Метод предиктивного управления температурным режимом светодиодных систем для повышения энергоэффективности и надежности; Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов; Т. 337, № 9
| Parent link: | Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов=Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering/ Национальный исследовательский Томский политехнический университет.— .— Томск: Изд-во ТПУ, 2015-.— 2413-1830 Т. 337, № 9.— 2026.— С. 122-135 |
|---|---|
| Corporate Author: | |
| Other Authors: | , , , , |
| Summary: | Актуальность. Температурный режим светодиодных устройств является одним из ключевых факторов, определяющих их энергоэффективность, надёжность и срок службы. В условиях развития интеллектуальных энергосистем, цифровизации энергетики и повышения требований к энергоэффективности особую значимость приобретает разработка методов интеллектуального управления режимами работы светодиодных осветительных систем как элементов современных энерготехнологических комплексов. Повышение температуры светодиодного чипа и элементов конструкции светодиодных устройств приводит к деградации светового потока, росту электрических потерь и ускоренному износу элементов. Традиционные методы управления температурным режимом не обеспечивают требуемого качества регулирования температуры в условиях выраженной термической инерции и наличия физических ограничений, что обуславливает необходимость применения более совершенных интеллектуальных подходов к управлению температурным режимом светодиодных устройств. Цель. Разработка и исследование метода предиктивного управления температурным режимом светодиодных устройств на основе электротермической модели с учётом физических ограничений, обеспечивающего повышение стабильности и эффективности работы системы. Методы. Трёхузловая электротермическая модель PCB, описанная в пространстве состояний. Параметры модели идентифицированы на основе экспериментальных данных, полученных с использованием температурных датчиков. Для управления применён алгоритм MPC, учитывающий ограничения по температуре, току и скорости его изменения. Дискретизация модели выполнена методом Эйлера с шагом 60 с. Эффективность оценивалась с использованием метрик RMSE, максимальной температуры, времени установления и амплитуды колебаний. Результаты. Применение MPC позволило существенно улучшить характеристики температурного режима. Максимальная температура снижена с ≈89 до ≈77 °C (на ~12 °C), величина перерегулирования уменьшена с ≈9 до ≈2 °C, время установления сокращено в 2–3 раза (с ≈90–100 до ≈30–40 с), а амплитуда температурных колебаний снижена примерно в 5 раз. Среднеквадратичная ошибка модели не превышает 8,21 °C для платы, что подтверждает её адекватность. Кроме того, амплитуда колебаний тока уменьшена в 8–10 раз, а его максимальное значение снижено с ≈0,93 до ≈0,74 А. Полученные результаты подтверждают перспективность применения методов предиктивного управления в энергоэффективных системах освещения и интеллектуальных системах электроснабжения, ориентированных на снижение эксплуатационных потерь и повышение надежности оборудования Relevance. The thermal regime of light-emitting diode devices is one of the key factors determining their energy efficiency, reliability, and service life. In the context of the development of intelligent power systems, the digitalization of the energy sector, and increasing requirements for energy efficiency, the development of intelligent methods for controlling the operating modes of light-emitting diode systems as elements of modern energy technology complexes is becoming particularly important. An increase in the temperature of the light-emitting diode chip and structural elements of a light-emitting diode device leads to degradation of luminous flux, increased electrical losses, and accelerated wear of components. Traditional methods of thermal regime control do not provide the required quality of temperature regulation under conditions of pronounced thermal inertia and physical constraints, which necessitates the use of more advanced intelligent approaches to controlling the thermal regime of light-emitting diode devices. Aim. To develop and investigate a predictive control method for the thermal regime of light-emitting diode devices based on an electrothermal model that takes into account physical constraints and ensures improved stability and efficiency of system operation. Methods. A three-node electrothermal PCB model described in state-space form. The model parameters were identified based on experimental data obtained using temperature sensors. Model Predictive Control algorithm was applied for control, taking into account constraints on temperature, current, and the rate of its change. The model was discretized using the Euler method with a time step of 60 s. The effectiveness was evaluated using Root Mean Squared Error, maximum temperature, settling time, and oscillation amplitude metrics. Results. The application of Model Predictive Control significantly improved the characteristics of the thermal regime. The maximum temperature was reduced from ≈89 to ≈77°C (by ≈12°C), the overshoot was reduced from ≈9 to ≈2°C, the settling time was reduced by a factor of 2–3 (from ≈90–100 to ≈30–40 s), and the amplitude of temperature oscillations was reduced by approximately 5 times. The Root Mean Square Error of the model does not exceed 8.21°C for the board, which confirms its adequacy. In addition, the amplitude of current oscillations was reduced by a factor of 8–10, while its maximum value was reduced from ≈0.93 to ≈0.74 A. The obtained results confirm the prospects of applying predictive control methods in energyefficient lighting systems and intelligent power supply systems aimed at reducing operational losses and improving equipment reliability Текстовый файл |
| Language: | Russian |
| Published: |
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | bulletin_tpu-2026-v337-i9-12.pdf https://doi.org/10.18799/24131830/2026/9/5684 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=688721 |
| Summary: | Актуальность. Температурный режим светодиодных устройств является одним из ключевых факторов, определяющих их энергоэффективность, надёжность и срок службы. В условиях развития интеллектуальных энергосистем, цифровизации энергетики и повышения требований к энергоэффективности особую значимость приобретает разработка методов интеллектуального управления режимами работы светодиодных осветительных систем как элементов современных энерготехнологических комплексов. Повышение температуры светодиодного чипа и элементов конструкции светодиодных устройств приводит к деградации светового потока, росту электрических потерь и ускоренному износу элементов. Традиционные методы управления температурным режимом не обеспечивают требуемого качества регулирования температуры в условиях выраженной термической инерции и наличия физических ограничений, что обуславливает необходимость применения более совершенных интеллектуальных подходов к управлению температурным режимом светодиодных устройств. Цель. Разработка и исследование метода предиктивного управления температурным режимом светодиодных устройств на основе электротермической модели с учётом физических ограничений, обеспечивающего повышение стабильности и эффективности работы системы. Методы. Трёхузловая электротермическая модель PCB, описанная в пространстве состояний. Параметры модели идентифицированы на основе экспериментальных данных, полученных с использованием температурных датчиков. Для управления применён алгоритм MPC, учитывающий ограничения по температуре, току и скорости его изменения. Дискретизация модели выполнена методом Эйлера с шагом 60 с. Эффективность оценивалась с использованием метрик RMSE, максимальной температуры, времени установления и амплитуды колебаний. Результаты. Применение MPC позволило существенно улучшить характеристики температурного режима. Максимальная температура снижена с ≈89 до ≈77 °C (на ~12 °C), величина перерегулирования уменьшена с ≈9 до ≈2 °C, время установления сокращено в 2–3 раза (с ≈90–100 до ≈30–40 с), а амплитуда температурных колебаний снижена примерно в 5 раз. Среднеквадратичная ошибка модели не превышает 8,21 °C для платы, что подтверждает её адекватность. Кроме того, амплитуда колебаний тока уменьшена в 8–10 раз, а его максимальное значение снижено с ≈0,93 до ≈0,74 А. Полученные результаты подтверждают перспективность применения методов предиктивного управления в энергоэффективных системах освещения и интеллектуальных системах электроснабжения, ориентированных на снижение эксплуатационных потерь и повышение надежности оборудования Relevance. The thermal regime of light-emitting diode devices is one of the key factors determining their energy efficiency, reliability, and service life. In the context of the development of intelligent power systems, the digitalization of the energy sector, and increasing requirements for energy efficiency, the development of intelligent methods for controlling the operating modes of light-emitting diode systems as elements of modern energy technology complexes is becoming particularly important. An increase in the temperature of the light-emitting diode chip and structural elements of a light-emitting diode device leads to degradation of luminous flux, increased electrical losses, and accelerated wear of components. Traditional methods of thermal regime control do not provide the required quality of temperature regulation under conditions of pronounced thermal inertia and physical constraints, which necessitates the use of more advanced intelligent approaches to controlling the thermal regime of light-emitting diode devices. Aim. To develop and investigate a predictive control method for the thermal regime of light-emitting diode devices based on an electrothermal model that takes into account physical constraints and ensures improved stability and efficiency of system operation. Methods. A three-node electrothermal PCB model described in state-space form. The model parameters were identified based on experimental data obtained using temperature sensors. Model Predictive Control algorithm was applied for control, taking into account constraints on temperature, current, and the rate of its change. The model was discretized using the Euler method with a time step of 60 s. The effectiveness was evaluated using Root Mean Squared Error, maximum temperature, settling time, and oscillation amplitude metrics. Results. The application of Model Predictive Control significantly improved the characteristics of the thermal regime. The maximum temperature was reduced from ≈89 to ≈77°C (by ≈12°C), the overshoot was reduced from ≈9 to ≈2°C, the settling time was reduced by a factor of 2–3 (from ≈90–100 to ≈30–40 s), and the amplitude of temperature oscillations was reduced by approximately 5 times. The Root Mean Square Error of the model does not exceed 8.21°C for the board, which confirms its adequacy. In addition, the amplitude of current oscillations was reduced by a factor of 8–10, while its maximum value was reduced from ≈0.93 to ≈0.74 A. The obtained results confirm the prospects of applying predictive control methods in energyefficient lighting systems and intelligent power supply systems aimed at reducing operational losses and improving equipment reliability Текстовый файл |
|---|---|
| DOI: | 10.18799/24131830/2026/9/5684 |