基于太陽(yáng)敏感器的移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研究

劉福才， 史順東， 王 浩， 楊亦強(qiáng)， 任麗娜

(1. 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004；2. 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所， 北京 100086)

基于太陽(yáng)敏感器的移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研究

劉福才1， 史順東1， 王 浩1， 楊亦強(qiáng)2， 任麗娜1

(1. 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004；2. 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所， 北京 100086)

針對(duì)移動(dòng)設(shè)備太陽(yáng)能供電需求問(wèn)題，開(kāi)展了高精度移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研究。采用一種新型的大視場(chǎng)、高精度太陽(yáng)敏感器，基于雙軸跟蹤方式研制了移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤裝置；并針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)不間斷晃動(dòng)、非直線行駛、轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)、精度降低甚至跟蹤目標(biāo)丟失等問(wèn)題，結(jié)合太陽(yáng)敏感檢測(cè)特點(diǎn)，提出了選擇性位置式PID跟蹤控制策略。對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了車載試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的四象限傳感器跟蹤，基于太陽(yáng)敏感器的跟蹤系統(tǒng)搜尋視野達(dá)120°，精度達(dá)±0.5°，具有響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性好、目標(biāo)丟失后找回快等優(yōu)點(diǎn)。本文為移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤提供了一種可靠可行的新方案，該方案稍加改進(jìn)還可用于高空太陽(yáng)電池標(biāo)定等領(lǐng)域。

移動(dòng)平臺(tái)； 太陽(yáng)跟蹤； 太陽(yáng)敏感器； 選擇性PID； 動(dòng)態(tài)跟蹤性能

1 引言

在化石燃料日漸稀少的今天，太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源，應(yīng)用前景日漸廣泛。一些移動(dòng)平臺(tái)上也引入了太陽(yáng)能供電裝置，為系統(tǒng)輔助供電。移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)與固定式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)不同，平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中，跟蹤環(huán)境復(fù)雜，這對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)提出了新的要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)各自開(kāi)展了大量研究，太陽(yáng)跟蹤方式主要有光電式、視日運(yùn)動(dòng)軌跡、光斑跟蹤等方法[1]。J. H. Chen設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)采集太陽(yáng)電池電壓、電流值，采用MTTP仿真跟蹤太陽(yáng)[2]；P. Roth設(shè)計(jì)了一種通過(guò)閉環(huán)伺服系統(tǒng)自動(dòng)操作的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)，結(jié)合視日運(yùn)動(dòng)算法和四象限光電探測(cè)器跟蹤太陽(yáng)[3]；雷元超對(duì)光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤進(jìn)行研究，提出改進(jìn)爬山法的太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)跟蹤，系統(tǒng)在日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度及負(fù)載電阻大范圍變化時(shí)仍能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)，并具有較好的穩(wěn)定性[4]。

文獻(xiàn)[2-4]的研究主要是針對(duì)地面固定式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，但隨著移動(dòng)平臺(tái)太陽(yáng)能供電需求的提出，一些學(xué)者開(kāi)展了移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的研究。A. Javadi設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式光伏太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，并通過(guò)太陽(yáng)能混合動(dòng)力拖拉機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，與水平固定模式相比該系統(tǒng)可多吸收30%的能量[5]；徐從裕研究的車載式太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方法，以太陽(yáng)能輸出電壓和光敏管電平為跟蹤參數(shù)，對(duì)給定目標(biāo)采取實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)策略，移動(dòng)跟蹤試驗(yàn)表明系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的動(dòng)態(tài)跟蹤[6]。

本文針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)跟蹤環(huán)境復(fù)雜性，開(kāi)展了基于太陽(yáng)敏感器的移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研究。系統(tǒng)基于雙軸跟蹤方式，采用太陽(yáng)敏感器、嵌入式控制器及選擇性位置式PID控制算法；并進(jìn)行了車載試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能的優(yōu)越性。

2 移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)組成

2.1 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)主要由雙軸式跟蹤機(jī)械機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)跟蹤控制器、光電式太陽(yáng)敏感器以及移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)組成，移動(dòng)式跟蹤示意圖如圖1所示。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)俯仰轉(zhuǎn)軸方向通過(guò)限位開(kāi)關(guān)，可在0～90°間自由調(diào)節(jié)；方位轉(zhuǎn)軸方向使用了滑環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)360°大范圍跟蹤。太陽(yáng)跟蹤控制器通過(guò)讀取太陽(yáng)敏感器的太陽(yáng)矢量夾角，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，控制方位和俯仰電機(jī)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)跟蹤太陽(yáng)的目的。

圖1 移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)圖Fig.1 Portable solar tracking control system

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。太陽(yáng)敏感器檢測(cè)太陽(yáng)矢量夾角，為控制電機(jī)跟蹤太陽(yáng)提供判斷依據(jù)；水平、俯仰電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)主控板給出的控制信號(hào)控制相應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

圖2 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 General structure of solar tracking control system

2.2 太陽(yáng)光跟蹤傳感器

太陽(yáng)光跟蹤傳感器是一種感應(yīng)太陽(yáng)光線確定太陽(yáng)位置的檢測(cè)元件。目前，太陽(yáng)光跟蹤傳感器種類繁多，根據(jù)原理不同，主要分為模擬式和數(shù)字式光傳感器兩種。其中模擬式光傳感器有光電二極管傳感器、硅電池傳感器、PSD傳感器和四象限傳感器，數(shù)字式光傳感器有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。

(1) 四象限傳感器檢測(cè)原理

如圖3所示，四象限傳感器根據(jù)小孔成像原理，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行成像。成像光斑投射在四象限傳感器上，光斑投射位置不同，A、B、C、D 4個(gè)象限光電流大小不同；將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入控制器處理計(jì)算，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)。光束的質(zhì)心(X，Y)可以由式(1)、式(2)計(jì)算[7]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的四象限傳感器檢測(cè)精度達(dá)1°，視野角達(dá)20°，較容易捕捉到太陽(yáng)。

X=(UA+UB)-(UC+UD)

(1)

Y=(UB+UC)-(UA+UD)

(2)

圖3 四象限傳感器檢測(cè)原理圖Fig.3 Detection principle of four quadrants sensors

(2) 太陽(yáng)敏感器檢測(cè)原理

太陽(yáng)敏感器不僅可以測(cè)量微小衛(wèi)星姿態(tài)，還可以用于太陽(yáng)跟蹤裝置。太陽(yáng)敏感器同樣是運(yùn)用光學(xué)小孔成像原理對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行成像，使其成像光斑投射在CMOS圖像傳感器上，然后采用“質(zhì)心法”求取太陽(yáng)像光斑中心位置，并用最小二乘法對(duì)該太陽(yáng)敏感器進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)算出太陽(yáng)入射角，其中成像小孔采用6×6小孔陣列[8]。

建立如圖4所示的坐標(biāo)系，測(cè)得的太陽(yáng)矢量夾角在俯仰和方位兩軸方向上入射角度分別為α、β。主控器根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的太陽(yáng)矢量夾角，控制跟蹤裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

圖4 太陽(yáng)敏感器的太陽(yáng)矢量角示意圖Fig.4 Sun vector angle of sun sensors

光電二極管傳感器跟蹤范圍大、控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是精度低、易受干擾；PSD和四象限傳感器跟蹤穩(wěn)定性好、精度高、調(diào)節(jié)可靠，缺點(diǎn)是跟蹤視角小、跟蹤丟失后重新找回慢；CCD圖像傳感器靈敏度高、跟蹤視野大，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理量大、編程繁瑣。本文最終選用太陽(yáng)敏感器檢測(cè)移動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)的對(duì)日定向偏角，其檢測(cè)精度達(dá)0.05°，視野角達(dá)120°，數(shù)字通信接口幀頻為10Hz。

3 太陽(yáng)跟蹤閉環(huán)控制策略

與傳統(tǒng)的地面固定式跟蹤系統(tǒng)不同，由于移動(dòng)平臺(tái)跟蹤環(huán)境的復(fù)雜性，造成移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)容易丟失、丟失后找回慢甚至不易找回、跟蹤精度低、跟蹤點(diǎn)附近易抖動(dòng)等問(wèn)題。針對(duì)移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性提出了太陽(yáng)跟蹤控制策略，主要包括跟蹤系統(tǒng)控制策略、系統(tǒng)搜尋策略以及選擇性位置式PID跟蹤控制策略等。

3.1 系統(tǒng)控制策略

移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)由于移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，造成太陽(yáng)電池板朝向不定，需要針對(duì)其特點(diǎn)研究跟蹤控制策略，控制策略如圖5所示。系統(tǒng)跟蹤啟動(dòng)后，俯仰方向首先降到起始位置(初始俯仰角為根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度和時(shí)間計(jì)算的太陽(yáng)高度角α，如式(3)所示)，采集太陽(yáng)敏感器的太陽(yáng)矢量夾角，處理、存儲(chǔ)、判斷后，執(zhí)行跟蹤或搜尋子程序。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若按下停止按鍵，則系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

圖5 跟蹤系統(tǒng)控制策略Fig.5 Tracking system control strategy

太陽(yáng)高度角α計(jì)算公式為[9]：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(3)

式中，δ為太陽(yáng)赤緯角，即某天太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度；ω為時(shí)角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥取＆?、σ?jì)算公式為[9]：

σ=23.5°sin[360(284+n)/365]

(4)

ω=15°(12-h)

(5)

式中，n為積日，即一年中的天數(shù)，自1月1日起算；h為24小時(shí)制真太陽(yáng)時(shí)，計(jì)算公式為：

h=hBJ+(γ-120)/15

(6)

式中，hBJ為北京時(shí)間；γ為當(dāng)?shù)亟?jīng)度。

3.2 系統(tǒng)搜尋策略

跟蹤系統(tǒng)啟動(dòng)后，由于移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，造成太陽(yáng)電池板朝向不定，需要進(jìn)行太陽(yáng)方位搜尋。方位跟蹤平臺(tái)順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)搜尋，并隨時(shí)檢測(cè)判斷太陽(yáng)矢量夾角是否在傳感器視野角之內(nèi)，如是則切換到跟蹤子程序，否則方位平臺(tái)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)搜尋；若方位平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周后仍未找到目標(biāo)，則俯仰平臺(tái)向上抬起一定角度后繼續(xù)搜尋。系統(tǒng)搜尋策略如圖6所示。

圖6 搜尋子程序流程圖Fig.6 Flow chart of search subroutine

3.3 選擇性位置式PID跟蹤控制策略

動(dòng)態(tài)跟蹤控制策略直接影響系統(tǒng)跟蹤精度、跟蹤穩(wěn)定性和響應(yīng)性能。施閣根據(jù)太陽(yáng)能光伏輸出特性，采用最小二分法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，提高了太陽(yáng)能電池輸出功率及太陽(yáng)能利用率[10]；徐從裕研究的車載太陽(yáng)跟蹤方法采取雙跟蹤PI控制算法，跟蹤精度達(dá)5°；M. M. Sabir使用群體智能算法對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)控制精度[11]；劉景艷針對(duì)常規(guī)的PID控制太陽(yáng)跟蹤精度低、超調(diào)大等特點(diǎn)，提出了雙模糊控制方案，提高了系統(tǒng)跟蹤精度[12]。

移動(dòng)平臺(tái)不間斷晃動(dòng)，會(huì)對(duì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)水平和俯仰方向的跟蹤造成干擾，極可能導(dǎo)致跟蹤不穩(wěn)；移動(dòng)平臺(tái)非直線行駛，會(huì)對(duì)系統(tǒng)跟蹤造成較大干擾，不做處理甚至?xí)?dǎo)致跟蹤精度嚴(yán)重降低；移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎，極可能導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)丟失；跟蹤控制策略設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這些情況進(jìn)行快速處理，提高系統(tǒng)的跟蹤精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)響應(yīng)性。此外，由于移動(dòng)式跟蹤環(huán)境的復(fù)雜性，難免會(huì)出現(xiàn)跟蹤目標(biāo)丟失的狀況，這時(shí)要求跟蹤系統(tǒng)具備快速自動(dòng)找回太陽(yáng)并繼續(xù)跟蹤的功能。

移動(dòng)平臺(tái)方位不定，系統(tǒng)跟蹤啟動(dòng)后，極可能的情況是太陽(yáng)能電池板定向?qū)θ掌詈艽螅瑐鹘y(tǒng)的PID會(huì)造成積分累積，引起系統(tǒng)超調(diào)，針對(duì)系統(tǒng)此特點(diǎn)，設(shè)定閾值，選擇性對(duì)積分累積；二維跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性以及機(jī)構(gòu)中存在的間隙，容易導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤過(guò)程中出現(xiàn)延時(shí)滯后，并且處理不當(dāng)容易造成系統(tǒng)在跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)附近出現(xiàn)高頻抖動(dòng)，需要設(shè)定穩(wěn)定精度范圍閾值，使系統(tǒng)對(duì)日定向偏差小于穩(wěn)定閾值。針對(duì)上述問(wèn)題，提出選擇性位置式PID跟蹤控制策略，其控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 太陽(yáng)跟蹤控制策略框圖Fig.7 Control strategy of sun tracking

由于通過(guò)太陽(yáng)敏感器獲取的是太陽(yáng)光線和太陽(yáng)電池板法線的夾角，故令r0=0(r0為太陽(yáng)電池板法線方向與太陽(yáng)光線角度偏差值)，即表示最終控制目標(biāo)是太陽(yáng)光線和太陽(yáng)電池板垂直。太陽(yáng)矢量夾角作為選擇性位置式PID輸入，控制跟蹤裝置動(dòng)態(tài)跟蹤太陽(yáng)，跟蹤框圖如圖8所示。

選擇性位置式PID跟蹤根據(jù)太陽(yáng)敏感器定向?qū)θ諍A角進(jìn)行控制。從圖8可以看出，當(dāng)太陽(yáng)位置在太陽(yáng)敏感器視野角以外時(shí)，即定向?qū)θ諍A角大于傳感器視野夾角(|e(k)|>ε1)，此時(shí)需要對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)搜尋，其中e(k)為k時(shí)刻跟蹤誤差，ε1為太陽(yáng)敏感器視野夾角閾值。

圖8 選擇性位置式PID跟蹤框圖Fig.8 Flow chart of selective position PID sun tracking

當(dāng)太陽(yáng)位置在太陽(yáng)敏感器視野夾角以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)采用選擇性位置式PID策略控制，其中當(dāng)定向?qū)θ諍A角很大時(shí)，傳統(tǒng)的PID會(huì)造成積分累積，引起系統(tǒng)超調(diào)，考慮當(dāng)對(duì)日偏差在設(shè)定積分閾值以外時(shí)，將積分分離出去，即在太陽(yáng)敏感器視野角內(nèi)、偏差值較大時(shí)(ε2<|e(k)|<ε1，其中ε2為積分閾值)，只采用PD調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)，同時(shí)能夠避免過(guò)大超調(diào)引起振蕩，系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)跟隨性能。

當(dāng)定向?qū)θ掌钚∮诜e分閾值，且偏差角度在穩(wěn)定區(qū)間外時(shí)(ε3≤|e(k)|≤ε2，其中ε3為穩(wěn)定區(qū)間閾值)，引入積分量，在系統(tǒng)有較快響應(yīng)的基礎(chǔ)上，避免了由于移動(dòng)平臺(tái)干擾造成的跟蹤不穩(wěn)、不準(zhǔn)，保證了系統(tǒng)的跟蹤精度。

當(dāng)|e(k)|<ε3時(shí)，即偏差值很小時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)完成了跟蹤，為了避免移動(dòng)平臺(tái)晃動(dòng)造成系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)，此時(shí)令u(k)=0(u(k)為k時(shí)刻控制值)，步進(jìn)電機(jī)靜止，這樣能有效避免振蕩造成的跟蹤不穩(wěn)。

選擇性位置式PID公式具體實(shí)現(xiàn)如式(7)所示：

(7)

偏差較大時(shí)采用PD調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)快速響應(yīng)的同時(shí)能避免過(guò)大超調(diào)引起振蕩；偏差較小時(shí)采用PID控制，避免移動(dòng)平臺(tái)干擾造成跟蹤不穩(wěn)，保證系統(tǒng)控制精度；偏差在穩(wěn)定精度內(nèi)，令控制量為0，避免系統(tǒng)在跟蹤穩(wěn)定點(diǎn)附近高頻振動(dòng)、耗能且跟蹤不穩(wěn)。針對(duì)PD和PID控制分別選取合適的參數(shù)，以便能達(dá)到最好的跟蹤效果。

為了更好地說(shuō)明改進(jìn)的選擇性位置式PID更適用于移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，分別對(duì)傳統(tǒng)PID和選擇性PID策略進(jìn)行了車載移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)，移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤曲線如圖9所示?？梢钥闯?，采用傳統(tǒng)PID策略跟蹤時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤對(duì)日偏差超出±1°，嚴(yán)重時(shí)甚至達(dá)到±2°，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤準(zhǔn)確性不好，穩(wěn)定性也不高；采用改進(jìn)的選擇性位置式PID控制策略跟蹤時(shí)，系統(tǒng)跟蹤曲線超調(diào)減小，動(dòng)態(tài)跟蹤對(duì)日偏差將能夠保持在±0.5°以內(nèi)，跟蹤精度高、穩(wěn)定性好，具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

圖9 移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)Fig.9 Moving solar tracking test

4 移動(dòng)式跟蹤試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)調(diào)試完成后，需要進(jìn)行車載試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于太陽(yáng)敏感器移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。本節(jié)首先對(duì)基于太陽(yáng)敏感器的跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行車載試驗(yàn)，通過(guò)跟蹤過(guò)程中太陽(yáng)矢量夾角分析系統(tǒng)的跟蹤狀態(tài)和性能；然后對(duì)應(yīng)用四象限傳感器的跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行車載試驗(yàn)，對(duì)比說(shuō)明新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比采用四象限的系統(tǒng)更具優(yōu)越性。

4.1 太陽(yáng)敏感器車載試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2015年12月18日11∶40～12∶40進(jìn)行了車載試驗(yàn)，平臺(tái)移動(dòng)速度為60～70km/h。系統(tǒng)將跟蹤試驗(yàn)的太陽(yáng)矢量角數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，圖10為太陽(yáng)敏感器跟蹤狀態(tài)曲線。

圖10 太陽(yáng)敏感器跟蹤曲線Fig.10 Tracking curve with sun sensors

從圖10(a)可以看出，t=0時(shí)刻系統(tǒng)啟動(dòng)跟蹤，大約25s后系統(tǒng)捕捉到目標(biāo)并進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤；大約260s時(shí)刻系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)丟失，并于15s內(nèi)重新找回，考慮是由于90°拐彎時(shí)導(dǎo)致跟蹤短暫丟失并快速找回；約545s時(shí)刻系統(tǒng)再次出現(xiàn)目標(biāo)丟失，并于30s內(nèi)重新找回，考慮是由于長(zhǎng)達(dá)15s的建筑物遮擋造成跟蹤丟失并重新搜尋找回。將圖10(a)中100～160s區(qū)間放大，得到圖10(b)?？梢钥闯?，系統(tǒng)對(duì)日定向偏差保持在±0.5°以內(nèi)，系統(tǒng)跟蹤精度滿足動(dòng)態(tài)跟蹤要求。

4.2 四象限傳感器車載試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2016年1月10日12∶00～13∶00對(duì)應(yīng)用四象限傳感器的跟蹤裝置進(jìn)行車載試驗(yàn)，平臺(tái)移動(dòng)速度為60～70km/h。

通過(guò)光電狀態(tài)檢測(cè)傳感器檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能。當(dāng)太陽(yáng)在跟蹤精度(≤2°)范圍時(shí)，光電狀態(tài)檢測(cè)傳感器將輸出0.4～0.6V電壓，否則其輸出電壓為≤0.37V。通過(guò)數(shù)據(jù)采集器CR1000每隔1s采集1次傳感器數(shù)據(jù)，圖11為四象限傳感器跟蹤狀態(tài)曲線。t=0時(shí)刻系統(tǒng)啟動(dòng)跟蹤，大約40s后系統(tǒng)捕捉到目標(biāo)并動(dòng)態(tài)跟蹤；約285s時(shí)刻系統(tǒng)出現(xiàn)目標(biāo)丟失，并于40s內(nèi)重新找回，考慮是由于90°拐彎或者建筑區(qū)遮擋時(shí)導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)丟失并搜尋找回；約560s時(shí)刻系統(tǒng)再次出現(xiàn)跟蹤丟失，并于40s內(nèi)重新找回，考慮是由于長(zhǎng)達(dá)15s的建筑物遮擋造成跟蹤丟失并重新搜尋找回。從圖11中只能斷定系統(tǒng)完成跟蹤時(shí)，對(duì)日定向偏差保持在小于2°范圍內(nèi)。

圖11 四象限傳感器跟蹤曲線Fig.11 Tracking curve with four-quadrant photodiode

對(duì)比太陽(yáng)敏感器跟蹤試驗(yàn)和四象限傳感器跟蹤試驗(yàn)可知，由于太陽(yáng)敏感器視野角大、檢測(cè)精度高，使用太陽(yáng)敏感器進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤具有動(dòng)態(tài)跟蹤快速性好、跟蹤精度高、跟蹤穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，并且當(dāng)系統(tǒng)在丟失目標(biāo)時(shí)能夠快速找回。

5 結(jié)論

(1) 為了最大限度地提升移動(dòng)平臺(tái)太陽(yáng)光伏電池的光量有效利用率，針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)環(huán)境復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了一款基于太陽(yáng)敏感器的移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)敏感器獲取太陽(yáng)矢量夾角，采用了選擇性位置式PID閉環(huán)控制策略，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制雙軸式裝置跟蹤太陽(yáng)。

(2) 對(duì)設(shè)計(jì)的移動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了車載測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，利用太陽(yáng)敏感器進(jìn)行跟蹤，搜尋視野達(dá)120°，精度達(dá)±0.5°。對(duì)比四象限傳感器車載跟蹤試驗(yàn)可知，使用太陽(yáng)敏感器進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤，具有響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性好、目標(biāo)丟失后找回快等優(yōu)點(diǎn)。為移動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)提供了一種新方案，該方案稍加改進(jìn)還可用于高空太陽(yáng)能電池標(biāo)定及飛機(jī)、漁船、游艇等移動(dòng)平臺(tái)的太陽(yáng)能供電裝置中，提升系統(tǒng)的太陽(yáng)能有效利用率。

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Control technology of portable solar tracking based on sun sensor

LIU Fu-cai1，SHI Shun-dong1，WANG Hao1，YANG Yi-qiang2，REN Li-na1

(1. Key Laboratory of Industrial Computer Control Engineering of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. Beijing Orient Institute for Measurement & Test, Beijing 100086, China)

Aiming at the solar power demand of mobile devices, a high precision portable solar tracking control system is studied. A new type of sun sensors with wide field and high accuracy is chosen, and a portable solar tracking device was developed based on two-axis tracking. In view of the difficulties in tracking practice of the mobile platform, such as continuous vibration, non-straight driving even turning direction, the problems of tracking target missing will arise. In the paper, the selective PID tracking control strategy combining with the test characteristics of the sun sensor is proposed. Vehicle tests of the tracking system have been carried out, and the results show that the tracking system based on sun sensors has a range search view up to 120°, and the precision of ±0.5°, and has the advantages of fast response speed, high tracking precision, good stability and fast recovery after a target is lost, as compared to the four quadrants sensor tracking system. This paper provides a reliable and feasible new scheme for portable solar tracking control system, and the scheme with a little improvement can also be used in the area of high-altitude solar cell calibration.

mobile platform; sun tracking; sun sensor; selective PID; dynamic tracking performance

2016-06-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA)、 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60134025)、 河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015203362)

劉福才(1966-)， 男， 黑龍江籍， 教授， 博士， 研究方向?yàn)樘?yáng)能系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制、模糊系統(tǒng)辨識(shí)與預(yù)測(cè)控制； 史順東(1989-)， 男， 河北籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)樘?yáng)能系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制。

TP273.5

A

1003-3076(2017)04-0076-07