一種智能可折疊太陽能光伏板系統(tǒng)

劉云龍　劉健　侯俊　陳英杰　孫凱　王圳

摘 要：本文介紹的是一能感知不利于發(fā)電或?qū)夥逵袚p害的天氣，并且實(shí)現(xiàn)太陽能光伏板在以上天氣情況下自動(dòng)收縮，在適合發(fā)電的天氣情況下伸出光伏板的裝置。在處理傳感器收集到的數(shù)據(jù)時(shí)，采集大量的數(shù)據(jù)，對(duì)平均后的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選取最優(yōu)的數(shù)據(jù)。采用PID算法進(jìn)行控制光伏板進(jìn)出收容箱，通過把連續(xù)的數(shù)學(xué)積分離散化，計(jì)算機(jī)和傳感器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：折疊；PID算法控制；防抖動(dòng)

本智能太陽能光伏板折疊系統(tǒng)不同于現(xiàn)存的太陽能發(fā)電裝置，該系統(tǒng)能抵抗外部不利自然條件，克服天氣、地形地貌的影響，減少管理人員配置，提高智能管理水平，主要分為兩大體系：太陽能光伏板折疊機(jī)械體系和太陽能光伏板折

1 雨的感知

加入雨傳感器的目的是讓光伏板在下雨的情況下收縮進(jìn)收容箱。本結(jié)構(gòu)采用一種可以反饋兩種信號(hào)的雨滴傳感器，它可以向單片機(jī)傳遞模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，該傳感器引出四路接口，分別是GND，VCC，DO，AO，其中GND直接接單片機(jī)負(fù)極，VCC接5V正極。模擬信號(hào)接口返回的數(shù)據(jù)范圍是0.1023，模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和詳細(xì)，因?yàn)樗臄?shù)據(jù)是連續(xù)性的，所以它能反映各種天氣，也方便數(shù)據(jù)的采集與處理，綜上所述，采用模擬信號(hào)接口。

關(guān)于雨傳感器的程序，本結(jié)構(gòu)采用防抖動(dòng)的設(shè)計(jì)，即先采集一次數(shù)據(jù)，算出一個(gè)數(shù)據(jù)量，然后隔一定時(shí)間再采集一次數(shù)據(jù)，算出另一個(gè)數(shù)據(jù)量，年后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，看二者的誤差是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)若滿足誤差則說明傳感器的信號(hào)是穩(wěn)定的，可以采用第一個(gè)數(shù)據(jù)量代表的天氣情況，否則棄置該數(shù)據(jù)再重復(fù)上述動(dòng)作。這樣是為了保證在采集這兩次數(shù)據(jù)的時(shí)間內(nèi)天氣情況穩(wěn)定的，能夠排除一些意外情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)驟變，這樣的處理方式能增強(qiáng)抗外界干擾能力。

2 雪的感知

加入雪傳感器的目的是讓光伏板在下雪的情況下收縮進(jìn)入收容箱。本結(jié)構(gòu)采用的雪量傳感器是雨量傳感器和發(fā)熱電阻絲共同組成的，雨量傳感器與前文的是相同的，在其的表面布設(shè)一層發(fā)熱電阻絲，在采集雪的數(shù)據(jù)的時(shí)候先讓發(fā)熱電阻絲工作一段時(shí)間，若其表面有雪，則在這一段時(shí)間內(nèi)，雪就會(huì)融化成水，雨滴傳感器就會(huì)感知水的存在，這樣就把感知雪的問題轉(zhuǎn)化成了上文感知雨的問題，這樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理的方式同上文雨滴傳感器。

3 光的感知

加入光強(qiáng)傳感器的目的是讓光伏板在晚上或光強(qiáng)度不適合發(fā)電的時(shí)候收縮光進(jìn)收容箱。本結(jié)構(gòu)采用的也是可以返回DO和AO信號(hào)的傳感器，同雨滴傳感器，為了能夠更準(zhǔn)確的反映光強(qiáng)數(shù)據(jù)，采用AO信號(hào)，為了排除有異物瞬間遮擋傳感器的可能，數(shù)據(jù)處理也采用防抖動(dòng)處理，第一組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)相隔一定時(shí)間，再比對(duì)這兩組數(shù)據(jù)的誤差是否在允許范圍內(nèi)。

4 電機(jī)結(jié)合超聲波測(cè)距用PID算法精確控制太陽能光伏板進(jìn)出收納箱

光伏板進(jìn)出收容箱需要精確控制，在伸展光伏板階段，如若有部分光伏板留在收容箱內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致整體光伏板無法完全展開，這就會(huì)使發(fā)電效率降低。在收縮光伏板階段，如若有部分光伏板遺留在收容箱外，則這部分光伏板就會(huì)在一次次收縮時(shí)都會(huì)遺留在外面，分光伏板就會(huì)有很大的損傷，因此，控制光伏板進(jìn)出收容箱的算法必須要非常精確，本結(jié)構(gòu)中我們采用位置式PID控制算法[1]控制。PID 控制器是一種將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

由于計(jì)算機(jī)是一種采樣控制，不能進(jìn)行連續(xù)控制，只能采用離散計(jì)算的方式來處理數(shù)據(jù)的，因此上述表達(dá)式的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能被計(jì)算機(jī)直接使用，必須對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，首先要確定傳感器的采樣周期T，采樣序號(hào)為K，則采樣時(shí)間KT對(duì)應(yīng)著上式的連續(xù)采樣時(shí)間t，用矩形數(shù)值法近似代替積分，用一階后向差代替微分，做近似變換后得下式，即離散表達(dá)式：

本結(jié)構(gòu)中，光伏板進(jìn)出收容箱是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電機(jī)的速度可以在初始運(yùn)行時(shí)求出，但是電機(jī)的的速度是會(huì)發(fā)生改變的，這是由于光伏板進(jìn)出收容箱時(shí)不同的時(shí)刻折疊狀態(tài)不同，光伏板與軌道之間的摩擦力也不同，故光伏板做變加速運(yùn)動(dòng)，由于速度的改變帶來的偏差可由上式離散化的微分來提前預(yù)測(cè)，然后矯正，這樣一來，我們就只需要確定電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，通過上式我們的出uk，它就是電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，通過一次次的判斷，一次次的計(jì)算，最終光伏板會(huì)準(zhǔn)確進(jìn)出收容箱。

5 結(jié)論

本文研究的系統(tǒng)能夠極大地保護(hù)太陽能板，延長(zhǎng)其使用壽命?；谡郫B并收容的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的適用性更廣，對(duì)運(yùn)行的地形環(huán)境要求不高，在有坡度的地形中也可以使用。另外，本系統(tǒng)使用的電源是外部電源，整個(gè)系統(tǒng)沒有接入太陽能發(fā)電板的電池，如果把本系統(tǒng)接入太陽能電池，通過程序?qū)﹄姵氐墓ぷ鳡顩r及電量進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，更加的人性化，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)更加協(xié)調(diào)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑旭紅.位置式PID控制算法在城軌ATO系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，14（03）：84.89.

[2]李梅，金力.《智能車PID算法的設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)綜述[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013，9（16）：3826.3829.