Ayrık Zaman MRAC Tabanlı Uyarlamalı Işık Şiddeti Kontrolü. Discrete Time MRAC Based Adaptive Light Intensity Control

Transkript

1 Ayrık Zaan MRAC Tabanlı Uyarlaalı Işık Şiddeti Kontrolü Aydın Mühürcü, Ercan Köse Sakarya University/ Engin. Fac., Electrical and Electronic Eng., Turkey; Mersin University/ Tarsus Technology Faculty, Mechatronic Engineering, Turkey; Özet Bu çalışada, güneş ışığı girebilen kaalı bir orta için ışık uyarlaalı tabanlı aydınlata gerçekleştiriliş olu geleneksel ışık aç/kaa antığı arasındaki enerji verililiği irdeleniştir. Orta ışık uyarlaa yöntei, özellikle havanın kararaya başladığı akşa saatleri ve güneşin doğaya başladığı sabah saatlerdeki doğal aydınlana düzeyinin yetersiz olduğu zaan aralıklarında, aydınlatada harcanan elektriksel enerji iktarının azaltılabilesi için zorunlu bir uygulaaya dönüşür. Işık uyarlaa yönteinde, güneşten gelen ışık yoğunluğun fazlalığı veya yetersizliği duruunda, orta ışık şiddetinin referans ışık şiddeti değerinde sabit kalabilesi için uygun şiddette elektrik enerjisi yaay ışık kaynağına verilir. Yaış olduğuuz ışık uyarlaa uygulaasında, 'lerin aydınlata yoğunluklarını en az enerji kaybı ile değiştirebileleri için BUCK tii DC-DC dönüştürücü güç elektroniği devre toolojisinden yararlanılıştır. Işık şiddetinin istenilen referans değerde kalabilesi aacıyla. derece odel referanslı ayrık zaan MRAC kontrolör, MIT kural tabanlı düzenlenerek koşturuluştur. Uygulaa sonuçları, uyarlaalı aydınlata yöntei sayesinde, aydınlata için tüketilen elektrik enerjisinin öneli bir yüzdeliğinin tasarruf edilebileceği gösteriştir. Anahtar Kelieler: Işık uyarlaası, aydınlata, ayrık zaan, MRAC, buck dönüştürücü, enerji verililiği Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control Abstract In this study, light adative -based lighting has been realized for an indoor environent that sunlight can enter and energy efficiency has been exained in traditional turn on / off logic. In order to reduce the electrical energy aount consued in lighting, light adatation ethod becoes a andatory ractice esecially in evening hours which it starts to get dark and during insufficient natural light level eriod that the sun starts to rise in the orning hours. In light adatation ethod, electricity is sulied to the artificial light source in aroriate intensity in order light intensity to be constant as the value of the reference light intensity in the case of excess or deficiency of intensity of light fro the sun. In the light adatation alication that we have ade, in order s to relace illuination intensity with iniu loss of energy, BUCK tye DC-DC converter ower electronics network toology is used. In order light intensity to reain at the desired reference value, st degree odel referenced discrete tie MRAC controller has been runned by organizing MIT rulebased. Results of the alication showed that a significant ercentage of the electricity consued for lighting could be saved with adative lighting ethod. Keywords: Light adatation,, MRAC (Model Reference Adative Control), buck converter (ste-down converter), energy efficiency.

2 Aydın Mühürcü and Ercan KÖSE; Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control. GİRİŞ Son yıllarda, yenilenebilir enerji kaynaklarının üreti kaasitelerini arttırak ve enerji kaynaklarının ileti sistelerinin daha verili bir şekilde kullanılası için birçok çalışa yaılaktadır. Üretilen enerjinin en düşük kayıla kullanılası için bile çok ayrıntılı çalışalar yaılabilektedir. Çünkü sanayinin ve yeni teknolojilerin hızlı gelişii her geçen gün enerji talelerini arttıraktadır. Bu talelere ceva verebilek için he yeni enerji üreti sistelerinin kurulası he de evcut sistelerin en verili ve kararlı bir şekilde işletilesi gerekektedir [-]. Bir başka açından ise, küresel ısına ve ikli değişiinin çevreize olan etkilerinden dolayı enerjinin daha etkili ve tasarruflu kullanıı için yaılan çalışalar her geçen gün öneini arttıraktadır. Enerjinin bilinçsiz ve aşırı kullanıı çevresel roblelere neden olaktadır [3-4]. Enerji kaynaklarının kolaylıkla bir birine dönüştürülebildiği, iletilebildiği ve sanayinin belkeiği olan enerji elektrik enerjisidir. Elektrik enerjisi genellikle ağırlıklı olarak aydınlata ve sanayi alanlarında kullanılaktadır. Dünyada tüketilen tola enerjinin yaklaşık %0'sini aydınlata enerjisi oluşturaktadır [5]. Bundan dolayı, aydınlata sistelerinin enerji verililiği üzerine öneli çalışalar yaılaktadır [6]. tabanlı aydınlata sisteleri flüoresan tabanlı aydınlata sistelerine göre %50 oranında enerji tasarrufu sağlayabilektedir. Akıllı kontrol sisteleri ile söz konusu bu tasarruf oranı arttırılabilektedir. Akıllı kontrol sistelerinin teeli enerji verililiğinin arttırılası ve kullanıcı enuniyetine dayanaktadır [4]. Işık kontrol sisteleri genellikle, kablolu ve kablosuz ağlardan, hareket algılaa sensörlerinden, ışık yoğunluk detektörlerinden, zaanlayıcılardan, dierlerden, ışık yöneti otiizasyon algorita sistelerinden, ON-OFF ve PID kontrol sistelerden, ikro kontrolörlerden, aratür ve sürücülerinden oluşaktadır. tabanlı akıllı kontrol sisteleriyle ilgili bazı öneli çalışalar şunlardır. Uh ve arkadaşları aydınlata yoğunluk kontrolüne dayalı, aydınlata sensörleri, hareket sensörleri ve ağ sensörlerinden oluşan bir siste önerişlerdir [7]. Matta ve arkadaşları enerji tasarrufu için aydınlata yoğunluk kontrolüne dayanan bir çalışa yaışlardır [8]. Başka bir çalışada ise Leccese cadde aydınlatasının otial verililiği için uzakta kontrollü siste geliştiriştir [6]. Bu çalışada, uyarlaalı tabanlı aydınlata gerçekleştiriliş olu geleneksel ışık aç/kaa antığı arasındaki enerji verililiği inceleniştir. Havanın kararaya başladığı akşa saatleri ve güneşin doğaya başladığı sabah saatlerdeki doğal aydınlana düzeyinin yetersiz olduğu zaan aralıklarında, aydınlatada harcanan elektriksel enerji iktarının azaltılabilesi için tabanlı akıllı aydınlata sistei geliştiriliştir. 'lerin aydınlata yoğunluklarını en az enerji kaybı ile değiştirebileleri için BUCK tii DC-DC dönüştürücü güç elektroniği devre toolojisinden yararlanılıştır. Işık şiddetinin istenilen referans değerde kalabilesi aacıyla. derece odel referanslı ayrık zaan MRAC kontrolör, MIT kural tabanlı düzenlenerek işletilektedir.. MRAC VE MIT TABANLI KONTROL KURALI Model Referans Uyarlaalı Kontrol (MRAC) yönteine ait blok diyagra Şekil de veriliştir. Bu kontrol yönteinde, adet adatasyon kuralı kullanılarak kontrol edilecek olan sistein çıkış dinaiği seçiliş olan referans odele benzeesi için zorlanır. Adatasyon ekanizası, kontrol sisteine ait aliyet fonksiyonu kullanılarak çıkartılaya başlanır, Denkle. J e () st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey

3 R Gref.(s) -Y + e Ref. Girişi R x + U Gsis.(s) Y R e adatasyon ekanizası θ θ x Y Y adatasyon ekanizası e Şekil : MRAC tabanlı kontrol blok diyagraı Maliyet fonksiyonuna ait yerel iniuları steeest descent yöntei kullanılarak hesalanır, Denkle. d d d J e e dt d d () Kontrol edilecek siste ve referans odel. derece olası duruunda, odel çıkış eşitlikleri Denkle 3 ve 4 teki gibi biçilenir. b Y ( s) Gref ( s) R( s) R( s) s a (3) b Y ( s) Gsis ( s) U( s) U( s) s a (4) Denkle 3, denkle 4 ve kontrol işaretine (Denkle 7) ait fark denkleleri kullanılarak y y a b r (5) y ay bu (6) u r y (7) kontrol edilecek sistein θ araetreli ve referans girişine dayalı fark denklei, y a b y b r (8) biçiinde elde edilir. Denkle 8 de veriliş olan fark denkleleri S-uzayına geçiş yaılarak, Y s b R s s a b θ araetrelerine dayalı kontrol edilecek sistein transfer fonksiyonu ortaya çıkartılış olur. Kontrol sisteinin θ ve θ için duyarlılık denkleleri, d d e y y d d d b r y d s a b b r s a b (9) (0) 3 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey

4 Aydın Mühürcü and Ercan KÖSE; Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control d d e y y d d d b y d s a b b r s a b b y s a b () biçiinde türetilir. Kontrol edilecek sistein çıkış dinaiği, referans odele eşdeğer olabilesi için Denkle ve 3 deki ifadeler sağlanalıdır. b b () a b a (3) Bu ifadeler Denkle 0 ve de yerleri yazılırsa d b a a d a s a s a e r r d b a a d a s a s a e y y eşitlikleri elde edilir. Bu eşitlikler Denkle 'de yerlerine yazılarak da her iki adatasyon ekanizasına ait ateatiksel ifadeler türetiliş olur, Denkle 6 ve 7. a e rdt (6) s a a e ydt (7) s a (4) (5) 3. IŞIK UYARLAMALI KONTROL SİSTEMİ Bu çalışada elektriksel ışık şiddeti, içerisinden geçen akı şiddeti ile orantılı olarak değiştiriliştir. Elektriksel değişiin en yüksek verile gerçekleştirilebilesi aacıyla, BUCK tii DC- DC dönüştürücü güç elektroniği devre toolojisinden yararlanılıştır. BUCK devresinin çıkış akıı, yüksek kazançlı P tii kontrolör kullanılarak referans akı değerinde sabitleniştir. MRAC kontrolörün çıkış işareti, referans akı değeri olarak düzenleniştir. Ortaın ışık şiddeti referans ışık şiddeti değerinde sabit kalabilesi aacıyla MRAC kontrolör, zorlayıcı algorita olarak seçiliştir, şekil. MRAC içerisinde kullanılan referans odel, kazancı ve derecesi olan bir odel olarak düzenleniştir, denkle 3. Vr_lux Vcc - E(s) Girac(s) Vcc + U(s) I(s) Vcc 4 Iref(s) E(s) + P - IO(s) Vcc 0 duty w üreteci Vg BUCK VLDR ışık Vcc LDR R güneş ışık Şekil : Deneysel çalışaya ait kaalı çevri, ışık uyarlaa sistei st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey 4

5 BUCK tii dönüştürücüsünün güç elektroniği devre toolojisi ve ikrodenetleyici PWM çıkış inine ait devreye bağlantısı Şekil 3'de gösteriliştir. Şekil 3: BUCK dönüştürücü ve ikrodenetleyici PWM girişi Şekil de yansıtılış olan kaalı çevri döngüsünün çerçeve içerisinde kalan kontrol yaısı PIC8F45 ikro-denetleyici tarafında koşturuluştur. MRAC kontrol algoritası içerisinde yer alan integral ala işleleri, Euler yöntei kullanılarak ayrık zaan integrale dönüştürülüştür, denkle 8. s z (8) T örnek Böylelikle integral ala işlei, ikro denetleyici tarafından sayısal ortada koşturulabilir hale getiriliştir, Şekil 4. Vg + z - Törnek Vç Şekil 4: Ayrık zaanda, integral işleine ait blok diyagra 3. MRAC Kontrolör ϒ Değerinin Belirlenesi Şekil de veriliş olan kaalı çevri döngüsü, Matlab-Siulink benzeti ortaında koşturularak, MRAC kontrolöre ait uygun bir ϒ katsayısı elde ediliştir. Döngünün benzeti ortaına aktarılabilesi için, LDR ve BUCK devre eleanlarına ait transfer fonksiyonları elde edilelidir. Birincil olarak 'in transfer fonksiyonu irdelenecektir. üzerine düşen gerili, in iç direnci ve eşik geriliine bağlıdır, denkle 9. V I * R V (9) İÇ EŞİK akıı ile ışık akısı arasındaki ilişki, Denkle 0 de veriliştir. I Luen Lu K I (0) MAX LUM I _ MAX Denkle 9 da akı serbest bırakılı denkle 0 de yerine yazılır ise akıı ile ışık akısı arasındaki bağ ortaya çıkış olur, denkle. Luen Lu V V I R MAX EŞİK _ MAX * İÇ K LM () İkincil olarak LDR direncine ait ışık şiddetine dayalı transfer fonksiyonu türetilecektir. LDR direnci ile ışık akısı arasındaki bağı ortaya çıkarabilek aacıyla deneysel bir çalışa gerçekleştirildi. Deney süresince lux-direnç değerleri kaydedildi ve ardından bu değerler log0() tabanında görselleştirildi, Şekil 5. 5 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey

6 Aydın Mühürcü and Ercan KÖSE; Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control Şekil 5: Işık şiddetine dayalı LDR direnç değişii Deney sonucunda, LDR direnci ile üzerine düşen ışık şiddeti arasındaki ilişkinin bir doğrunun denklei olarak (y=x+b) alınabileceği ortaya çıkıştır, Şekil 5 ve Denkle 3. log0 lux.4log0 R LDR () 7.098log lux/.4 0 R LDR 0 (3) Şekil deki seri dirençli LDR devresinin transfer fonksiyonu denkle 4 de düzenleniştir. R V LDR V CC R R LDR Son olarak BUCK akı sağlayıcı devresine ait transfer fonksiyonu düzenlenecektir. BUCK transfer fonksiyonu, devre analizi yöntei kullanılarak giriş çıkış ilişkisi elde edilebilir, Denkle VÇ _ THEVEN Vg Z Z Z 3 Z 4 Z Z // Z Z Z3 Z4 Z Z Z Z RÇ _ THEVEN Z Z Z3 Z4 3 4 I V R V Ç _ THEVEN R Ç _ THEVEN VÇ _ THEVEN V R R R R Ç _ THEVEN Ç _ THEVEN Z Z I * R V 3 4 İÇ EŞİK Vg (7) Z Z Z 3 Z 4 R Ç _ THEVEN R R Ç _ THEVEN R R Ç _ THEVEN R Z V 3 Z 4 EŞİK RÇ _ THEVEN R Vg Z Z Z 3 Z 4 R Ç _ THEVEN R R Ç _ THEVEN R RÇ _ THEVEN R R İÇ Vg * KI _ (4) (5) (6) st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey 6

7 Denkle 7 de kullanılan Z değişkenleri, Z: Bobin direnci. Z: Bobin eedansı, Z=jπfL=sL. Z3: Kondansatör ESR direnci. Z4: Kondansatör eedansı, Xc=/ (jπfc)=/sc. biçiinde tanılıdırlar. Deney düzeneğiizdeki ışık kaynağı zeine sabitleniş LDR üzerine düşüreceği ışık şiddeti Denkle 8 de veriliştir. Lux LDR Lu Lu A A K LDR TOPLAM LUX (8) Şekil de Vg değişkeninin sağında kalan devre eleanları, Şekil 6'da düzenleniş olan blok diyagra ile yer değiştirir ise ışık uyarlaalı kaalı çevri sisteine ait benzeti devresi, Siulink ortaında koşturulabilir hale getiriliş olur. Vg K I _ I K LUM L K LUX Lx LDR den.3 R LDR den.4 V LDR Şekil 6: Vg-Vldr arasında kalan benzeti blokları Tablo de veriliş olan araetre değerleri kullanılarak, Şekil 'de veriliş olan kaalı çevri sistei, Siulink benzeti ortaında koşturularak MRAC kontrolör için ϒ, 700 olarak seçiliştir, Şekil 7. Tablo. Kaalı çevri sistei için döngü araetreleri Paraetre Değer Birii Kullanıldığı Yer a 00 MRAC Törnek 0 s MRAC Vcc 5 V Siste P 000 Akı kontrolü T 5 µs Akı kontrolü F_w 50 KHz Akı kontrolü RL 0.03 Ω BUCK RC 0.03 Ω BUCK L H BUCK C 000 µf BUCK Veşik V R_iç.5/4 Ω Luen 60*4 lu A_ldr 5x0^-6 ^ Lux hesabı A_tola ^ Lux hesabı R 30 KΩ V_ldr hesabı 7 st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey

8 Aydın Mühürcü and Ercan KÖSE; Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control 4. DENEYSEL ÇALIŞMA Şekil 7: Vr_lux=3V için MRAC kontrol başarısı Işık uyarlaası için eni, boyu ve yüksekliği olan bir oda tasarlanıştır. Odanın 4 duvarında 0.5x0.5 açıklığa sahi 'şer adet olak üzere tolada 8 adet açılan ve kaatılabilen encere tasarlanıştır, Şekil 8. Şekil 8: xx boyutlarındaki ve 8 encereli deney odası Tavanın ortasına delik açılarak aralel bağlı 4 adet yeşil renkli güç ledleri ışık kaynağı olarak sabitleniştir. Deney esnasında avo-etre, osilasko ve lux-etre olak üzere 3 farklı ölçü cihazından yararlanılıştır, Şekil 9. Şekil 9: Deney sürecine ait devre eleanları ve ölçü cihazları LDR, ve güç elektroniği devre eleanlarına ait doğrusal olayan etkileri ve güneş ışık şiddetinin değişii, doğrusal olayan kontrol algoritası olan MRAC için bozucu girişleri olarak etki etişlerdir. Gaa değeri 700 alınarak gerçekleştirilen ışık seviye kontrolünde, dışarıdan gelen güneş ışık şiddetinin değeri anlık encereler vasıtasıyla değiştirilse bile, MRAC başarılı bir şekilde orta ışık şiddeti referans değerde tutabileyi başarıştır, Şekil 0. st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey 8

9 Şekil 0: (a) Vr_lux=.8V için V_ldr değeri ve yerleşe süresi, (b) encere aça ve kaaa etkileri Tablo. Pencereler kaalı, giren ışık 0.lux Vref_lux (V) V_ldr Zei ışık (lux) I_led (A) V_led (V) P_led (W) (V) , Tablo 3. Pencereler yarı açık, giren ışık 3lux Vref_lux (V) V_ldr (V) Zei ışık (lux) I_led (A) V_led (V) P_led (W) Tablo 4. Pencereler açık, giren ışık 5lux Vref_lux (V) V_ldr (V) Zei ışık (lux) I_led (A) V_led (V) P_led (W) st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey

10 Aydın Mühürcü and Ercan KÖSE; Discrete Tie MRAC Based Adative Light Intensity Control Işık uyarlaalı kontrol deneyi, encereler ta kaalı, yarı kaalı ve ta açık olak üzere üç farklı güneş ışık şiddeti için uygulanıştır. Deney sonuçları Tablo, 3 ve 4'de gösteriliştir. Klasik yönte kullanılarak aydınlatılan kaalı ortalar, beslee voltajı ışık kaynağı donanıına doğrudan verilir. Işık kaynağının bu şekilde enerjilendirilesi, ihtiyaca bakılaksızın sürekli en yüksek seviyede ışık şiddeti üretiliş ve en yüksek seviyede enerji tüketiliş olunur, Tablo SONUÇLAR Tablo 5. Kontrolsüz iç ekân aydınlata sürecinde enerji tüketii I led(a) V led(v) P led(w) Işık zein (lux) Pen. kaalı Pen.yarı açık Pen. açık MRAC tabanlı ışık uyarlaalı kontrol süreci karaşık yaısına rağen başarılı bir şekilde uygulanıştır. Kontrolör tü doğrusal olayan etkenleri ortadan kaldırış ve ortaın ışık seviyesini referans değerde sabitleeyi başarıştır. Deney sonuçları, ışık kaynağı donanıına doğrudan tü beslee geriliinin uygulanası yerine, ortaın ihtiyacı olan ışık düzeyini sağlanabilecek şekilde gerili uygulanırsa, aydınlata için harcanan elektriksel enerjide yüksek iktarda tasarruf edilebileceği uygulaalı olarak gösteriliştir. REFERANSLAR [] Dasguta, S., Sahoo S.K., Panda S.K., Aaratunga, G.A., (0) "Single-hase inverter-control techniques for interfacing renewable energy sources with icrogrid art ii: Series-connected inverter toology to itigate voltagerelated robles along with active ower flow control", IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 6, [] Mahdian-Dehkordi N., Navar M., Karii H., Piya P., Karii-Gharteani M., (05) " Nonlinear adative control of grid-connected three-hase inverters for renewable energy alications", International Journal of Control,.-5. [3] S. Toros, N. Mouratidis, M. Draaijer, A. Foglar, and H. Hrasnica, (009) "Enabling alicability ofenergy saving alications on the aliances of the hoe environent," IEEE Network, vol. 3, no. 6, [4] Byun J., Hong I., Lee B., and Park S. (03) " Intelligent Household Lighting Syste Considering Energy Efficiency and User Satisfaction ", IEEE Transactions on Consuer Electronics, vol. 59, [5] Atıcı Ç., Özçelebi T., and Lukkien J. J., (0) "Exloring user-centered intelligent road lighting design: a road a and future research directions", IEEE Trans. on Consuer Electron., vol. 57, [6] Leccese F., (03) "Reote-Control Syste of High Efficiency and Intelligent Street Lighting Using a ZigBee Network of Devices and Sensors", IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 8, no.,. -8. [7] Uh Y., Hong I., Ki G., Lee B., and Park S., (00) "Design and ileentation of oweraware light enabler with location-aware adative iddleware and context-aware user attern", IEEE Trans. on Consuer Electron., vol. 56, no., [8] Matta S., and Mahud S. M., (00) "An intelligent light control syste for ower saving", in roceedings of the Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 06), October 6-8, 06, Adana/Turkey 0