專利名稱：數(shù)字控制照明設(shè)備的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于設(shè)備的控制領(lǐng)域，具體來說涉及照明設(shè)備的數(shù)字控制， 照明設(shè)備例如固態(tài)光源。
背景技術(shù)：
眾所周知，可以將比例-積分-微分(PID)控制系統(tǒng)的瞬時行為 分類成一系列不同的種類。根據(jù)通常稱為PID參數(shù)的幅度，系統(tǒng)的輸 出可以用 一 系列不同的方式達到期望的設(shè)定點，由控制器放大比例、 積分、微分信號中的每一個。例如，在按照期望的電平進行調(diào)整之前， 利用某種程度的過沖能夠迅速達到期望的設(shè)定點，在基本上沒有過沖 的情況下能夠緩慢地達到期望的設(shè)定點；或者，例如，利用最小的過 沖在最小的時間周期內(nèi)能夠達到期望的設(shè)定點?？梢詫τ赑ID參數(shù)或 常數(shù)進行選擇，以便實現(xiàn)期望的瞬時系統(tǒng)行為或響應(yīng)時間或死時間， 并且這個期望的行為可以與PID控制器正在控制的系統(tǒng)的類型直接相 關(guān)。通過具有預(yù)先配置的PID常數(shù)的控制器，可以有效地控制響應(yīng)時 間基本上是常數(shù)的并且企圖在基本上不變的操作條件下操作的系統(tǒng)。如以上所定義的，可以對某些系統(tǒng)的PID參數(shù)進行配置，以便迅 速地達到系統(tǒng)的期望的設(shè)定點或操作輸出。但這要以在期望設(shè)定點的 可能的過沖和振蕩為代價才能實現(xiàn)。在某些系統(tǒng)中，這可能在系統(tǒng)的 輸出中引起明顯的和不期望的變化。例如，如以上所述，通過對于PID控制器的常數(shù)的適當(dāng)選擇，例 如，對于微分常數(shù)設(shè)定一個高值，可以消除在期望設(shè)定點附近的過沖 和振蕩。微分常數(shù)的這種選擇具有效果當(dāng)達到期望的設(shè)定點時，減 慢了輸出接近期望設(shè)定點。在這樣的配置中，將以相對慢的方式獲得 期望的設(shè)定點。這種配置的一個問題是，對于輸出產(chǎn)生了不期望的和 顯著的變化的系統(tǒng)，可能需要較快地達到期望的設(shè)定點?；旧舷谄谕O(shè)定點附近的過沖和振蕩的另一種方式是，使 用可變的反饋采樣頻率來操作所述控制系統(tǒng)。例如，控制系統(tǒng)可以按 照期望的用戶接口讀數(shù)或者按照在操作條件之下的系統(tǒng)狀態(tài)來改變采樣頻率。例如，在系統(tǒng)狀態(tài)之間的瞬變期間，控制系統(tǒng)可以增加反饋 采樣頻率。例如，如果系統(tǒng)是一種照明器，則要在照明器昏暗時調(diào)節(jié) 反饋采樣頻率。在瞬變周期期間增加的反饋采樣頻率可以提供動態(tài)更 加穩(wěn)定的控制回路。但在一般情況下，這并不是這個問題的一個簡單 的解決方案。例如，并且特別關(guān)注利用固態(tài)照明的PID控制器的應(yīng)用，當(dāng)在低 強度水平控制照明器的輸出時，出現(xiàn)了一個特殊的問題照明器是否 發(fā)生了顏色變化、色溫變化，或者它的強度發(fā)生了變化。固態(tài)照明系 統(tǒng)中數(shù)字控制技術(shù)的廣泛使用意味著，許多這樣的燈具有有限數(shù)目的 強度水平，例如28個強度水平(即256個強度水平)。在相當(dāng)高的光 輸出的條件下改變照明器的強度或控制照明器的強度時，超過期望的 設(shè)定點的過沖，或者在期望的設(shè)定點附近幾個強度步長的振蕩，在一 般情況下是眼睛感覺不到的。但是當(dāng)期望的設(shè)定點在可利用的強度范 圍的低端時，超過期望的設(shè)定點的過沖，或者在期望的設(shè)定點附近僅 僅一個或兩個強度步長的振蕩，就能對應(yīng)于可感覺到的強度變化，這 個變化的范圍可能是10%左右。這種程度的過沖或者在期望的設(shè)定點 附近的振蕩在一般情況下很容易感覺得到，并且可能引起某些觀察者 煩惱。眾所周知，發(fā)光二極管的感覺亮度與發(fā)光二極管的輻射強度具有 非線性的關(guān)系，例如其中包括亥姆霍茲-科爾勞希效應(yīng)和貝佐而德-布呂克現(xiàn)象。例如Wyszecki，G.，和W.S. Stiles在"色學(xué)概念和方 法，定量數(shù)據(jù)和公式，，(New York, NY:Wiley-intersceince 2000 )中 描述在感覺亮度和測量的發(fā)光強度之間的這種關(guān)系。當(dāng)使用線性的控 制參數(shù)時，這種關(guān)系導(dǎo)致非線性的感覺亮度。在物體的感覺亮度和測 量的發(fā)光度(illuminance)之間的這種關(guān)系可以通過斯蒂文定律近似 表示，并且定義如下B= a L05 (1)在這里，B是感覺亮度，ct是比例常數(shù)，L是在指定點被照物體表 面的發(fā)光度(每立體弧度每平方米測量的以燭光為單位的發(fā)光度)。 例如，如果在調(diào)節(jié)照明器的光通量輸出期間不使用基于斯蒂文定律的 平方律變暗，在感覺強度和照明器的輻射亮度之間的這種非線性關(guān)系 就可以調(diào)和感覺強度過沖和/或代表低強度水平的在期望設(shè)定點的振蕩的這個問題。因此，需要一種新的用于數(shù)字控制照明設(shè)備的方法和裝置，例如 數(shù)字控制固態(tài)照明設(shè)備，其中可以迅速地達到期望的設(shè)定點，并且可 以維持基本上沒有可感覺到的過沖或振蕩，同時還可以以恒定的頻率 來操作反饋采樣回路。提供這些背景信息是為了揭示本申請人認(rèn)為可能與本發(fā)明有關(guān)的信息。不得期望，也不應(yīng)該認(rèn)為任何在先的信息構(gòu)成了對抗本發(fā)明的 現(xiàn)有技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供用于數(shù)字控制照明設(shè)備的方法和裝置。 按照本發(fā)明的一個方面，提供一種使用PID控制器來數(shù)字控制照明設(shè) 備的方法和裝置，所述方法包括如下步驟獲得期望的照明設(shè)備操作 設(shè)定點；確定當(dāng)前的照明設(shè)備操作點；至少部分地基于期望的照明設(shè) 備操作設(shè)定點、當(dāng)前的照明設(shè)備操作點、或者這兩者來確定一種關(guān)系， 并且比較這種關(guān)系與預(yù)先確定的閾值；當(dāng)所述關(guān)系大于預(yù)先確定的闊 值時，指定第一組值作為PID控制器參數(shù)；當(dāng)所述關(guān)系大于預(yù)先確定 的閾值時，指定第二組值作為PID控制器參數(shù)；使用具有所指定的PID 控制器參數(shù)的PID控制器來控制所述照明設(shè)備。按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于數(shù)字控制照明設(shè)備的裝置， 所述照明設(shè)備響應(yīng)一個或多個控制信號，所述裝置包括反饋系統(tǒng)， 它配置成監(jiān)測照明設(shè)備的一個或多個操作特性；PID控制器，可操作地 耦合到照明設(shè)備和反饋系統(tǒng)，所述PID控制器配置成從反饋系統(tǒng)接收 一個或多個反饋信號，所述一個或多個反饋信號代表照明設(shè)備的一個 或多個操作特性，所述PID控制器配置成接收代表期望的照明設(shè)備操 作設(shè)定點的第一信號，并且基于預(yù)先確定的關(guān)系確定PID控制器參數(shù)， 所述預(yù)先確定的關(guān)系至少部分地基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，當(dāng) 前的照明設(shè)備操作點基于一個或多個反饋信號或者兩者，PID控制器置 成基于PID控制器參數(shù)產(chǎn)生一個或多個控制信號；借此提供照明設(shè)備 的數(shù)字控制。


6圖l表示由PID控制器控制的一種設(shè)備的輸出的變化，PID控制器 配置成迅速地達到期望的設(shè)備操作設(shè)定點；圖2表示由PID控制器控制的一種設(shè)備的輸出的變化，PID控制器 配置成緩慢地達到期望的設(shè)備操作設(shè)定點；圖3表示由PID控制器控制的一種設(shè)備的輸出的變化，PID控制器 配置成符合本發(fā)明的一個實施例；圖4表示一種模塊，該模塊用于按照本發(fā)明的一個實施例自適應(yīng) 地控制PID控制器參數(shù)的確定；圖5表示用于照明器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，照明器包括按照本發(fā)明 的實施例配置的一種PID控制器。
具體實施方式
定乂使用術(shù)語"照明設(shè)備"來定義在電磁波譜的一個區(qū)域或區(qū)域的組 合中發(fā)射電磁輻射的設(shè)備。 一種照明設(shè)備可以定義發(fā)射輻射的單個設(shè) 備，例如一種發(fā)光元件，并且同樣地可用照明設(shè)備來定義容易被本領(lǐng) 域的技術(shù)人員理解的照明設(shè)備或照明器、或它的其它變型。使用術(shù)語"發(fā)光元件"(LEE)來定義這樣一種器件例如，當(dāng)在 器件的兩端加上一個電位差時或者使電流流過器件時，在電磁波譜的 一個區(qū)域或區(qū)域的組合(例如可見區(qū)、紅外和/或紫外區(qū))中發(fā)射輻射 的器件。因此，發(fā)光元件能具有單色的、準(zhǔn)單色的、多色的或?qū)拵Р?譜發(fā)射的特性。發(fā)光元件的例子包括半導(dǎo)體、有機的或者聚合物/聚 合發(fā)光二極管、涂光泵磷光體的發(fā)光二極管、光泵納米晶體發(fā)光二極 管或者其它類似的容易被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的器件。而且，使用 術(shù)語發(fā)光元件來定義發(fā)射輻射的特殊器件，例如液晶顯示器管芯，并 且同樣地可以使用這個術(shù)語來定義特殊器件的組合，其能夠與放置特 殊器件(一個或多個)的外殼或包裝一起發(fā)射輻射。使用術(shù)語"當(dāng)前的照明設(shè)備操作點"來定義照明設(shè)備在當(dāng)前的或 目前的時間點的一個或多個確定的操作條件。使用術(shù)語"期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，'來定義期望的照明設(shè)備 的一個或多個操作條件。例如，期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點可以識別 一個或多個期望的光顏色、色度、相關(guān)的色溫、光通量輸出、或者容7易被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的類似物。
使用術(shù)語"當(dāng)前的照明設(shè)備操作設(shè)定點"來定義選擇的照明設(shè)備 的一個或多個操作條件，這些操作條件可以導(dǎo)致當(dāng)前的照明設(shè)備操作 點。
如這里所用的，術(shù)語"大約或在…附近(about)"指的是距標(biāo)稱 值+/-10%的偏差。還要理解，這樣一個偏差總是包括在這里提供的任 何給定的數(shù)值內(nèi)，而不管它具體指的是什么。
除非另有定義，這里使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與本發(fā)明所屬領(lǐng) 域普通技術(shù)人員共同理解的意義相同。
本發(fā)明提供一種方法和裝置，這種方法和裝置用于數(shù)字控制照明 設(shè)備以便能達到期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點同時明顯減小在期望的照 明設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和振蕩。具體來說，本發(fā)明是通過一種 PID控制器實現(xiàn)的，將所述PID控制器配置成基于一種關(guān)系來改變PID 控制器的參數(shù)，所述關(guān)系至少部分地基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點、 當(dāng)前的照明設(shè)備操作點或者這兩者。例如，如果照明設(shè)備正在當(dāng)前的 操作點下操作，所述當(dāng)前的操作點超過了偏離期望的照明設(shè)備操作設(shè) 定點的預(yù)定的閾值，則將PID控制器配置成使用第一組PID控制器參 數(shù)進行操作，其中的第一組PID控制器參數(shù)可以基本上實現(xiàn)快速接近 于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點。進一步配置PID控制器，以便在達到 預(yù)定的閾值時調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)使其成為不同組的PID控制器參數(shù)， 其中的不同組PID控制器參數(shù)可以實現(xiàn)緩慢地接近于期望的照明設(shè)備 操作設(shè)定點，由此減小在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和振 蕩。
PID控制器可操作地連接到照明設(shè)備和反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)監(jiān)測照 明設(shè)備的操作特性，所述操作特性能夠表示當(dāng)前的照明設(shè)備操作點。 以此方式為PID控制器提供信息，所述信息是確定是否在此時間點需 要修改PID控制器參數(shù)所必需的。
可以使用按照本發(fā)明的方法和裝置來控制大量的不同的照明設(shè) 備，其中要求相當(dāng)快地接近于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，同時限制 在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和振蕩。例如，可以使用這 種方法和裝置來控制一種照明設(shè)備，其中將照明設(shè)備的輸出數(shù)字化， 或者當(dāng)與照明設(shè)備的控制的期望分辨率相比時，可使反饋回路的分辨率相對粗糙些。例如，照明設(shè)備可以是固態(tài)照明設(shè)備，或者是需要對 其進行數(shù)字控制的其它照明設(shè)備，這對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說 是已知的。
將反饋系統(tǒng)配置成收集代表正在控制的照明設(shè)備的一個或多個操 作特性的信息。反饋系統(tǒng)包括一個或多個檢測單元，將檢測單元配置 成可以收集照明設(shè)備的特定操作信息。檢測單元可以是光學(xué)傳感器、 溫度傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、或其它的容易 被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的傳感器配置，其中的傳感器配置要適 合于收集一個或多個期望的操作信息。反饋系統(tǒng)的配置直接取決于照 明設(shè)備本身和所需控制的期望類型。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解， 如何配置適合于特定照明設(shè)備的反饋系統(tǒng)。
例如，如果照明設(shè)備是固態(tài)照明設(shè)備，反饋系統(tǒng)可以包括一個或 多個光學(xué)傳感器，將光學(xué)傳感器配置成收集代表照明設(shè)備產(chǎn)生的輸出 的信息。反饋系統(tǒng)此外還包括一個或多個溫度傳感器，將溫度傳感器 配置成收集代表固態(tài)照明設(shè)備內(nèi)一個或多個發(fā)光元件的操作溫度的信 息。
在一個實施例中，反饋系統(tǒng)進一 步還包括一個或多個的濾波器、 放大器或其它電子部件，用于操控和精細(xì)調(diào)節(jié)一個或多個檢測單元收 集的信息。
PID控制器可操作地耦合到反饋系統(tǒng)和照明設(shè)備，其中PID控制器 根據(jù)一組PID控制器參數(shù)產(chǎn)生一個或多個控制信號，用于控制照明設(shè) 備的操作。在一個實施例中，將PID控制器配置在一個控制系統(tǒng)中， 控制系統(tǒng)可以是微控制器、微處理器、或其它的容易被本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員理解的數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)。在另外的實施例中，將PID控制 器配置成獨立的微控制器、微處理器或其它的可操作地耦合到控制系 統(tǒng)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。此外還可以將PID控制器配置成訪問存儲器， 存儲器可以存儲指令，例如控制程序，諸如軟件、微代碼或固件和數(shù) 據(jù)。可以將存儲器配置成RAM、 PR0M、 EPR0M、閃存或其它的容易凈皮本
領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的存儲形式。
將PID控制器配置成接收來自反饋系統(tǒng)的一個或多個反饋信號，
9其中一個或多個反饋信號代表照明設(shè)備的一個或多個操作特性，并且
所述一個或多個反饋信號允許PID控制器確定當(dāng)前的照明設(shè)備操作點。還要將PID控制器配置成接收或識別代表期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的信號。 一種預(yù)先確定的關(guān)系至少部分地基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點、當(dāng)前的照明設(shè)備操作點或者這兩者，PID控制器配置成根據(jù)這種預(yù)先確定的關(guān)系確定一組PID控制器參數(shù)。隨后，PID控制器利用這些PID控制器參數(shù)來確定一個或多個控制信號，用于控制照明設(shè)備的操作。
可以將PID控制器參數(shù)配置成兩組數(shù)值或多組數(shù)值，其中根據(jù)對于預(yù)先確定的關(guān)系的評估來選擇特定的一組PID控制器數(shù)值，所述預(yù)先確定的關(guān)系至少部分地基于當(dāng)前的照明設(shè)備操作點、期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點或者這兩者。在一般情況下，能夠存在多個分立組的數(shù)值，或者可通過一種連續(xù)函數(shù)確定一組數(shù)值，其中所述的連續(xù)函數(shù)基于預(yù)先確定的關(guān)系，而這個預(yù)先確定的關(guān)系至少部分地基于當(dāng)前的照明設(shè)備操作點、期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點或者這兩者。
在一個實施例中，所述預(yù)先確定的關(guān)系基于一種差值關(guān)系，所述差值關(guān)系是在當(dāng)前的照明設(shè)備操作點和期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點之間或者是在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點和當(dāng)前的照明設(shè)備操作設(shè)定點之間確定的，或者是這兩者確定的。
在本發(fā)明的一個實施例中，PID控制器包括一種PID反饋控制算法。例如，對于等于或大于預(yù)先確定的操作閾值的當(dāng)前的照明設(shè)備操作點，通過起始的一組值P,、 L、 D,來確定PID控制器參數(shù)。可以優(yōu)化PID控制器參數(shù)，以便在基本上最小量的時間內(nèi)可以達到期望水平的照明設(shè)備操作和/或期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，在照明設(shè)備的操作中具有明顯小的、基本上沒有意義的并且感覺不到的過沖或振蕩。此外，對于低于預(yù)先確定的操作閾值的當(dāng)前的照明設(shè)備操作點，如果當(dāng)前的照明設(shè)備操作點大于偏離期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的預(yù)先確定的量，則通過起始的一組值Pi、 Ii、 D,來確定PID控制器參數(shù)。但如果當(dāng)前的照明設(shè)備操作點小于偏離期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的預(yù)先確定的量，則通過第二組值P2、 12、 D2來確定PID控制器參數(shù)。在這個實施例中，可以優(yōu)化PID控制器參數(shù)的起始組值和第二組值，以使照明設(shè)備的輸出在基本上最小量的時間內(nèi)可以達到期望的照明設(shè)備操作設(shè)定
10點，在照明設(shè)備的操作中具有明顯小的、基本上沒有意義的并且感覺 不到的過沖或振蕩。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以按照以下所述確定PID控制器參 數(shù)的相對值，其中P,、 L、 Di定義起始組的值，P2、 12、 02定義第二組 的值<formula>formula see original document page 11</formula>
在一個實施例中，滿足以上定義的條件中的一個、兩個、或所有 三個。此外，如果只滿足這些條件中的一個或兩個，則不滿足上述條 件的其它一個或兩個PID控制器參數(shù)的起始值和最終值被確定為在起 始組的值和第二組的值都是相同的。
例如，圖l表示固態(tài)照明設(shè)備的從O變化到設(shè)定點IO(任意單位) 分立的水平的強度輸出變化，這里10對應(yīng)于第10個分立的光輸出強 度水平，其中PID控制器參數(shù)配置成以便當(dāng)前的照明設(shè)備操作點迅速 地接近期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，同時允許在操作設(shè)定點附近的過
沖和振蕩。所述輸出首先在時間t。達到期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，
但是繼續(xù)振蕩直到時間t ,?？梢愿惺艿竭@種振蕩，因此在低強度水平 這是不期望的。例如，在較高的期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點(如200 ) 的相同百分?jǐn)?shù)的振蕩在一般情況下是看不見的，并且，在較早的時間 t。，如所安排的，輸出就可能感受得到。當(dāng)按照步進方式調(diào)節(jié)輸出時， 階梯線110確定了固態(tài)照明設(shè)備的實際輸出；如果連續(xù)地調(diào)節(jié)輸出， 則光滑線100確定了固態(tài)照明設(shè)備的輸出。
此外，圖2表示如果將PID控制器參數(shù)配置成限制在期望的照明 設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和振蕩，固態(tài)照明設(shè)備的輸出強度是如何 接近期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的。如圖所示，向期望的照明設(shè)備操
作設(shè)定點的接近是緩慢的，在時間t 4抵達期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，
基本上沒有過沖或振蕩。階梯線130確定當(dāng)按照步進方式調(diào)節(jié)輸出時 固態(tài)照明設(shè)備的實際輸出，平滑線120確定在連續(xù)地調(diào)節(jié)輸出的條件 下固態(tài)照明設(shè)備的輸出。
此外，圖3表示如果按照本發(fā)明的一個實施例確定PID控制器 參數(shù)，固態(tài)照明設(shè)備的輸出強度是如何接近期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的。在時間13， PID控制器參數(shù)從起始組的值變化到第二組的值，
可以看出，輸出強度接近期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點io的速率是緩慢
的。在時間T2，輸出達到并穩(wěn)定在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，由于
PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，基本上沒有過沖或振蕩。在本發(fā)明的一個實施例中，PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)可以包括微分常數(shù)的增加值。階梯線150確定當(dāng)按照步進方式調(diào)節(jié)輸出時固態(tài)照明設(shè)備的實際輸出，光滑線140確定在連續(xù)地調(diào)節(jié)輸出時固態(tài)照明設(shè)備的輸出。
如圖1、圖2、圖3所示，它們基本上是按照相同的比例畫出的，可以看出，T2比、和14兩者都小。此外，如圖3所示，對于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，基本上沒有固態(tài)照明設(shè)備的過沖或振蕩。
在本發(fā)明的另一個實施例中，P、 I、 D參數(shù)可以取決于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點。例如，當(dāng)來自照明設(shè)備的期望的光通量輸出大于預(yù)先確定的閾值時，可以選擇第一組P、 I、 D參數(shù)；當(dāng)來自照明設(shè)備的期望的光通量輸出小于預(yù)先確定的閾值時，可以選擇第二組P、 I、 D參數(shù)。例如，參數(shù)的起始組可以等于P= 0. 3, 1=0. 004，0=0;如果期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點小于預(yù)先確定的閾值，如10%的輸出，它可能等于10%的強度，則可以將PID控制器的第二組值確定如下P= 0. 3*0. 01*(設(shè)定點)"2 (5)1=0. 004 * 0. 01 * (i殳定點)A2 (6)D=0 (7 )
其中10%期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的數(shù)值是10。在本發(fā)明的另 一個實施例中，可以使用均方誤差(error-squared )的PID算法來確定PID控制器參數(shù)。例如，可以對一個、多個、或所有的起始PID控制器參數(shù)求平方以獲得第二組PID控制器參數(shù)。還可以使用其它的整數(shù)指數(shù)或非整數(shù)指數(shù)以便基于起始組PID控制器參數(shù)獲得第二組PID控制器參數(shù)，反之亦然，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解的那樣。在另外的實施例中，還可以提升一個、多個、或所有的誤差項的冪次到除1或2以外的其它冪次，其中包括小于1的分?jǐn)?shù)冪次。例如，P和I項的冪次可以提升到2，而D項的冪次可提升到
0. 5。第二組PID控制器參數(shù)的這種估算的效果是，平滑了從高P、高
1、 和低D值到低P、低I、和高D值的過渡。
圖4表示用于按照本發(fā)明的一個實施例的自適應(yīng)控制PID控制器參數(shù)的確定的一個模型，其中使用前饋型形式來配置這個模型。具體
來說，PID控制器250和前饋模型210接收期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點 200，其中前饋模型可代表正在控制的過程，即控制照明設(shè)備，于是這 個前饋模型可以模擬照明設(shè)備對于各種不同的操作設(shè)定點的響應(yīng)。前 饋模型根據(jù)期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點向調(diào)節(jié)確定模塊230提供照明 設(shè)備的期望響應(yīng)220的指示，從而隨后確定所需的調(diào)節(jié)240， PID控制 器250使用所需的調(diào)節(jié)240以及從反饋系統(tǒng)獲得的當(dāng)前的照明設(shè)備操 作點290和/或當(dāng)前的照明設(shè)備操作設(shè)定點，就可以確定控制信號 260,將控制信號260傳送到照明設(shè)備270，借此控制了照明設(shè)備的輸 出280。
在本發(fā)明的 一 個實施例中，當(dāng)期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點具有的 與前饋模型相關(guān)的光強度水平落在照明設(shè)備的最大光通量輸出的約10 %和約100%之間時，可以將前饋模型確定為一條直線。因此，如果強 度水平落在這些參數(shù)之內(nèi)，就不需要修改PID控制器參數(shù)。此外，當(dāng) 期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點具有的光強度水平小于約10%的時候，可 以通過另外的公式確定前饋模型，這個公式提供確定修改PID控制器 參數(shù)的措施，以便減輕在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和/ 或振蕩。例如，可以通過直線的或曲線的形狀(如直線、指數(shù)、拋物 線、或其它形狀)來確定這個公式，并且還可以通過數(shù)學(xué)公式或模型 的其它形式來確定這個公式。還可以通過啟發(fā)式模型或其它的確定答 案的試湊法來表示這個公式。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會很容易地理解 公式的其它形式。
以上確定了根據(jù)一種或多種不同的方法重新估算PID控制器參數(shù) 的大量方式。PID控制器參數(shù)的這種修改提供了自適應(yīng)地控制照明設(shè)備 功能的一種形式。 一系列不同的自適應(yīng)地控制方法都是可以利用的， 例如使用模型參照自適應(yīng)控制(MRAC)的方法，模型識別自適應(yīng)控 制(MIAC)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、啟發(fā)式算法或模型、反饋自適應(yīng) 控制模型、前饋自適應(yīng)控制模型、或其它的容易被本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員理解的方法，其中的每一種方法都可單獨地或組合地加入本發(fā)明 的一個或多個實施例中。
在本發(fā)明的實施例中，PID控制器參數(shù)的單個P、 I、 D項之間的其 它函數(shù)相關(guān)性都是可能的，例如指數(shù)的、對數(shù)的、多項式的、或其它
13的容易被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的函數(shù)關(guān)系。在本發(fā)明的一個實
施例中，可以通過PID控制器、與反饋系統(tǒng)相關(guān)的電路、或者通過模
擬裝置用數(shù)字方法實施這些函數(shù)關(guān)系。例如，可以使用在其反饋回路中有一個二極管的運算放大器來配置一個對數(shù)放大器。
某些檢測單元本身固有非線性響應(yīng)，例如對數(shù)響應(yīng)，可以在本發(fā)明的實施例中使用檢測單元的這一固有特性，這是有益的，不再需要對來自檢測單元的輸入信號進行功能性的修改。例如，通過使用來自檢測單元的基本上未曽修改的輸出作為確定PID控制器參數(shù)的輸入，就可能實現(xiàn)一種非線性相關(guān)，這種關(guān)系當(dāng)與多個或變化的PID參數(shù)組結(jié)合時就能提供改進的性能使過沖和振蕩最小。
在一個實施例中，針對多個期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點中的每一個，調(diào)諧或特性化所述PID控制器參數(shù)，并且將這些PID控制器參數(shù)存儲在一個表格里或在存儲器中以其它形式存儲這些PID控制器參數(shù)，可通過PID控制器訪問存儲器。因此，當(dāng)選擇一個特定的期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點時，PID控制器可以訪問存儲器，并且識別與那個特定的期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點有關(guān)的對應(yīng)的經(jīng)過調(diào)諧的PID控制器參數(shù)。在本發(fā)明的一個實施例中，可以使用包括Ziegler-Nichols和Cohen-Coon在內(nèi)的^支術(shù)調(diào)諧PID控制器參數(shù)。
此外，可以只對某些期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點調(diào)諧或特性化PID控制器參數(shù)，并且可在它們之間例如使用線性內(nèi)插或高次內(nèi)插插入對于其它期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的其余PID控制器參數(shù)。
現(xiàn)在參照特定實例描述本發(fā)明。應(yīng)該理解，下面的實例旨在描述本發(fā)明的實施例，不期望下面的實例以任何方式限制本發(fā)明。
例
圖5表示用于照明器或固態(tài)照明設(shè)備的反饋和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它包括用于按照本發(fā)明的一個實施例進行數(shù)字控制的方法和設(shè)備。照明器包括一個或多個發(fā)光元件40，用于產(chǎn)生光，其中的發(fā)光元件40經(jīng)過電流驅(qū)動器35電連接到電源30。電源30例如可以基于交流/直流或直流/直流變換器。如果發(fā)光元件有多種顏色，對于每種顏色要提供單獨的電流驅(qū)動器35，由此向每種顏色的發(fā)光元件"提供必要的正向電5危。
提供一個或多個光檢測器50以便檢測來自照明器的光通量輸出。
14在一個實施例中，對于每種顏色的發(fā)光元件40提供單獨的光檢測器 50。此外，可使彩色濾波器與一個或多個光檢測器50相關(guān)聯(lián)。每個光 檢測器40電連接到放大器和信號變換器55，信號變換器將檢測到的信 號變換成可由控制系統(tǒng)60處理的電信號。在一個實施例中，控制系統(tǒng) 60可以控制放大器和信號變換器55的放大和積分控制信號。應(yīng)該理 解，每個光檢測器50都可檢測一定數(shù)量的光通量，這個數(shù)量的光通量 足以提供穩(wěn)定的光電流，這個光電流提供具有最小的要求信噪比的信 號。而且，可以對光檢測器50進行屏蔽，以便不可能檢測到雜散光或 環(huán)境光，當(dāng)然，在一個實施例中，例如在白天，檢測環(huán)境光是有益的。
在一個實施例中，將用戶接口 65耦合到控制系統(tǒng)60,用戶接口 65提供用于從用戶或其它控制設(shè)備(如可編程的24小時定時器或戲院 照明控制臺)獲得信息的裝置，所述信息涉及期望的色溫、色度、和 /或照明器的期望的光通量輸出。將所述的信息轉(zhuǎn)換成合適的電參考 信號，由控制系統(tǒng)60使用?？刂葡到y(tǒng)60此外還接收來自光檢測器50 的有關(guān)照明器的光通量輸出的反饋數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)60借此可以確定用 于傳送到電流驅(qū)動器35的合適控制信號，以便獲得由照明器產(chǎn)生的期 望的光通量和光的色度?？刂葡到y(tǒng)60可以是微控制器、微處理器、或 者其它的容易被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
在一個實施例中，如圖5所示，控制系統(tǒng)60可以有選擇地可操作 地耦合到一個或多個溫度檢測器元件45。溫度檢測器45可以提供有關(guān) 發(fā)光元件40在操作條件下的溫度的信息?？梢允褂糜嘘P(guān)發(fā)光元件40 溫度的信息來補償與溫度有關(guān)的光通量的漲落和發(fā)光二極管的主波長 移動。例如，通過測量一組發(fā)光元件的正向電壓、熱敏電阻的電阻、或 熱電偶的電壓，可以確定發(fā)光元件40的溫度。因此，控制系統(tǒng)60可 以控制電流驅(qū)動器35，以便按前饋方式改變這組發(fā)光元件40的驅(qū)動電
流o
類似地， 一個或多個溫度傳感器元件45可以提供有關(guān)光傳感器50 在操作條件下的環(huán)境溫度的信息?？梢允褂眠@個信息以前饋方式補償 光響應(yīng)度中與溫度有關(guān)的變化。
在一個實施例中，當(dāng)只對光傳感器50產(chǎn)生響應(yīng)的數(shù)字反饋控制系 60在維持恒定光通量輸出和色度方面具有較小的長期穩(wěn)定性時，控制在另一個實施例中，如圖5所示，控制系統(tǒng)可選擇地包括一個或多個電壓傳感器元件70，電壓傳感器元件70連接到發(fā)光元件40的正向電壓并檢測發(fā)光元件40的正向電壓?？梢允褂弥行念l率等于交流電源線頻率兩倍的帶通濾波器對于電壓傳感器信號進行濾波。電壓傳感器信號的采樣頻率在一般情況下大于約300赫茲，以使視覺閃爍最小。
控制系統(tǒng)60包括一個修正的PID反饋控制算法。對于等于或大于照明器的最大光輸出的10%的期望的設(shè)備操作設(shè)定點，針對3個值P,、I!、 Di來設(shè)定PID控制器參數(shù)。對于這些值進行優(yōu)化，以使照明器的輸出在基本上是最小量的時間內(nèi)達到期望的設(shè)備操作設(shè)定點，同時光輸出中的過沖或振蕩明顯較小、基本上毫無意義并且感覺不到。
對于小于照明器的最大光輸出的10%的期望的設(shè)備操作設(shè)定點，通過起始組的值P^ L、 D,來確定PID控制器參數(shù)，如果輸出大于偏離期望的設(shè)備操作設(shè)定點的5個百分點。當(dāng)輸出小于偏離期望的設(shè)備操作設(shè)定點的5個百分點時，對于PID控制器參數(shù)，使用最終組的值P2、I2、 D2。對于這些PID控制器參數(shù)進行優(yōu)化，以使照明器的輸出在最短的時間內(nèi)達到期望的設(shè)備操作設(shè)定點，同時在光輸出中的過沖或振蕩明顯較小、基本上是沒有意義、和感覺不到。PID控制器參數(shù)的相對數(shù)值可確定為Pi〉P" I！ >12、 D,〈D"可選擇地，可以滿足這些條件中的一個、兩個、或所有三個。如果只滿足這些條件中的一個或兩個，則剩下的PID控制器參數(shù)在起始組的值和最終組的值是相同的。
在本發(fā)明的可替換實施例中，在固定組PID控制器值和多組值之
器最大輸出的10%以外的強度水平，例如是7. 5%或15%。
在另一個實施例中，從起始組的值P。 I,、 Di到最終組的值P2、 12、D2的過渡轉(zhuǎn)變點可以按照當(dāng)前的設(shè)備操作點和期望的設(shè)備操作設(shè)定點之間的相互關(guān)系發(fā)生，例如過渡轉(zhuǎn)變可以在輸出偏離設(shè)定點的預(yù)定數(shù)目百分?jǐn)?shù)點時發(fā)生，所述預(yù)定數(shù)目百分?jǐn)?shù)點是除5以外的預(yù)定數(shù)目百分?jǐn)?shù)點，例如3或6。
在一個實施例中，在輸出過渡轉(zhuǎn)變期間，例如期望的顏色、色溫、或強度發(fā)生改變期間，可以使用起始組的PID控制器參數(shù)；在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間，例如在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點低于10%時，可以使用第二組減小的PID控制器參數(shù)。以此方式，固態(tài)照明設(shè)備的輸出可
16以具有明顯快速的基本上沒有過沖的響應(yīng)，同時允許基本上沒有振蕩 的基本上穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)輸出。
在本發(fā)明的另一個實施例中，將來自對應(yīng)發(fā)光元件的紅、綠、藍(lán)
光經(jīng)過3個單獨的反饋回路和PID控制器混合在一起，即光的每種顏 色有一個反饋回路和PID控制器。改變對應(yīng)的PID控制器參數(shù)的條件 對于每種顏色是不同的，以允許作為標(biāo)準(zhǔn)的具有較高設(shè)定點的顏色和 允許使用不同的PID控制器參數(shù)具有較低設(shè)定點的顏色。
顯然，本發(fā)明的上述實施例都是典型例子，可以按照許多方式改 變本發(fā)明的上述實施例。這樣一些當(dāng)前的或未來的變化都不被認(rèn)為是 偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍，期望對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見 的所有這樣的修改都包括在下面的權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種使用PID控制器數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，所述方法包括如下步驟a)獲得期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點；b)確定當(dāng)前的照明設(shè)備操作點；c)至少部分地基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點、當(dāng)前的照明設(shè)備操作點或者兩者確定一種關(guān)系和將該關(guān)系與預(yù)先確定的閾值進行比較；d)當(dāng)所述關(guān)系大于預(yù)先確定的閾值時，指定第一組值作為PID控制器參數(shù)；e)當(dāng)所述關(guān)系大于預(yù)先確定的閾值時，指定第二組值作為PID控制器參數(shù)；f)使用具有指定的PID控制器參數(shù)的PID控制器控制照明設(shè)備。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中第一組 值或第二組值或者兩者由分立的組值確定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中第一組 值或第二組值由連續(xù)函數(shù)確定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中所述關(guān) 系表示在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點和當(dāng)前的照明設(shè)備操作點之間的 比較關(guān)系。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中所述關(guān) 系表示期望的照明設(shè)備設(shè)定點。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中預(yù)先確 定的閣值表示基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的光通量輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中第二組 PID控制器值取決于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中存在多 組PID控制器值，對于特定的期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點調(diào)諧每組PID 控制器值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中照明設(shè)備具有多個特定的期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，所有的多個特定的期 望的照明設(shè)備操作設(shè)定點具有為其配置的一組PID控制器值。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中第二 組PID控制器值包括一個或多個值，所述一個或多個值是由第一組PID 控制器值的對應(yīng)值使用它們之間的函數(shù)關(guān)系確定的。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中所述 函數(shù)關(guān)系是指數(shù)的、對數(shù)的或多項式的。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中第二 組PID控制器值是使用 一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)確定的。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的數(shù)字控制照明設(shè)備的方法，其中自適 應(yīng)控制系統(tǒng)是使用模型參考自適應(yīng)控制或模型識別自適應(yīng)控制或神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)或模糊邏輯或啟發(fā)式模型或反饋自適應(yīng)控制模型或前饋自適應(yīng)控 制模型配置的。
14、 用于數(shù)字控制照明設(shè)備的裝置，所述照明設(shè)備響應(yīng)一個或多 個控制信號，所述裝置包括a) 反饋系統(tǒng)，配置成監(jiān)測照明設(shè)備的一個或多個操作特性；b) PID控制器，可操作地耦合到照明設(shè)備和反饋系統(tǒng)，將PID控制 器配置成接收來自反饋系統(tǒng)的一個或多個反饋信號，所述一個或多個 反饋信號代表照明設(shè)備的一個或多個操作特性，將PID控制器配置成 接收代表期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點的第一信號和基于預(yù)定的關(guān)系確 定PID控制器參數(shù)，所述預(yù)定的關(guān)系至少部分地基于期望的照明設(shè)備 操作設(shè)定點，當(dāng)前的照明設(shè)備操作點基于一個或多個反饋信號或者兩 者，將PID控制器配置成基于PID控制器參數(shù)產(chǎn)生一個或多個控制信號；借此提供照明設(shè)備的數(shù)字控制。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于數(shù)字控制照明設(shè)備的裝置，其中 反饋系統(tǒng)包括一個或多個光學(xué)傳感器或一個或多個溫度傳感器或一個 或多個電壓傳感器、或者它們的組合。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于數(shù)字控制照明設(shè)備的裝置，其中 PID控制器是獨立的微控制器、微處理器、或數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供用于數(shù)字控制照明設(shè)備的方法和裝置，它能夠迅速地達到期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點，同時明顯地減小了在期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點附近的過沖和振蕩。具體來說，本發(fā)明是通過PID控制器實現(xiàn)的，將PID控制器配置成基于一種關(guān)系來改變PID控制器參數(shù)，所述的關(guān)系至少部分地基于期望的照明設(shè)備操作設(shè)定點、當(dāng)前的照明設(shè)備操作點或者兩者。
文檔編號G05B11/42GK101569239SQ200780045858
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者S·P·羅賓遜, S·波利 申請人:Tir科技公司