостатка, описанного выше, связанного с наличием наложенных на световой импульс пульсаций, вызванных отработкой сигнала рассогласования в замкнутой петле обратной связи по световой интенсивности. Этот недостаток является характерной особенностью систем управления с замкнутой петлей обратной связи.
Предложенный нами способ управления амплитудно-временньми характеристиками светимости лампы позволяет обеспечить стабильную форму светового импульса лампы в условиях нарушения режимов работы оптоэлектроники и силового питания лампы, при старении лампы и выходе из строя части каналов многоканальной лампы, а также устранить пульсации светового импульса, связанные с отработкой сигнала рассогласования.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы путем регистрации фотодатчиком сигнала, пропорционального ее световой интенсивности, и формирования по нему величины управляющего воздействия на источник питания лампы, по фотодатчику регистрируют зависимость световой интенсивности лампы от величины управляющего воздействия на источник питания лампы и сохраняют ее в устройстве памяти в относительных единицах, формируют в устройстве памяти вторую зависимость изменения световой интенсивности лампы от времени, нормированную на любое произвольно выбранное значение интенсивности света из первой зависимости, затем сопоставляют последовательные во времени значения световой интенсивности из второй зависимости с равными им значениями световой интенсивности из первой зависимости и находят значения управляющего воздействия, соответствующие этим значениям световой интенсивности, сохраняя их в устройстве памяти в виде третьей зависимости управляющего воздействия на источник питания лампы от времени, а величину управляющего воздействия на источник питания лампы формируют по значениям третьей зависимости.
При создании изобретения нами было теоретически обосновано и экспериментально показано, что для сохранения формы импульса света лампы при нарушениях режимов работы оптоэлектроники и силового питания лампы, при старении лампы и выходе из строя части каналов многоканальной лампы, а также для устранения пульсаций импульса света, связанных с отработкой сигнала рассогласования, необходимо формировать значения управляющего воздействия на источник питания лампы с учетом предварительно выявленной зависимости световой интенсивности лампы от величины этого воздействия.
На Фиг.1 изображена диаграмма, поясняющая работу заявляемого способа, на которой совмещены три графика в различных осях. По оси F отложена в относительных единицах световая интенсивность лампы, по оси Uупр - величина управляющего напряжения источника питания лампы в вольтах, по оси t - текущее время в секундах. На этих графиках применены следующие обозначения: 1 и 2 - зависимости относительного изменения световой интенсивности лампы от времени при нормальной работе осветительной системы и при нарушениях в ее работе соответственно; 3 и 4 - зависимости относительного изменения световой интенсивности от величины управляющего воздействия при нормальной работе осветительной системы и при нарушениях в ее работе соответственно; 5 - зависимость изменения управляющего воздействия на источник питания от времени; tx, Fx, Ux - текущие значения времени, световой интенсивности лампы и управляющего воздействия на источник питания лампы соответственно; а и b - постоянные; А, В, С, D, Е, G - точки построения. Стрелками показано направление (последовательность) построения.
На Фиг.2 показаны графики, иллюстрирующие характерные искажения светового импульса способа-прототипа, возникающие при нарушениях в работе осветительной системы. На Фиг.2а представлены графики для нарушений первой группы, таких как старение или разъюстировка фотодатчика, а на Фиг.2б - для нарушений второй группы, таких как снижение напряжения питающей сети, снижение светимости лампы за счет ее старения в процессе эксплуатации или несрабатывание части каналов в многоканальной лампе. На Фиг.2 применены следующие обозначения. По осям абцисс отложено время t, а по осям ординат - световая интенсивность F и напряжение U. F1, F2 - кривые изменения во времени световых интенсивностей лампы при отсутствии и наличии нарушений в работе осветительной установки соответственно; Uoп, Uфд - кривые изменения во времени опорного напряжения и напряжения фотодатчика соответственно. Пунктиром обозначены моменты начала и окончания во времени возникающих искажений формы светового импульса.
На Фиг.3 приведены графики, иллюстрирующие экспериментальные данные, полученные при работе осветительной установки в соответствии с предлагаемым изобретением, где F, Uynp, t - оси световой интенсивности, управляющего напряжения и времени в относительных единицах, вольтах и секундах соответственно, 6 - нормированная на единицу зависимость заданного изменения световой интенсивности во времени, 7 - зависимость изменения во времени управляющего напряжения тиристорного регулятора, 8 - нормированная на единицу зависимость изменения во времени световой интенсивности 7-канального излучателя. Стрелкой показана привязка графика 8 к оси Uупр.
Работа предлагаемого способа управления осуществляется следующим образом. По сигналам с фотодатчика снимают зависимость световой интенсивности лампы от величины управляющего воздействия на источник ее питания и сохраняют ее в устройстве памяти в относительных единицах. Этой зависимости соответствует кривая 3 на Фиг.1. Далее формируют в устройстве памяти требуемую условиями задания зависимость изменения интенсивности света лампы от времени (кривая 1 на Фиг.1), предварительно отнормировав ее на любое выбранное значение интенсивности света (постоянная “а” на Фиг.1) из диапазона изменения сохраненной зависимости световой интенсивности лампы от величины управляющего воздействия. На следующем этапе для текущих значений времени tx находят соответствующие значения световой интенсивности Fx и соответствующие им значения управляющих воздействий Ux, обеспечивающие эти значения световой интенсивности Fx (по кривым 1 и 3 в направлении стрелок А-tx-С и А-В-С). Сохраняют в устройстве памяти полученную зависимость управляющего воздействия от времени (кривая 5 Фиг.1). Таким образом, в устройстве памяти оказывается сформированной такая зависимость изменения управляющего воздействия во времени, при реализации которой на входе источника питания лампы будет осуществлено изменение его выходных параметров, обеспечивающее заданный закон изменения во времени световой интенсивности лампы. Это и происходит на последнем этапе работы предлагаемого способа управления.
При нарушениях режимов работы оптоэлектроники, таких, например, как разъюстировка фотодатчика, его старение, понижение напряжения его питания, а также при снижении напряжения питающей сети, снижении светимости лампы за счет ее старения в процессе эксплуатации или несрабатывании части каналов в многоканальной лампе возникает ситуация, когда в запоминающем устройстве записана зависимость F(Uупр), соответствующая кривой 3 (“бездефектная кривая”), а реально имеет место кривая 4.
Благодаря тому, что в данном случае в ячейках памяти устройства управления хранятся предварительно записанные зависимости 1 и 3 и при формировании очередного импульса света устройство управления подаст на вход источника питания лампы управляющее воздействие, изменяющееся во времени в соответствии с кривой 5 независимо от текущего значения сигнала фотодатчика, с учетом кривой 4 будет получена форма импульса света с амплитудой b, соответствующая кривой 2, в чем легко убедиться из построений, указанных стрелками на графиках Фиг.1, где за исходную принята точка А на кривой 5, а в результате построений получена точка В на кривой 2. Очевидно при этом, что если происшедшие изменения не затронули вид функции F(Uупр), а изменили только ее масштабный множитель (кривая 4 вместо кривой 3), то вид функциональной зависимости F(t) также не изменится. Поскольку перечисленные выше нарушения режимов не меняют вид функции F(Uупр), то в результате форма получаемого импульса света останется неизменной, лишь снизится его амплитуда.
Сопоставим работу предложенного способа с прототипом, где в каждый момент времени производится сравнение с опорным напряжением текущего значения сигнала фотодатчика. В результате в первой группе нарушений работы осветительной установки, приводящих к снижению сигнала с фотодатчика при неизменной световой интенсивности, таких как его старение или разъюстировка, произойдет уплощение вершины светового импульса, как это показано на Фиг.2а. Во второй группе нарушений, приводящих к снижению световой интенсивности лампы при неизменной величине управляющего воздействия на источник питания лампы, таких как снижение напряжения питающей сети, снижение светимости лампы за счет ее старения в процессе эксплуатации или несрабатывание части каналов в многоканальной лампе, произойдет срез вершины светового импульса, как это показано на Фиг.2б. Для устранения этих искажений формы светового импульса в способе-прототипе необходимо либо устранить возникшие нарушения, либо произвести повторную калибровку и перезаписать в устройстве памяти заданную зависимость светимости лампы от времени.
На нашем предприятии была проведена экспериментальная проверка работы предложенного нами способа управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы, результаты которой представлены на Фиг.3. В качестве источника питания лампы использовался управляемый тиристорный регулятор типа КТЭУ-4000, а его нагрузкой служила 14-канальная осветительная установка на базе импульсных газоразрядных ламп ИНП-16/580. Управление осветительной установкой осуществлялось с помощью компьютера Pentium II, оснащенного платой ввода-вывода типа L-264. Зависимость световой интенсивности излучателя от управляющего напряжения тиристорного регулятора была снята при срабатывании всех 14 каналов. Затем 7 каналов были принудительно отключены для имитации их выхода из строя и произведено управление тиристорного регулятора в соответствии с предлагаемым способом, посредством подачи на управляющий вход тиристорного регулятора управляющего напряжения, изменяющегося в соответствии с кривой 7. В результате этого был получен световой импульс 8 от 7-канальной осветительной установки. Из приведенных на Фиг.3 данных видно, что, несмотря на несрабатывание половины ламп в многоканальном излучателе, форма полученного светового импульса воспроизводит форму импульса задания, в то время как известные способы управления не позволяют это осуществить, в частности в способе управления, соответствующем прототипу, в этом случае сформированный импульс света будет срезан на половине его амплитудного значения. Само по себе снижение амплитуды импульса света без искажения его формы, возникающее в предлагаемом способе управления при нарушениях в работе осветительной установки, не ведет к потере информации в световом канале. Так, например, в световом оформлении зрелищных мероприятий и рекламных объектов снижение амплитуды импульса света без искажения его формы может только несколько ослабить интенсивность светового канала, сохранив заложенный в него эффект зрительно-информационного восприятия. При исследованиях функционального воздействия светового излучения на аппаратуру такое снижение амплитуды в эксперименте также является информативным, поскольку может быть интерпретировано, как эксперимент с увеличенным расстоянием до объекта исследования.
Наблюдающийся на графиках Фиг.3 всплеск световой интенсивности в начальный момент времени неизбежен при любом из упомянутых способов управления, поскольку связан с инициированием разряда в газоразрядной лампе посредством высоковольтного пробоя ее газоразрядного промежутка. При заявленном способе управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы отсутствуют неустранимые пульсации световой интенсивности, связанные с отработкой сигнала рассогласования в замкнутой петле обратной связи по световой интенсивности. Пульсации световой интенсивности, наложенные на световой импульс 8, в данном случае определяются не способом управления, а обусловлены сетевыми наводками в канале управляющего напряжения, что наблюдается на управляющей кривой 7. Эти пульсации могут быть оперативно устранены применением методов экранировки и фильтрации. В то время как пульсации световой интенсивности, возникающие при реализации способа управления - прототипа, являются неустранимыми, поскольку вызваны отработкой сигнала рассогласования в замкнутой петле обратной связи по световой интенсивности и внутренне присущи этому способу.
В предложенном нами способе управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы при переходе на лампу другого типа, с отличающейся от исходной лампы вольт-амперной характеристикой, для сохранения формы импульса света достаточно только перезаписать в устройстве памяти зависимость F(Uупр), характерную для лампы этого типа.
Формула изобретения
Способ управления амплитудно-временными характеристиками светимости лампы путем регистрации фотодатчиком сигнала, пропорционального ее световой интенсивности, и формирования по нему величины управляющего воздействия на источник питания лампы, отличающийся тем, что по фотодатчику регистрируют зависимость световой интенсивности лампы от величины управляющего воздействия на источник питания лампы и сохраняют ее в устройстве памяти в относительных единицах, формируют в устройстве памяти вторую зависимость изменения световой интенсивности лампы от времени, нормированную на любое произвольно выбранное значение интенсивности света из первой зависимости, затем сопоставляют последовательные во времени значения световой интенсивности из второй зависимости с равными им значениями световой интенсивности из первой зависимости и находят значения управляющего воздействия, соответствующие этим значениям световой интенсивности, сохраняя их в устройстве памяти в виде третьей зависимости управляющего воздействия на источник питания лампы от времени, а величину управляющего воздействия на источник питания лампы формируют по значениям третьей зависимости.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
