Adaptación de un algoritmo de optimización basado en replicadores dinámicos aplicado al control de iluminación de recintos con presencia de individuos

Abstract

Energy efficiency is a worldwide interest topic that invites the scientific community to search for techniques, methods and procedures to look for the appropriate use of the available energy. Currently, a 48.7% of global electricity consumption depends on the dynamics of residential and commercial sectors, and in Colombia, this participation increases to 64.6%, making these sectors an interesting research to promote a good energy use. When making a detailed analysis of this participation, the consumption for lighting in these sectors is one of the highest, being surpassed only by heating and cooling systems. The high consumption is supported given that in the urban area, the presence of large apartment buildings, residential neighborhoods, large shopping centers, hospitals and educational centers, among others, require lighting on a daily basis for several consecutive hours. In this context, the term of intelligent lighting assumes an interesting role in the search for alternatives that make better use of the electrical energy used in artificial light. These methods use control strategies that allow the resource’s optimization, where the non-centralized schemes have an especial relevance such as the Replicators Dynamics, which inspire the work of the present investigation. Replicators Dynamics are used to solve problems of distributed optimization of resources based on population dynamics, which led to the lighting context allows managing the power allocation in an interconnected lamp system, minimizing the used energy. The main good thing about this control strategy is that only need local information to achieve the control objective. Related works show that the replicator system allows the monitoring of lighting references in an adequate way, but does not contemplate in its structure the possibility to dispense with use of luminaires depending on the need for lighting given by the presence of individuals; the inclusion of this parameter in the distributed replicators dynamic system applied to lighting management is the main contribution of this research. In this master's thesis, an adaptation of the optimization algorithm based on replicators dynamics applied to lighting control of room is planned, this algorithm is tested using a case study (classroom with eight led luminaires with lighting and presence sensors) by simulation using MATLAB software. Finally, a comparative analysis of the performance of this algorithm in relation to three control systems (MPC mimo, LQR mimo and PID) is made, demonstrating the benefits of the algorithm develop

El uso eficiente de la energía es un tema de interés mundial que invita a la comunidad científica a buscar técnicas, métodos y procedimientos que permitan el buen uso de la energía disponible. Actualmente, el 48.7% de consumo de energía eléctrica mundial depende de las dinámicas de uso de los sectores residencial y comercial, y a nivel de Colombia, dicha participación aumenta al 64.6%, convirtiendo a estos sectores en un nicho interesante de investigación hacia la eficiencia energética. Al hacer un análisis más detallado de esta participación, se tiene que el consumo destinado a iluminación en estos sectores está entre los más altos, siendo superado solo por usos como calefacción y refrigeración. Esto se debe en gran parte a que, en la zona urbana, la presencia de grandes edificios de apartamentos, barrios residenciales, grandes centros comerciales, hospitales y centros educativos, entre muchos otros, requieren de la iluminación a diario y por varias horas consecutivas. En este contexto, el término iluminación inteligente asume un papel interesante en la búsqueda de alternativas que permitan hacer un mejor uso de la energía eléctrica empleada en luz artificial. Estos métodos usan estrategias de control que permiten la optimización del recurso, tomando relevancia esquemas no centralizados como el adaptado de los Replicadores Dinámicos, que inspiran el trabajo de la presente investigación. Los replicadores dinámicos solucionan problemas de optimización distribuida de recursos basados en dinámicas poblacionales, que llevados al contexto de iluminación, permiten gestionar la asignación de potencia en un sistema de lámparas y sensores interconectado, minimizando la energía utilizada. La principal característica de esta estrategia de control es que solo necesita información local para lograr su objetivo de control. Los trabajos realizados actualmente, demuestran que el sistema de replicadores permite el seguimiento de referencias de iluminación de forma adecuada, pero no contempla en su estructura la posibilidad de prescindir del uso de luminarias dependiendo de detectores de presencia. La inclusión de este parámetro en el sistema de replicadores dinámicos distribuidos aplicado a gestión de iluminación y su comparación con otras estrategias, constituyen el aporte principal de esta investigación. En este trabajo se planeta una adecuación del algoritmo de optimización basado en dinámicas poblacionales, para seguir referencias de iluminación de recintos con múltiples zonas, teniendo en cuenta la presencia o ausencia de individuos y solventando los inconvenientes que esta adecuación genera en el normal funcionamiento del sistema. Para validar el desempeño del nuevo algoritmo de control, se realiza un análisis comparativo de desempeño de éste con un grupo de controladores base dado por un controlador MPC, un LQR y un PID. Los resultados del análisis ante cuatro diferentes escenarios de prueba, demuestran que el algoritmo planteado es una solución óptima distribuida con un desempeño similar al obtenido por controladores óptimos centralizados como el MPC y el LQR, y que al mismo tiempo solventa limitantes que se presentan en estrategias de control descentralizadas como el controlador PID.