太阳自动跟踪装置控制系统的研究

1、第2期(总第147期2008年4月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &AU TOM A T I ON N o 12A p r 1文章编号:167226413(20080220140203太阳自动跟踪装置控制系统的研究徐东亮,任超(武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070摘要:为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。介绍了太阳自动跟踪装置控制系统的控制原理及硬件、软件的设计方法。该系统控制软件运行后,PC 机通过串行端口发送和接收脉冲信号以驱动步进电机,实现对太阳运动轨迹的自动跟踪。整个系统结构

2、简单、价格低廉、性能可靠、跟踪精度高。本控制系统基于PC ,具有丰富的软件资源、良好的人机界面以及强大的数据处理能力。关键词:太阳跟踪装置;自动控制;串口通讯;步进电机中图分类号:T P 273文献标识码:A收稿日期:2007208213;修回日期:2007211201作者简介:徐东亮(19702,男,福建人,副教授,博士,研究方向为机械电子工程、检测技术与自动化装置。0引言太阳能是一种洁净的可再生资源,有着矿物能源不可比拟的优越性,而且太阳能资源十分丰富,是目前可再生能源中应用范围最广泛、发展前景最远大的清洁能源。虽然太阳能总能量很大,但由于太阳能的能量密度比较低,在大气层外的平均密度约为1

3、135k W m 2,再考虑通过大气层的损耗等因素,当到达地面时,只有不到1k W m 2。因此为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。本文介绍的是基于二维太阳跟踪装置的控制系统,该系统采用视日运动轨迹跟踪的方法计算太阳的高度角和方位角,进而通过PC 控制步进电机,实现全自动、全天候、高精度的太阳跟踪。由于采用在V C +610环境下通过PC 机串口直接控制步进电机的方法,因此整个系统成本低、简单实用、可靠性高,且具有良好的人机界面,能够广泛应用于气象监测、环境能源利用等领域。1太阳运行轨迹的算法太阳的运行轨迹,即太阳相对地球的位置可由两种坐标系来描

4、述:赤道坐标系和地平坐标系。111赤道坐标系赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里看太阳相对于地球的位置,这时太阳相对于地球的位置是相对于赤道平面而言,用赤纬角和时角这两个坐标表示。11111赤纬角太阳中心与地球中心的连线(即太阳光线在地球表面直射点与地球中心的连线与此连线在赤道平面上的投影间的夹角称为太阳赤纬角(或称太阳赤纬。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中,太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动,使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化。赤纬角(o 在一年中的变化用下式计算:=23145sin (2d365。或

5、=23145sin 360×(284+n 365。式中:一年第n 天或离春分第d 天的赤纬,春分和秋分=0,冬至=-2315o ,夏至=2315o ;d 由春分算起的第d 天;n 一年中的日期序号。11112时角时角描述因地球自转而引起的日-地相对位置的变化,如无自转,则不存在时角。地面上任意一点与地心连线在赤道平面上投影与当地12点钟的日-地中心连线在赤道平面上投影之间的夹角为时角。地球自转一周为360o ,对应的时间为24h ,故每小时对应的时角为15o ,从正午算起,上午为负,下午为正,数值等于离正午的时间乘以15。日出、日落时的时角最大,正午时为零。112地平坐标系地平坐标系

6、是人在地球上观看空中的太阳相对地球的位置。这时,太阳相对地球的位置是相对地面而言的,用高度角S 和方位角S 两个坐标表示。所谓的相对于地平面,是指太阳与地球间的任何夹角都是与某地的地平面的夹角。11211天顶角Z太阳光线和地平面法线之间的夹角Z称为天顶角。11212高度角S太阳光线和它在地平面上投影线之间的夹角称为高度角,它表示太阳高出水平面的角度。S的计算式为:sinS=sin5sin+co s5co sco s。式中:5当地纬度。高度角与天顶角的关系为:Z+S=90o。11213方位角S地平面上正南方向线与太阳光线在地平面上投影间的夹角称为方位角,它表示太阳光线的水平面投影偏离正南方向的角

7、度,由下式计算:sinS=co ssin co sS。或co sS=(sinS sin5-sin (co sS co s5。方位角从正午起算,按顺时针方向为正,逆时针方向为负,也就是上午为负,下午为正。从上我们可以看出赤道坐标系相对地平坐标系更为直接、简单,可以更为精确地描述太阳的轨迹。但赤道坐标系是以赤道平面、地球的极轴为基准,在实际应用中跟踪装置机械结构的设计和安装都很困难,因此在满足跟踪精度的前提下我们采用地平坐标系,由当地的纬度、日期、时间计算太阳的方位角和高度角,从而控制步进电机实现跟踪装置对太阳的跟踪。2控制系统结构根据地平坐标系,自动跟踪装置具有两个相互垂直的转轴,即垂直轴和水平

8、轴,分别垂直、平行于当地的水平面。太阳能电池板围绕垂直轴转动实现方位角的变化,围绕水平轴转动实现高度角的变化。控制系统采用闭环控制,硬件主要由PC机、电平转换电路、定位开关、电机及其驱动器组成。工业PC 运行控制程序,通过计算机串行端口和电平转换模块向步进电机驱动器发送方向脉冲和驱动脉冲,驱动步进电机带动机构运动,在地平坐标系中实现对太阳运行轨迹的跟踪。(1在两维方向的零点位置安装精密定位开关,机械运动部件运行到基准位置时,通过触发开关向控制端口发送电平信号,实现反馈控制。(2驱动接口采用R S232串口进行通讯,传输距离最大为15m,可以采用远程控制的方式。步进电机驱动的电平范围为0V5V,

9、无法与R S232信号电平直接兼容,因此需要专门的电平转换器件M A X232芯片作为电平转换电路,保证串口脉冲驱动电机正常工作。(3选用的步进电机为混合式步进电机,步距角为118o 019o。要满足高精度的跟踪要求,必须提高电机步进角度的分辨率,因此选用专门的电机细分驱动器作为控制电路,可以明显提高步进角度的分辨率。细分功能还能消除电机的低频振荡,进一步提高电机的输出转矩和增强负载能力。控制系统框图见图1 。图1控制系统框图3控制系统软件本系统的控制软件由以下几部分组成:系统初始化模块;两维自动跟踪模块;步进电机驱动模块。311系统初始化模块系统初始化模块主要确定跟踪装置机械结构的基准位置。

10、机械运动部件运动到基准位置后,触发开关向控制端口发送电平信号,PC收到消息后立即中止驱动脉冲的发送。这种模式主要是针对系统工作异常和日落后系统自动返回基准位置设置的,也可以减小因机械结构的加工和步进电机的传动而产生的误差积累。312两维自动跟踪模块利用地平坐标系中太阳高度角和方位角的计算公式,计算机根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置,计算出当时的太阳高度角、方位角以及当日的日出、日落时间。选择工作模式后,仪器进入两维自动跟踪状态且迅速追踪至当前太阳位置。之后系统便每分钟根据太阳轨迹的变化同步发送驱动信号,实现系统运动机构在水平和垂直方向上的角度变化。日落后,系统运行指令驱动机构依照日

11、落前的跟踪路线返回到两维的基准零点。313步进电机驱动模块系统通过计算机串口控制两轴步进电机的转速、转向和转动角度。步进电机驱动脉冲时序图见图2,图中驱动脉冲信号用于控制步进电机的位置和速度,电机的转速随脉冲频率的大小而相应变化。用驱动脉冲的个数实现电机的精确定位,方向脉冲用于控制步进电机的旋转方向 。图2驱动脉冲时序图考虑到角度变化的精度影响和电机的反应速度,选取1m in为单位时间,近似地认为在该单位时间内太阳的两维角度变化为线性匀速。以初始位(方位角采取正南方,高度角采取水平面为计算原点,各单位时间1412008年第2期徐东亮,等:太阳自动跟踪装置控制系统的研究内的步数由当前时间的总步数

12、减去前一时间的总步数得到。这样既避免失步,又能避免累积误差。在发送电机驱动脉冲时采用多线程工作,以降低两路驱动时序的延迟误差,保证步进精度。脉冲产生后,按照电机稳定工作的脉冲频率来设置串口通讯速率,脉冲以位码的形式通过R S 232端口发送。串口也发送方向电平来控制仪器的两维运动方向。4结束语(1本控制系统基于PC ,具有丰富的软件资源、良好的人机界面以及强大的数据处理能力。(2通过串口发送脉冲信号驱动步进电机,控制装置运动机构水平和垂直旋转跟踪太阳,因此整个系统结构简单、价格低廉、性能可靠、跟踪精度高。(3太阳视日轨迹算法采用地平坐标系,以当地的水平面和正南方为基准,且R S 232串口通讯

13、最大距离为15m ,因此在实际应用中,自动跟踪装置的安装灵活、方便。参考文献:1郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册M .北京:化学工业出版社,2006.J .气象水文海洋仪器,2001(2:8211.3郑小年,黄巧燕.太阳跟踪方法及应用J .能源技术,2003,24(4:1492151.D evelop m en t of Con trol System of Automatic Solar TrackerXU D ong -li ang ,REN Chao(Schoo l of M echanical and E lectronic Engineering ,W uhan U niv

14、ersity of T echno logy , W uhan 430070,Ch ina Abstract :T h is paper in troduces the con tro l p rinci p le of the au tom atic so lar tracker con tro l system and the design m ethod of the hardw are and the softw are .A fter the softw are of con tro l system operates ,compu ter w ill con tro l stepp

15、 ing mo to r by sending and re 2ceiving i m pu lse signal th rough serial po rt to drive m ach ine to fo llow the track of the sun .A s a resu lt of it ,th is con tro l system is si m p le ,cheap and reliab le .A nd th is system is based on PC ,then it has abundan t softw are resou rces and conven i

16、en t in terface of oper 2ati on .Key words :au tom atic so lar tracker ;au tom atic con tro l ;serial comm un icati on ;stepp ing mo to r(上接第139页采用三角形隶属度函数曲线,经过反复调整量化因子和比例因子k e 和k u ,得到炉温模糊控制仿真曲线,见图5。图5炉温模糊控制仿真曲线采用P I D 控制器对炉温进行控制,炉温控制仿真曲线见图6。从仿真的结果可以看出,对电加热炉采用模糊控制,系统超调量小,鲁棒性强,比P I D 控制效果要好。图6炉温P I

17、D 控制仿真曲线参考文献:1诸静.模糊控制原理与应用M .第2版.北京:机械工业出版社,2005.2闻新,周露,李东江,等.M A TLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用M .北京:科学出版社,2001.Furnace Tem perature Con trol System of Hot TestPress Based on Fuzzy Con trolW ANG Fu -bi n 1,CHEN Zh i -kun 1,L I Qi -p i ng 1,ZHANG Shan -shu 1,L I X i ao -y i 2(1.Computer and A utom atic Contro l

18、 Co llege ,H ebei Po lytechnic U niversity ,T angshan 063009,Ch ina ;2.L ibrary ,N o rth Ch ina CoalM edical U niversi 2ty ,T angshan 063000,Ch ina Abstract :Based on fu ll con tro l of ho t test p ress w ith indu strial compu ter ,th is paper u ses fuzzy con tro l m ean s to create tw o 2di m en 2si onal fuzzy con tro ller ,w ith the fu rnace temperatu re erro r and the rate of change