CN101266078B - 一种定日镜跟踪控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定日镜跟踪控制装置，包括主控制器和闭环跟踪传感器，主控制器包括DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、异步电机、一路串口通信接口与监控计算机通信、一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。本发明还公开了定日镜跟踪控制方法，该方法采用开、闭环结合控制，开环粗略计算调整定日镜的位置，闭环校正，消除累积误差，直到精准跟踪。本发明的优点：不会出现累积误差，也不会因阴雨多云天气导致跟踪系统的失效。系统在控制周期内采用组合式控制算法，达到了定日镜的精准跟踪。跟踪反应速度，功耗和成本低，形成模块化结构。

Description

一种定日镜跟踪控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于太阳能热利用中的高精度跟踪控制领域，具体涉及太阳能塔式热发电站中，众多定日镜实时跟踪控制装置和控制方法。

背景技术

定日镜是塔式太阳能热发电站的重要组成部分，用于跟踪并反射太阳光线进入位于接收塔顶部的集热器内，主要由镜面(反射镜)、镜架(支撑结构)、跟踪传动机构及其控制系统等组成。

目前定日镜跟踪传动机构大多采用谐波机构，而常见的跟踪控制系统，按照被控制量对控制量是否存在着反馈可分为开环、闭环和开闭环混合控制方式。开环控制是采用太阳运行规律、定日镜所在的位置(经纬度)、集热器的位置以及和定日镜的距离关系等，计算定日镜的控制方向，此类控制的缺点是由于机械加工精度和执行机构等原因会存在累积误差，误差较大，需要定期校正，优点是费用低、控制简单；闭环控制是采用光电跟踪传感器检测太阳光的位置，从而控制执行机构运动，达到准确聚集太阳能的效果，这种控制的优点是控制精度较高，致命的缺点是当多云或阴雨天时，感光元件在稍长时间段接受不到太阳光，导致跟踪系统的失效，甚至引起执行机构的误操作。

发明内容

发明目的：本发明提供一种定日镜跟踪控制装置用于精确跟踪太阳，实时准确的将太阳光反射到集热器。

本发明的另一目的就是提供一种定日镜跟踪控制方法。

技术方案：本发明所述的定日镜跟踪控制方法，包括采用开、闭环结合的控制方式，开环粗略计算调整定日镜的位置，闭环校正，消除累积误差，直到精准跟踪，实现一个控制周期。

鉴于定日镜所采用的谐波传动机构，其具有随速度波动和低阻尼的特点，并且传动机构在一定范围内运行时，运行速度和位置轨迹曲线具有明显的不规则形状，曲线精细结构为一维光滑流形。在控制周期区域内轨迹片断不重复，片断之间具有明显的“自相似性”。故系统在控制周期内采用了组合式的控制算法，在闭环粗调时采用增量式数字PID算法，闭环精调时利用分形修正的PID算法。

对于在实际获得应用的分形，一个很重要的性质是它的自相似性。对于分形曲线，该性质可以表示为：

D(rΔ)＝r^(2-FD)D(Δ)    (1)

其中D(rΔ)为分形曲线的长度，Δ为度量时使用的单位长度，r为尺度因子(0≤r≤1)，FD为曲线的分维数，式(1)的解为：

D(Δ)＝aΔ^(2-FD)    (2)

a为比例系数，其可表示为：

$a=\frac{D\left({\mathrm{\Δ}}_2\right)-D\left({\mathrm{\Δ}}_1\right)}{{{\mathrm{\Δ}}_2}^{(2-\mathrm{FD})}-{\mathrm{\Δ}}_1^{(2-\mathrm{FD})}}---\left(3\right)$

其中Δ₁，Δ₂表示不同大小测量尺度，D(Δ₁)，D(Δ₂)表示对应尺度下测量得到的曲线长度。由此可看出，比例系数a表示几何度量随度量尺度的变化率特征。对于一个给定的理想分形曲线，该系数为一常数，但如果在分形曲面中嵌入一个非分形的对象(例如：谐波减速器齿轮间引起的非线性波动)，则比例系数a将不再是常数，而是一个随非分形对象出现的变化量。它的变化反映了实际转速/转角与电机驱动力之间相背离的程度。式(3)中分形维数FD是未知参数，下面根据函数网格分形得到FD。信号短时分形分析常用于语音信号滤波处理的一种常用网格分形方法，这里将其应用于机电控制系统的设计中。取Δ₂＝2Δ₁＝2Δ。对于反馈信号的采样序列h_i，i＝0，1，…，N，令

$D\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|h_i-h_{i+1}|$

$D\left(2\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=0}{\overset{\frac{N-1}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\max \right\{h_{2i-1},h_{2i},h_{2i+1}\}-\min \{h_{2i-1},h_{2i},h_{2i+1}\left\}\right)---\left(5\right)$

$N\left(\mathrm{\Δ}\right)=\frac{D\left(\mathrm{\Δ}\right)}{\mathrm{\Δ}},$ $N\left(2\mathrm{\Δ}\right)=\frac{D\left(2\mathrm{\Δ}\right)}{2\mathrm{\Δ}}---\left(6\right)$

其中△表示采样间隔，N(△)及N(2△)分别表示用△和2△正方形网络覆盖采样信号所需要的格子数。由网格维数的定义，信号短时分形维数为：

$\mathrm{FD}=\frac{\mathrm{InN}\left(\mathrm{\Δ}\right)-\mathrm{InN}\left(2\mathrm{\Δ}\right)}{\mathrm{In}2}=1+{\log }_2\frac{D\left(\mathrm{\Δ}\right)}{D\left(2\mathrm{\Δ}\right)}---\left(7\right)$

短时分形维数动态地表达了信号在不同时段内的波动程度(即结构噪声水平)。在式(3)中，参数a根据式(7)确定的分维数、也就是根据输入信号中结构噪声大小动态地调整，即a应具有自适应能力。因此，采用信号的短时分形维数作为特征来控制a参数，并用a参数构造的修正函数f(a)校正PWM输出值，就能使基于PID算法的控制器具有一定的自适应能力，从而有效地克服结构噪声，提高控制装置控制精度。

本发明所述的定日镜跟踪控制装置，由主控制器和闭环跟踪传感器两部分组成。主控制器包括：DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、外部存储器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、异步电机、一路串口通信接口与监控计算机通信，一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。

所述的DSP控制电路分别与所述的数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、外部存储器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、RTC实时时钟以及两路串口通信接口相连接。

所述的监控计算机通过光电隔离RS485接口与DSP控制电路相连，完成各种控制命令的发送，包括定日镜返回原点命令、翻转命令、等待点跟踪命令、接受靶跟踪命令和实时状态查询命令等，并实现计算太阳光线高度角和方位角的功能。

所述的闭环跟踪传感器将入射的太阳光信号转换成电信号，通过信号放大电路放大电信号，经过模拟信号输入单元，由DSP控制电路采集。

所述的异步电机分为高度角和方位角电机，由DSP控制电路发送控制脉冲，驱动异步电机正转、反转、停机。

所述的串口通信接口为RS232、RS485、RS422或RS423。

所述的人机界面装置为键盘或触摸屏。

所述的显示装置为LCD或显示器，所述的外部存储器为Flash或SRAM。

所述的看门狗电路防止装置程序跑飞、死机。

本发明采用双轴跟踪控制，控制定日镜方位角和高度角方向的转动。由于太阳的相对运动，当太阳入射光产生偏离误差超过容许值时，监控计算机根据太阳运行规律和定日镜经纬度等计算入射太阳光方位角和高度角，并发送至DSP控制器，DSP控制器通过程序计算得到定日镜在方位角和高度角方向转动的角度，控制装置输出控制脉冲，驱动异步电机按设定的方向、位置转动，再通过编码器不断获取定日镜高度、方位角度值，达到预定位置，实现开环控制。闭环跟踪传感器在定日镜开环控制预定位置附近进行精确定位，实现闭环跟踪。当太阳入射光的偏离误差消除后，控制器控制异步电机停止转动，完成一个控制周期。当下一次太阳入射光偏离误差产生时，重复以上的控制过程。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：1、结合了开、闭环控制的优点，即不会出现累积误差，也不会因阴雨多云天气导致跟踪系统的失效。2、鉴于定日镜的谐波传动机构具有的特点，在控制周期内采用组合式控制算法，达到了定日镜的精确跟踪，跟踪精度小于3.5mrad，超调量小于3.5％。3、采用DSP作为处理器，由于其强大的数据运算能力和极高的运算速度，为组合式控制算法以及其它复杂算法提供了平台，提高了跟踪和反应速度。4、功耗和成本低，形成模块化结构，利于商业化。

附图说明

图1为本发明控制原理图。

图2为本发明方法跟踪理想曲线图。

图3为本发明实施例1的控制方法流程图。

图4为采用本发明实施例1的控制方法与常规数字PID控制算法的跟踪仿真效果比较图。

图5为本发明的实施例2的结构框图。

图6为本发明的实施例2的跟踪实施示意图。

图7为本发明的闭环跟踪传感器A-A截面结构示意图。

具体实施方式

实施例1：本发明提供了一种定日镜跟踪控制方法，其控制原理如图1，采用双轴结构，分别为立轴和横轴机构，控制定日镜方位角和高度角方向的转动。

鉴于定日镜谐波传动机构具有随速度波动和低阻尼的特点，并且定日镜控制过程在一定范围内具有自相似的特点，而分形模型对具有“自相似性”的复杂对象控制具有广泛适用性，其通过改变模型的特征参数来实现控制。故控制器采用组合式控制算法，其控制方法流程如图3。控制装置在预设时间启动后，接受从监控计算机传送的入射太阳光方位角和高度角，控制器经过定日镜角度计算模块，输出控制脉冲，驱动方位角、高度角电机按设定的方向、位置转动，再实时读取高度、方位角编码器角度值，达到预定位置，实现开环控制。闭环跟踪传感器在定日镜开环控制预定位置处进行精确定位，当误差介于18mrad和3.5mrad之间，采用增量式数字PID控制算法，当误差小于3.5mrad时，采用分形修正的PID控制算法，不断修正太阳入射光的偏离误差，当太阳入射光的偏离误差消除后，控制器控制异步电机停止转动，完成一个控制周期。当下一次太阳入射光偏离误差产生时，重复以上的控制过程。

该组合式控制算法依据反馈值与目标值偏差的绝对值大小分为三段进行：

$U=\left\{\begin{array}{c}V,\left|E\right|>E_{\max }\\ f\left(\mathrm{PID}\right),E_{\min }<\left|E\right|<E_{\max }\\ f\left(a\right)\&CenterDot;f\left(\mathrm{PID}\right),\left|E\right|<E_{\min }\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中V为脉冲宽度调制(PWM)信号的最大输出常量，f(PID)为增量式数字PID算法，f(a)为分形修正函数，E_max和E_min为偏差绝对值的两个设定阈值，设E_max和E_min值为18mrad和3.5mrad，U为算法输出值。当偏差E大于18mrad时，系统开环运行V，以最快的速度进行跟踪；当偏差E介于3.5mrad和18mrad之间，采用增量式数字PID算法进行闭环粗调，此时传动系统的非线性因素不足以影响到系统精度；当E小于3.5mrad，采用带分形修正函数的增量式数字PID算法，此时精度成为关键指标，以f(a)修正PID算法结果。

ΔP_k＝K_P[E_k-E_k-1]+K_IE_k+K_D[E_k-2E_k-1+E_k-2]    (9)

(9)式为增量式数字PID算法，其中K_P表示比例增益，K_I表示积分增益，K_D表示微分增益。分形修正的PID控制算法如下式：

P_k＝P_k-1+f(a)·ΔP_k    (10)

$P_{k-1}=K_P{E}_{k-1}+k_I\underset{j=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_j+K_D[E_{k-1}-E_{k-2}]---\left(11\right)$

其中P_k为DSP输出的脉宽调制PWM信号占空比数值， $f\left(a\right)=\mathrm{\&beta;}{\left(\frac{E_k}{M}\right)}^a$ 为修正函数，M为监控计算机发送的设定目标值，a为比例系数，E_k为第K帧采样时的偏差，k表示采样序号，P_k-1表示第k-1次采样时调节器的输出。考虑控制器运算速度和算法的计算量，一个控制周期内采样1000次，反馈数字量中每100个采样点作为一帧，将帧间采样点做去极大、极小值的算术平均滤波，每10个处理后的反馈数据为一场，由(7)式进行短时网格分形维数FD计算，再由(3)式得到a值。

为实现装置控制规则的自调整和自完善，提高控制品质，设计了一种修正项系数β的整定方法，如(12)式：

$H=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}^{\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}}\left|E_k\right|$

H为判定函数，取η为2。由函数(12)式可以看出，在求和的过程中，越靠后的偏差值被赋予了越高的权重，这也反映了该判决函数对实时性更高的数据更加重视。整定过程是针对被控过程的运行状态，根据判决函数值的大小不断对因子β进行修正，使判决函数取值逐步减小，直到装置的控制性能符合指标要求，然后将β值代入f(a)，作为固定值。

图2为跟踪控制理想曲线图，R表示电机转动，T是一个控制周期，Δλ为光线偏离误差，t1时段电机转动减小累积误差，t2时段累积误差增大。

图4为采用组合式控制算法与常规数字PID算法的仿真比较图。监控计算机发送0-25度阶跃响应测试信号，得到的参数整定较好的常规数字PID阶跃响应测试曲线如左图，在采用组合式控制算法后，得到的阶跃响应曲线如右图。图中纵坐标为定日镜角度偏移值，横坐标为时间值。由图4的左图和右图比较可以看出，采用组合式控制算法的系统0-25度阶跃响应上升时间为103ms，调节时间较常规数字PID算法有所减短；超调量不到3.5％，明显小于常规PID控制算法4％的超调量；半震荡次数收敛情况改善明显，而且稳态微震现象也有一定程度的改善。

实施例2：本发明提供了一种定日镜跟踪控制装置，其结构框图如图5，由主控制器和闭环跟踪传感器组成。主控制器包括：DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、外部存储器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、异步电机、一路串口通信接口与监控计算机通信，一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信。采用RS485接口为串口通信接口，键盘为人机界面装置，液晶(LCD)为显示装置。闭环跟踪传感器采集太阳光照强度和东西南北四个方向的电信号，其电路连接方式为：连接信号放大电路将电信号放大，DSP控制电路检测模拟信号输入单元的四个方向电信号，通过比较和组合式控制算法，驱动相应方向电机转动。监控计算机和方位角、高度角编码器通过两路光电隔离RS485接口与控制器通信。外部存储器通过DSP总线与DSP控制电路相连。键盘包括数字输入、小数点输入、上下翻页、确认、取消等功能。LCD显示液晶菜单，连接DSP控制电路的输出引脚。

其中可变方案还包括：串口通信接口为RS232、RS485、RS422或RS423，人机界面为键盘或触摸屏，显示装置为LCD或显示器。

图6为跟踪控制装置跟踪实施示意图。其中1：定日镜；2：定日镜镜面中心点；3：太阳入射光线；4：太阳反射光线；5：定日镜面中心点法线；6：闭环跟踪传感器；7：集热器。如图6所示，当太阳相对运动时，通过调整定日镜面角度，使定日镜面中心点、闭环跟踪传感器与集热器中心点始终三点一线。

图7为闭环跟踪传感器A-A截面图。其中8：跟踪传感器金属外壳；9：跟踪传感器隔板；10：光电池I；11：光电池II；12：光电池III；13：光电池Ⅳ。闭环跟踪传感器放置在定日镜面中心点正前方，与集热器中心、镜面中心三点一线。它采用四块光电池，安装在一个圆柱形的传感器壳内，每对光电池被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧，分别代表东、西、南、北四个方向。当镜面对准太阳时，太阳反射光线平行于隔板，四块光电池感光量相等，输出电信号相同。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在光电池上，使其中某个方向的光电池感光量不等，输出电信号也随之变换。控制器采集到某个方向的电信号变化，通过控制算法，控制异步电机运动，直到四块光电池输出电信号再次相同，停止电机运动。

Claims (7)

1.一种定日镜跟踪控制装置，其特征是它包括主控制器和闭环跟踪传感器，主控制器包括DSP控制电路、RTC实时时钟、数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、信号放大电路、外部储存器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、异步电机、一路串口通信接口与监控计算机通信、另一路串口通信接口与方位角和高度角编码器通信；所述的DSP控制电路分别与所述的数字信号输入输出单元、模拟信号输入单元、外部储存器、人机界面装置和显示装置、看门狗电路、RTC实时时钟以及两路串口通信接口相连接。

2.根据权利要求1所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是闭环跟踪传感器将入射的太阳光信号转换成电信号，通过信号放大电路放大电信号，经过模拟信号输入单元，由DSP控制电路采集。

3.根据权利要求1所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的异步电机分为高度角和方位角电机，由DSP控制电路发送控制脉冲，驱动异步电机正转、反转、停机。

4.根据权利要求1所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是跟踪控制装置还包括外部存储器，所述的外部存储器通过DSP总线与DSP控制电路连接，用于控制器程序与数据的存放。

5.根据权利要求1或2所述的定日镜跟踪控制装置，其特征是所述的闭环跟踪传感器采用四块光电池，不相邻的光电池组成一对，分成两对，每对光电池被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧，当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在光电池上，使其中某个方向的光电池感光量不等，输出电信号也随之变化。

6.一种定日镜跟踪控制方法，其特征是该方法采用开、闭环结合控制，开环粗略计算调整定日镜的位置，闭环校正，消除累积误差，直到精准跟踪，实现一个控制周期；在闭环粗调时采用增量式数字PID算法，闭环精调时利用分形修正的PID算法；该组合式控制算法依据反馈值与目标值偏差的绝对值大小分为三段进行：

$U=\left\{\begin{array}{c}V,\left|E\right|>E_{\max }\\ f\left(\mathrm{PID}\right),E_{\min }<\left|E\right|\\ f\left(a\right)\&CenterDot;f\left(\mathrm{PID}\right),\left|E\right|<E_{\min }\end{array},<E_{\max }\right.$

式中V为脉冲宽度调制PWM信号的最大输出常量，f(PID)为增量式数字PID算法，f(a)为分形修正函数，E_max和E_min为偏差绝对值的两个设定阈值，U为算法输出值。

7.根据权利要求6所述的定日镜跟踪控制方法，其特征是：

为修正函数，M为监控计算机发送的设定目标值，a为比例系数，表示几何度量随度量尺度的变化率特征，E_k为第K帧采样时的偏差，k表示采样序号；β为修正项系数，其整定方法，如下式：

$H=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}^{\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}}\left|E_k\right|$

式中H为判定函数，η为2，整定过程是针对被控过程的运行状态，根据判决函数值的大小不断对因子β进行修正，使判决函数取值逐步减小，直到装置的控制性能符合指标要求，然后将β值代入f(a)，作为固定值。

Images