基于模糊算法的太陽光導(dǎo)入器的研究

高麗貞（廈門工學(xué)院，福建廈門，361005）

基于模糊算法的太陽光導(dǎo)入器的研究

高麗貞
（廈門工學(xué)院，福建廈門，361005）

模糊智能控制作為一種新興的理論，為解決因太陽強(qiáng)度和角度時刻變化而跟蹤不精準(zhǔn)的問題提供了一條有效的解決途徑，本論文在論述了模糊控制理論的基礎(chǔ)上，提出了基于模糊算法的太陽光導(dǎo)入器的研究。給出了系統(tǒng)硬件框圖，經(jīng)過調(diào)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定，可以提高控制精度。

太陽能；導(dǎo)入器；模糊算法

0 引言

太陽能作為綠色新能源，是未來能源發(fā)展的重點(diǎn)。 考慮到實(shí)際天氣具有非線性、時變不確定的特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型[1]，所以應(yīng)用常規(guī)PID控制器通常不能達(dá)到理想的控制效果。而模糊控制策略[2]是利用模糊集合論，把人工控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受的算法語言所描述的算法，它具有不需要了解被控對象的確切模型，控制具有響應(yīng)速度較快，過渡過程時間較短、精度較高以及魯棒性較好的優(yōu)點(diǎn)。

1 追光系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

由四象限探測器檢測太陽光線照射到太陽能電池板上所產(chǎn)生的電流，將電流送給ARM920T控制器中的ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由ARM920T判斷太陽的位置；然后送控制量給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制雙軸(豎直和水平軸)機(jī)械支架的轉(zhuǎn)動，達(dá)到調(diào)整太陽能電池板的姿態(tài)(即方向角和俯仰角)，從而使太陽能電池板與太陽光線垂直，能使太陽光很好的輸入到傳輸介質(zhì)中（目前利用最多的傳輸介質(zhì)就是光纖，利用光在光纖中全反射原理），以便高效率的收集太陽光，通過選擇的傳輸介質(zhì)傳輸?shù)叫枰锰柟獾牡胤?。使太陽能電池板最大限度地接收太陽能。在控制過程中，加入了模糊算法，采用模糊算法不僅對被控制對象參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，同時使電機(jī)運(yùn)行更加平順，克服了超調(diào)大的問題，保證了控制精度要求及實(shí)時性，使系統(tǒng)能在復(fù)雜的天氣環(huán)境下實(shí)時追蹤太陽，使太陽能電池組件的輻照最大化。

1.2 四象限光電傳感器

四象限光電傳感器是把4個性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光電探測器件，當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時，探測器的每個象限輸出不同幅度的電信號，通過對這些信號的幅度進(jìn)行計(jì)算，可以確定入射光斑中心在感光面上的位置。這種探測器可以探測光學(xué)目標(biāo)位置的連續(xù)變化，具有位置分辨率高、相應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

四象限輸出[3]與入射光電位置的關(guān)系為：

式中X1、X2、Y1、Y2表示各象限的輸出電流（光生電流）,Px、Py表示入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)（坐標(biāo)原點(diǎn)在光敏面中心），L表示光敏有效區(qū)域邊長。本系統(tǒng)采用深圳達(dá)瑞鑫光電科技有限公司的DRX-QP-SD2信號處理板，其對四象限探測器輸出的微小電流信號進(jìn)行I-V放大及運(yùn)算處理。其輸出上下和差信號，左右和差信號，總和信號，這三路信號直接由ARM920T控制器中的ADC進(jìn)行采集處理，處理后得到反饋的太陽位置偏差角度，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對太陽的精確跟蹤。

圖2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

2 追光系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制原理

由于環(huán)境的變化及天氣變化的復(fù)雜性，太陽光的強(qiáng)度隨時在變化[4]，因此，系統(tǒng)偏差電壓的變化是非線性的，太陽能追光模糊控制器[5]的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)采用雙輸入、單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。通過對4個區(qū)域光強(qiáng)信號的實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集，得到實(shí)際電壓值的數(shù)字量，再取四個受光區(qū)域中電壓值與變化率最大的一組數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@樣一組數(shù)據(jù)相對其他幾個區(qū)域的精度要高，再將所選區(qū)域?qū)嶋H光強(qiáng)電壓平均值與設(shè)定值進(jìn)行差分，得到電壓變化誤差數(shù)字量e和ec，送入模糊控制器，通過模糊控制算法得到太陽的實(shí)際位置，故可以取實(shí)際測量電壓偏差e和偏差變化率ec為模糊變量，取電機(jī)電樞電壓控制量Δu為模糊控制器的輸出u。

實(shí)際測量四象限光電傳感器電壓偏差e的基本論域?yàn)閇-1v,1v]，e的模糊論域?yàn)?[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6],則誤差e的量化因子為1/6。偏差變化率ec與輸出變量u模糊論域?yàn)閇-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

根據(jù)長時間的調(diào)試總結(jié)，得到如下控制規(guī)則：

if e=NB and ec=PB then u=PB;

if e=NM and ec=PB then u=PS;

共計(jì)56條這樣的控制規(guī)則，具體歸納后見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

確定各個語言變量模糊子集的隸屬度函數(shù)[6]，從而得到語言變量e、ec、u的賦值表。

同時根據(jù)這些推理規(guī)則，可以求出總的模糊關(guān)系R，從而根據(jù)所取的e=-6,-5,-4…+5,+6和ec=-6,-5,-4…+5,+6中的量化值，經(jīng)模糊推理合成規(guī)則運(yùn)算，得到語言變量U的模糊集合，然后按照加權(quán)平均值法或者隸屬度最大值法，求出系統(tǒng)的模糊控制總查詢表，見表2?？刂茣r只要通過總控制表中的控制量，乘以相應(yīng)的系數(shù)因子即可以得到模糊控制器的輸出。

表2 總控制表

3 總結(jié)

本文將模糊算法應(yīng)用到太陽能追光系統(tǒng)，在光照情況下進(jìn)行實(shí)測整個控制系統(tǒng)的性能，不僅系統(tǒng)穩(wěn)定，并且提高了跟蹤精度，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]李慧，王瑞利.高精度太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2016（02）：388-389,407.

[2]韓峻峰，李玉惠等.模糊控制技術(shù).2003，重慶大學(xué)出版社.

[3]戴亦宗等.基于模糊控制的太陽能追光系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2012 No.9.

[4]孫增圻.智能控制理論及技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[5]高蒙蒙等.模糊算法在混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)溫度控制中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2015.7第38卷第4期.

[6]王波.太陽跟蹤及導(dǎo)光系統(tǒng)關(guān)鍵性研究[D].西安電子科技大學(xué). 2013.1.

The research of sunlight importer based on fuzzy algorithm

Gao Lizhen
( Xiamen Institude of Technology , Xiamen Fujian,361005)

The sun intensity and angle always change,so tracking is not accurate,this is a problem. Fuzzy intelligent control as a new theory provides an effective way to solve this problem. This paper proposes the design of the sunlight importer on the basis of fuzzy control theory . The system hardware block diagram is given, and the system is stable after debugging, which can improve the control precision.

sunlight;importer;fuzzy algorithm

福建省中青年科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：JA1506）。