CN106647825B - 一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，包括：柔索支撑系统，采用六索并联机构实现跟日/聚光机构运动到目标位置和姿态，并做跟日运动；跟日/聚光机构，在柔索驱动下做跟日运动，用于收集太阳光；控制系统，用于实现跟日/聚光机构的精准定位，在非线性跟踪微分器的基础上采用了改进的插值模糊控制算法；测量系统，采用Leica测量仪和360度棱镜实现跟日/聚光机构的跟踪测量，并将实时测得的数据输出到专用运动控制卡。本发明的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统可靠性高、稳定性好、成本低、控制方式灵活、可扩展、具有较好的控制效果，可以模拟太空中真实系统的运作，以最大效率收集太阳光。

Description

一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统

技术领域

本发明属于机电光一体化设计技术领域，尤其涉及一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统。

背景技术

太空太阳能电站(SSPS)是基于太空太阳能发电技术发展起来的，最原始的雏形是1968年Peter Glaser博士论文中的太阳能发电卫星(SPS)概念，计划在距地面约3.6万公里的高空建造一个太空太阳能电站，利用卫星在太空中把太阳能聚集起来，然后把能量集中源源不断地输送到地面，再转变成电能供人类使用。太空中的阳光强度要比地面大5-10倍，太空太阳能发电技术可提供恒定的能量，这与地面上断断续续、受大气、天气、季节变化、地理位置影响较大的太阳能利用方式有很大区别，而且不会像现有矿石燃料那样产生污染物，该电站的发电量可以达到十亿瓦，这对解决人类终将面临的矿石燃料能源枯竭和温室效应问题，改变能源整体格局有重大意义。SSPS系统组成包括太阳能收集器、直流—微波转换器及发射天线、地面接收天线等；其中太阳能收集器一般是一个光伏太阳能电池板阵列，负责收集太阳光并将其转换成电能，然后通过发射天线将能量以微波束的形式发射到地面接收器，最终利用地面电网将这些电能传送到需要的地方。在其发展历程中涌现出的典型方案有1979SPS系统、集成对称聚光、“鸡尾酒杯”等，其中1979SPS系统由巨型桁架太阳能电池阵和大型发射天线组成，天线阵保持对太阳定向，该方案缺点是需要高功率旋转机构来维持太阳能电池阵指向太阳，不具备灵活性；集成对称聚光方案利用聚光薄膜汇聚太阳能，将太阳能微波发射机和发射天线集成为夹层结构，虽然消除了旋转结构，但构型和控制复杂，系统难扩展；“鸡尾酒杯”方案由NASA工程师曼金斯设计，由很多个薄而弯曲类似镜子的组件构成，可移动以使收集最大化，其缺点是规模过大、安装与维护困难；这些典型方案的共同点是平台重量大、成本高、控制不方便。上述方案最主要的一步就是最大限度地收集太阳光，即控制聚光机构做跟日运动。因为聚光机构在太空中操作不便，且将该机构送入太空耗费巨大，故先建立SSPS地面实验模型来验证其关键技术的可行性，SSPS地面实验模型中还包括柔索支撑系统、驱动模块和测控模块等，通过电机运转控制收索和放索就可以保证聚光机构以某一规划姿态处于某一位置，始终接收太阳光照射。

综上所述，现有的太空太阳能电站控制系统和控制方法存在控制精度低、灵活性差、可扩展度低的缺点，难以达到期望的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，旨在解决现有的太空太阳能电站控制系统和控制方法存在控制精度低、灵活性差、可扩展度低的问题。

本发明是这样实现的，一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统包括：

柔索支撑系统，采用六索并联机构实现跟日/聚光机构运动到目标位置和姿态，并做跟日运动；

跟日/聚光机构，在柔索驱动下做跟日运动，用于收集太阳光；

控制系统，用于实现跟日/聚光机构的精准定位，在非线性跟踪微分器的基础上采用了改进的插值模糊控制算法；

测量系统，采用Leica测量仪和360度棱镜，利用激光测量技术实现跟日/聚光机构的跟踪测量，并将实时测得的数据输出到专用运动控制卡。

本发明中柔索支撑系统、跟日/聚光机构、控制系统、测量系统及其相关硬件连接关系如下：

6根柔索用于悬吊跟日/聚光机构，并结合电机驱动模块使其做跟日运动；3个360度棱镜安装于跟日/聚光机构的3个特定位置，用于确定跟日/聚光机构的位姿；3台Leica测量仪分别发射激光到对应棱镜的中心，根据激光干涉原理得到棱镜位置数据，最终经过运算得出跟日/聚光机构的实际位姿，再将其与理论位姿比较后的数据送入专用运动控制卡，经过控制算法得到控制信号控制电机，实现收索和放索，达到调整跟日/聚光机构的位姿，使其始终以最大效率接收太阳光照射的能量。

进一步，所述控制系统采用基于FPGA片上可编程系统(SOPC)实现的专用运动控制卡来控制六台交流伺服电机协同工作。

进一步，所述在非线性跟踪微分器基础上采用的改进的插值模糊控制算法，包括两个二阶非线性跟踪微分器(TD)和一个引入了自适应滤波与三次样条插值算法的模糊控制器，其中一个非线性跟踪微分器处于反馈回路中；

二阶非线性跟踪微分器，能够避免原点附近的颤振，在外界噪声信号的干扰下提供参考输入信号及其微分信号，对其输入一个信号r(t)，将得到输出r₁(t)和r₂(t)，如式(1)所示：

其中r₁(t)跟踪输入信号r(t)，r₂(t)是r₁(t)的微分，β为决定过渡过程快慢的速度因子，sat为线性饱和函数，其关系式如式(2)所示：

自适应滤波算法与三次样条插值算法结合，能够利用前一时刻已获得的滤波参数结果，自动调节现时刻的滤波参数，滤除随机噪声成分，从而实现最优滤波，并对滤波后的数据进行插值细分，提高数据采样率，其中自适应滤波算法原理如式(3)所示：

三次样条插值算法即求解三次样条曲线，原理如式(4)所示：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³ (4)

式(4)中4个系数的计算公式如式(5)所示：

其中h_i＝x_i+1-x_i为步长，为三次样条曲线的二次微分值；

所述控制算法具体处理过程为：首先输入信号经过TD1会产生参考输入信号及其微分信号，随后与TD2反馈回来的输出信号及其微分信号做差运算，再将得到的信号输入含有自适应滤波和三次样条插值算法的模糊控制器，最后得到输出信号。

进一步，所述专用运动控制卡包括SOPC模块、脉冲发生器模块、中断控制模块；

所述SOPC模块、脉冲发生器模块、中断控制模块之间均逻辑连接；

SOPC模块，由模型所处地理位置的经纬度及黄赤交角信息计算出跟日/聚光机构的理论位姿，且与测量系统测得的实际位姿进行比较，并将比较后的数据送入含有控制算法的SOPC模块；

脉冲发生器模块，根据输入的数据产生对应的脉冲信号，并以差分方式输出；

中断控制模块，所产生的中断信号包括各路电机的异常、暂停信号，当有任意一路发出异常、暂停信号时，专用运动控制卡发出关伺服信号使所有电机停止工作。

进一步，所述脉冲发生器模块包括分频器模块、计数器模块、差分双脉冲模块；

所述分频器模块、计数器模块、差分双脉冲模块之间均逻辑连接；

分频器模块，用于对输入频率进行分频；

计数器模块，对脉冲计数，确保正确分频；

差分双脉冲模块，将所输入的脉冲以差分方式输出。

进一步，所述专用运动控制卡包括FPGA模块、晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路；

所述晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路均与FPGA模块电连接；

晶振电路，用于给CPU及其他电路正常工作提供稳定的基准时钟信号；

电平转换电路，用于完成人机交互HMI与专用运动控制卡建立通信链接时的电平转换；

LED指示灯，用于指示每一路电机的运行状态；

电源模块，用于为系统供电；

JTAG配置电路，用于仿真调试；

复位电路，用于确保专用运动控制卡电路安全可靠地工作。

本发明的另一目的在于提供一种所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统的太空太阳能电站跟日模型运动控制方法，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制方法包括：

将测量系统中3台Leica测量仪所测得的实际数据与理论数据比较后送入专用运动控制卡，经过卡内集成的改进的插值模糊控制算法得到控制信号，即电机对应的输入量，控制电机的方向和转速，进而实现收索和放索，最终控制跟日/聚光机构做跟日运动，使其始终接收太阳光照射；接收电机送来的异常信号，及时产生中断处理异常情况。

进一步，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制方法进一步包括：

首先，由模型所处地理位置的经纬度及黄赤交角信息计算出跟日/聚光机构的理论位姿，且与测量系统测得的实际位姿进行比较，并将比较后的数据送入含有控制算法的SOPC模块；然后，再将所得的实时调整量送入脉冲发生器模块；最后，产生差分输出信号。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统的反馈控制系统。

本发明采用FPGA片上可编程系统(SOPC)实现专用运动控制卡，增强了系统的灵活性和可靠性；同时在专用运动控制卡中集成了基于非线性跟踪微分器的改进的插值模糊控制算法，降低了噪声影响、提高了数据采样率、增强了跟踪能力，算法简单、易于实现；且采用Leica测量仪动态跟踪测量，保证了系统的实时性。

本发明提供的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，可靠性高、稳定性好、成本低、控制方式灵活、可扩展、具有较好的控制效果，可以模拟太空中真实系统的运作，以最大效率收集太阳光，解决人类可用矿石燃料能源枯竭和温室效应的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的专用运动控制卡总体设计示意图。

图3是本发明实施例提供的基于非线性跟踪微分器的改进的插值模糊控制算法结构图。

图4是本发明实施例提供的专用运动控制卡硬件功能构成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统包括：柔索支撑系统1、Leica测量仪2、跟日/聚光机构3、360度棱镜4、控制系统和测量系统；

柔索支撑系统1采用六索并联机构实现跟日/聚光机构运动到目标位置和姿态，并做跟日运动。

跟日/聚光机构3在柔索驱动下做跟日运动，负责收集太阳光。

控制系统为实现跟日/聚光机构的精准定位，在非线性跟踪微分器的基础上采用了改进的插值模糊控制算法。

测量系统采用Leica测量仪2和360度棱镜4，利用激光测量技术实现跟日/聚光机构的跟踪测量，并将实时测得的数据输出到专用运动控制卡。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统的运动控制系统由多个硬件和子系统构成，如图1所示，太空太阳能电站跟日模型运动控制系统包括柔索支撑系统1、跟日/聚光机构3、控制系统和测量系统。所述柔索支撑系统采用六索并联机构实现跟日/聚光机构做跟日运动，并克服地球自转和黄赤交角的影响，使其运动到目标位置和姿态；所述跟日/聚光机构在柔索驱动下做跟日运动，负责收集太阳光；所述控制系统为实现跟日/聚光机构的精准定位，在非线性跟踪微分器的基础上采用了改进的插值模糊控制算法；所述测量系统采用Leica测量仪2和360度棱镜4，利用激光测量技术实现跟日/聚光机构的跟踪测量，并将实时测得的数据输出到专用运动控制卡。

所述控制系统为实现跟日/聚光机构的精准定位，采用基于FPGA片上可编程系统(SOPC)实现的专用运动控制卡来控制六台电机协同工作，如图2所示，一方面，专用运动控制卡要接收测量系统中3台Leica测量仪所测得的位姿数据，根据卡内集成的改进的插值模糊控制算法得到控制信号，即电机对应的输入量，控制电机的方向和转速，进而实现收索和放索，最终控制跟日/聚光机构做跟日运动，使其始终接收太阳光照射；另一方面，专用运动控制卡也可以接收电机送来的异常信号，及时产生中断处理异常情况，以保证整个控制系统的正常运作。其中，人机交互HMI可采用触摸方式输入对专用运动控制卡的命令，同时也可用于关键信息的实时刷新及可视化显示。

所述专用运动控制卡采用了基于非线性跟踪微分器的改进的插值模糊控制算法，如图3所示，该控制算法单元包括两个二阶非线性跟踪微分器(TD)和一个引入了自适应滤波与三次样条插值算法的模糊控制器，其中一个非线性跟踪微分器处于反馈回路中；二阶非线性跟踪微分器，能够避免原点附近的颤振，在外界噪声信号的干扰下提供参考输入信号及其微分信号，如式(1)和(2)所示；自适应滤波算法与三次样条插值算法结合，能够利用前一时刻已获得的滤波参数结果，自动调节现时刻的滤波参数，滤除随机噪声成分，从而实现最优滤波，并对滤波后的数据进行插值细分，提高数据采样率，其中自适应滤波算法原理如式(3)所示，三次样条插值算法原理如式(4)和(5)所示；所述控制算法具体处理过程为：首先输入信号会经过TD1产生参考输入信号及其微分信号，随后与TD2反馈回来的输出信号及其微分信号做差运算，再将得到的信号输入含有自适应滤波和三次样条插值算法的模糊控制器，最后得到输出信号。

如图4所示，本发明所述专用运动控制卡的硬件设计包括FPGA模块、晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路；所述晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路均与FPGA模块电连接；晶振电路，用于给CPU及其他电路正常工作提供稳定的基准时钟信号；电平转换电路，用于完成人机交互HMI与专用运动控制卡建立通信链接时的电平转换；LED指示灯，用于指示每一路电机的运行状态；电源模块，用于为系统供电；JTAG配置电路，用于仿真调试；复位电路，用于确保专用运动控制卡电路安全可靠地工作。

本发明中柔索支撑系统、跟日/聚光机构、控制系统、测量系统及其相关硬件连接关系如下：

6根柔索用于悬吊跟日/聚光机构，并结合电机驱动模块使其做跟日运动；3个360度棱镜安装于跟日/聚光机构的3个特定位置，用于确定跟日/聚光机构的位姿；3台Leica测量仪分别发出激光照准对应棱镜的中心，根据激光干涉原理得到棱镜位置数据，最终经过运算得出跟日/聚光机构的实际位姿，再将其与理论位姿比较后的数据送入专用运动控制卡，经过控制算法得到控制信号控制电机，实现收索和放索，再调整跟日/聚光机构的位姿，使其始终接收太阳光照射。

进一步，所述控制系统采用基于FPGA片上可编程系统(SOPC)实现的专用运动控制卡来控制六台电机协同工作。

进一步，所述在非线性跟踪微分器基础上采用的改进的插值模糊控制算法，包括两个二阶非线性跟踪微分器(TD)和一个引入了自适应滤波与三次样条插值算法的模糊控制器，其中一个非线性跟踪微分器处于反馈回路中；

二阶非线性跟踪微分器，能够避免原点附近的颤振，在外界噪声信号的干扰下提供参考输入信号及其微分信号，对其输入一个信号r(t)，将得到输出r₁(t)和r₂(t)，如式(1)所示：

其中r₁(t)跟踪输入信号r(t)，r₂(t)是r₁(t)的微分，β为决定过渡过程快慢的速度因子，sat为线性饱和函数，其关系式如式(2)所示：

自适应滤波算法与三次样条插值算法结合，能够利用前一时刻已获得的滤波参数结果，自动调节现时刻的滤波参数，滤除随机噪声成分，从而实现最优滤波，并对滤波后的数据进行插值细分，提高数据采样率，其中自适应滤波算法原理如式(3)所示：

三次样条插值算法即求解三次样条曲线，原理如式(4)所示：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³ (4)

式(4)中4个系数的计算公式如式(5)所示：

其中h_i＝x_i+1-x_i为步长，为三次样条曲线的二次微分值；

所述控制算法具体处理过程为：首先输入信号经过TD1会产生参考输入信号及其微分信号，随后与TD2反馈回来的输出信号及其微分信号做差运算，再将得到的信号输入含有自适应滤波和三次样条插值算法的模糊控制器，最后得到输出信号。

本发明中FPGA模块采用4MHz有源晶振，相比无源晶振而言，通过有源晶振产生的基准时钟具有更稳定、更精准的频率基准。

本发明中所述的专用运动控制卡采用位置控制模式对驱动器进行控制，通过差分电路完成差分线驱动电路设计，并对输入开关信号和输出反馈信号进行了光电隔离电路设计。本发明的专用运动控制卡硬件平台，使用的Cyclone IIIFPGA控制芯片采用TSMC的65nm低功耗工艺技术生产，逻辑单元数(LEs)高达119088，存储器达到3.8Mbits，LVDS通信速度高达875Mbps(接受)和840Mbps(发送)，内嵌乘法器性能达到340MHz，密度非常高、性能强大、成本低、速度快。以上硬件条件有助于快速实现相关控制算法、提高系统的整体运行速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，其特征在于，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统包括：柔索支撑系统，用于悬吊跟日/聚光机构，且采用六索并联机构结合电机驱动模块使其运动到目标位置和姿态，并做跟日运动；

跟日/聚光机构，在柔索驱动下做跟日运动，用于收集太阳光；

控制系统，用于实现跟日/聚光机构的精准定位，在非线性跟踪微分器的基础上采用了改进的插值模糊控制算法；

测量系统，采用Leica测量仪和360度棱镜，利用激光测量技术实现跟日/聚光机构的跟踪测量，并将实时测得的数据输出到专用运动控制卡；3个360度棱镜安装于跟日/聚光机构的3个特定位置，用于确定跟日/聚光机构的位姿；Leica测量仪分别发射激光到对应棱镜的中心，根据激光干涉原理得到棱镜位置数据，最终经过运算得出跟日/聚光机构的实际位姿，再将其与理论位姿比较后的数据送入专用运动控制卡，经过控制算法得到控制信号控制交流伺服电机，实现收索和放索，达到调整跟日/聚光机构的位姿，使其始终以最大效率接收太阳光照射的能量；

所述专用运动控制卡采用基于非线性跟踪微分器的改进的的插值模糊控制算法，包括两个二阶非线性跟踪微分器TD和一个引入了自适应滤波与三次样条插值算法的模糊控制器，其中一个非线性跟踪微分器处于反馈回路中；

二阶非线性跟踪微分器，在外界噪声信号的干扰下提供参考输入信号及其微分信号，对其输入一个信号r(t)，将得到输出r₁(t)和r₂(t)，如式(1)所示：

其中r₁(t)跟踪输入信号r(t)，r₂(t)是r₁(t)的微分，β为决定过渡过程快慢的速度因子，sat为线性饱和函数，其关系式如式(2)所示：

自适应滤波算法，利用前一时刻已获得的滤波参数结果，自动调节现时刻的滤波参数，滤除随机噪声成分，从而实现最优滤波，其原理如式(3)所示：

三次样条插值算法，对滤波后的数据进行插值细分，其原理如式(4)所示：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³ (4)

式(4)中4个系数的计算公式如式(5)所示：

其中h_i＝x_i+1-x_i为步长，为三次样条曲线的二次微分值；

首先输入信号经过TD1会产生参考输入信号及其微分信号，随后与TD2反馈回来的输出信号及其微分信号做差运算，再将得到的信号输入含有自适应滤波和三次样条插值算法的模糊控制器，最后得到输出信号。

2.如权利要求1所述的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，其特征在于，所述控制系统采用基于FPGA片上可编程系统实现的专用运动控制卡来控制六台电机协同工作。

3.如权利要求1所述的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，其特征在于，所述专用运动控制卡包括SOPC模块、脉冲发生器模块、中断控制模块；

所述SOPC模块、脉冲发生器模块、中断控制模块之间均逻辑连接；

SOPC模块，由模型所处地理位置的经纬度及黄赤交角信息计算出跟日/聚光机构的理论位姿，且与测量系统测得的实际位姿进行比较，并将比较后的数据送入含有控制算法的SOPC模块；

脉冲发生器模块，根据输入的数据产生对应的脉冲信号，并以差分方式输出；

中断控制模块，所产生的中断信号包括各路电机的异常、暂停信号，当有任意一路发出异常、暂停信号时，专用运动控制卡发出关伺服信号使所有电机停止工作。

4.如权利要求3所述的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，其特征在于，所述脉冲发生器模块包括分频器模块、计数器模块、差分双脉冲模块；

所述分频器模块、计数器模块、差分双脉冲模块之间均逻辑连接；

分频器模块，用于对输入频率进行分频；

计数器模块，对脉冲计数，确保正确分频；

差分双脉冲模块，将所输入的脉冲以差分方式输出。

5.如权利要求1所述的太空太阳能电站跟日模型运动控制系统，其特征在于，所述专用运动控制卡包括FPGA模块、晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路；

所述晶振电路、复位电路、LED指示灯、JTAG配置电路、通信接口模块、电源模块、电平转换、光电隔离、差分电路均与FPGA模块电连接；

晶振电路，用于给CPU及其他电路正常工作提供稳定的基准时钟信号；

电平转换电路，用于完成人机交互HMI与专用运动控制卡建立通信链接时的电平转换；

LED指示灯，用于指示每一路电机的运行状态；

电源模块，用于为系统供电；

JTAG配置电路，用于仿真调试；

复位电路，用于确保专用运动控制卡电路安全可靠地工作。

6.一种如权利要求1所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统的太空太阳能电站跟日模型运动控制方法，其特征在于，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制方法包括：

将测量系统中3台Leica测量仪所测得的实际数据与理论数据比较后送入专用运动控制卡，经过卡内集成的改进插值模糊控制算法得到控制信号，即电机对应的输入量，控制电机的方向和转速，进而实现收索和放索，最终控制跟日/聚光机构做跟日运动，使其始终接收太阳光照射；接收电机送来的异常信号，及时产生中断处理异常情况。

7.如权利要求6所述的太空太阳能电站跟日模型运动控制方法，其特征在于，所述太空太阳能电站跟日模型运动控制方法进一步包括：

首先，由模型所处地理位置的经纬度及黄赤交角信息计算出跟日/聚光机构的理论位姿，且与测量系统测得的实际位姿进行比较，并将比较后的数据送入含有控制算法的SOPC模块；然后，再将所得的实时调整量送入脉冲发生器模块；最后，产生差分输出信号。

8.一种利用权利要求1～5任意一项所述太空太阳能电站跟日模型运动控制系统的反馈控制系统。