KR20050020318A - An intelligent sensor module and controller for precision sun tracking with reconstruction machanisim of faulty signals - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 추적 장치에 관한 것으로써, 보다 정확하게 태양으로 부터 직접 입사되는 빛을 효율적으로 집속 하기 위해서 태양의 이동을 자동적으로 추적하여 센서의 오류신호를 지능적으로 보정해주는 태양광 추적 장치에 관한 내용으로, 여러개의 센서를 이용하여 센서로 부터 얻어진 태양광의 최대 효율을 찾기 위해 퍼지 이론을 적용하여 정밀 추적하는 지능형 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a solar tracking device, and more specifically, to a solar tracking device that intelligently corrects an error signal of a sensor by automatically tracking the movement of the sun in order to efficiently focus light directly incident from the sun. The present invention relates to an intelligent device that precisely tracks by applying fuzzy theory to find the maximum efficiency of sunlight obtained from a sensor using multiple sensors.
태양 추적장치는 중고온 태양열 활용 시스템과 실내 채광장치 등의 태양광 집적장치에 사용되고 있고, 태양 추적 방법은 태양의 궤도를 예측한 방법과 태양광 센서를 이용한 방법이 있고, 태양광 센서를 사용한 방식은 정밀한 시스템 구성을 통해서 정밀한 시스템 구성을 통해서 추적오차를 할 수 있으나 센서값이 구름이나 바람, 먼지나, 비, 눈 등 기상요소에 민감할 뿐 아니라 외부 자연환경에 노출되어 센서의 리드선이 파괴 및 신호의 불량으로 인한 오류신호가 방생하게 되고 이러한 방식의 경우 태양센서의 오류 감지및 오류 신호 복원의 어려운 문제점을 가지고 있다. The solar tracking device is used in solar integrated devices such as the high temperature solar heat utilization system and the indoor mining device, and the solar tracking method has a method of predicting the orbit of the sun and a method using a solar sensor, and a method using a solar sensor. Can make tracking error through precise system configuration, but sensor value is not only sensitive to weather factors such as cloud, wind, dust, rain, snow, etc. An error signal is generated due to a bad signal, and in this case, there is a difficult problem of error detection and recovery of an error signal of a solar sensor.
태양 센서오류에 보정 할수 있는 지능형 기법으로 폴리노미얼 리그레션(Polynomial Regression)과 프린시펄 컴포넌트 에널리시스(Principal component analysis)를 이용한 모델링을 이용하여 센서자체 진단 및 예측 기법을 사용하여 퍼지 제어기를 적용하여 태양 정밀 추적 장치가 요구된다. An intelligent technique that can compensate for solar sensor errors is based on the modeling using polylynomial regression and principal component analysis. Application of solar precision tracking device is required.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 오류 없이 정상적으로 동작하는 센서 값들을 샘플링하여 센서간의 관계를 모델링 하고, 오차 감지 및 복원 프로세서는 모델링 프로세서에서 구한 센서 모델을 이용하여 실제 입력 센서 신호들의 오류 여부를 진단하고, 퍼지 제어기에서는 퍼지 룰 베이스 (rule base)엔진을 이용하여 시스템 모터를 구동 하여 태양 센서의 오류를 대처할 수 있는 지능형 시스템을 이루고자 하는데 그 목적이 있는 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, and modeling the relationship between the sensors by sampling the sensor values that operate normally without error, the error detection and restoration processor is the actual input sensor signal using the sensor model obtained from the modeling processor The purpose of this study is to establish an intelligent system that can cope with the error of solar sensor by diagnosing the error of these sensors and driving the system motor by using fuzzy rule base engine.
상기의 목적을 달성하기 위해 제안된 모듈의 설계 개념은 태양 위치 추적에 있어서 허용 오차 범위를 ±10°범위내 추적과 ±1.5°범위내 추적으로 나누어 이분화 시켜 추적하고, 이를 위하여 대범위 센서(LRS: Large Range Sensors, ±90°에서 ±10°범위내 추적용) 와 소범위 센서(SRS: Small Range Sensors,±10°에서 ±1.5°범위내 추적용) 으로 모듈을 구분하여 ±90°에서 ±10° 까지는 대범위 센서(LRS)로 추적을 하며 ±10°에서 ±1.5°까지는 소범위 센서(SRS)로 추적하는 하도록 구성되어진 시스템을 제공하는데 있다. In order to achieve the above object, the design concept of the proposed module divides the tolerance range into ± 10 ° tracking and ± 1.5 ° tracking by dividing the tolerance range and tracks the large range sensor ( LRS: Large Range Sensors, for tracking within ± 10 ° to ± 10 °) and Small Range Sensors (SRS: Small Range Sensors for tracking within ± 10 ° to ± 1.5 °) for the module at ± 90 ° To provide a system configured to track up to ± 10 ° with a large range sensor (LRS) and to track from ± 10 ° to ± 1.5 ° with a small range sensor (SRS).
이하 본 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the detailed description of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 오류신호 보정기능을 가진 지능형 태양추적 센서 모듈 및 제어기의 전체구성도1 is an overall configuration diagram of an intelligent solar tracking sensor module and a controller having an error signal correction function
도2는 태양 센서부를 위에서 바라본 구조도2 is a structural view of the solar sensor unit viewed from above
도3은 태양추적 장치에서 태양광 감지 센서를 통해 입력되는 데이터를 모델링된 값과 비교하여 오차를 감지하여 보정해주는 구성도이며FIG. 3 is a block diagram of detecting and correcting an error by comparing data input through a solar sensor in a solar tracking device with a modeled value. FIG.
도4는 센서부가 태양과 이루는 각도, 날씨, 계절에 따라 생기는 비선형적인 응답 특성을 빠르고 정확하게 제어하기 위한 퍼지 제어기 구조도이며4 is a structure diagram of a fuzzy controller for quickly and accurately controlling nonlinear response characteristics caused by angles, weather, and seasons formed by the sensor unit.
도5는 태양광 추적 허용오차 범위를 결정하기 위한 센서부 구조도5 is a structural diagram of a sensor unit for determining a solar tracking tolerance range
상기 도면 1에서 도시된 바와같이, 소범위 센서 추적을 위한 태양광이 유입되는 유입관(5)과 내부에 소범위 센서(2)로 구성 되어있고, 대범위 센서 추적을 위한 차단막(3)으로 구성 되어있어 태양광이 입사되면 소범위 센서(2)는 태양광을 ±10°에서 ±1.5°까지 추적을 하게 되고 대범위 센서 추적을 위한 차단막(3)의 범위, 즉 ±10°를 벗어나게 되면 대범위 센서(1)로 태양광을 추적하게 도록 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the inlet pipe 5 through which solar light is input for the small range sensor tracking and the small range sensor 2 are configured inside the shielding membrane 3 for the large range sensor tracking. When the sunlight is incident, the small range sensor 2 tracks the sunlight from ± 10 ° to ± 1.5 °, and when it is out of the range of the barrier 3 for tracking the large range sensor, that is, ± 10 °. The large range sensor 1 is configured to track sunlight.
또한, 시스템은 A/D 변환을 통해 대범위 센서(1) 4개 와 소범위 센서(2) 4개, 총 8개의 센서에서 얻어진 신호를 처리 하는 제어부(6)로 구분되어지고, 제어부에서 처리된 신호에 따라 회전하는 모터 구동부(4)로 구성되어 있다. In addition, the system is divided into a control unit 6 which processes signals obtained from four large range sensors (1), four small range sensors (2), and a total of eight sensors through A / D conversion. It consists of the motor drive part 4 which rotates according to the received signal.
상기와 같이 구성된 발명의 동작 설명은 다음과 같다. The operation description of the invention configured as described above is as follows.
먼저, 본 발명에서는 태양광을 추적하기 위한 개념은 태양위치 추적에 있어 허용오차 범위를 ±10°범위내 추적과 ±1.5°범위내 추적으로 나누어 이분화 시켜 추적하도록 대범위 센서(1)와 소범위 센서(2)로 구분하였고, ±90°에서 ±10°까지는 대범위 센서(1)로 추적을 하며 ±10°에서 ±1.5°까지는 소범위 센서로 추적하도록 구성 하였다. First, in the present invention, the concept for tracking sunlight is divided into a large range sensor (1) and a small range so as to divide and track the tolerance range into a ± 10 ° range tracking and a ± 1.5 ° range tracking in the solar position tracking. It was divided into range sensor (2), and it was configured to track with large range sensor (1) from ± 90 ° to ± 10 ° and to track with small range sensor from ± 10 ° to ± 1.5 °.
센서 모델링 프로세서(8)는 태양광 감지센서(7)에서 정상적으로 동작하는 센서 값들을 샘플링 하여 센서간의 관계를 모델링 하고, 오차감지 및 복원 프로세서(9)에서 얻어진 센서 모델을 실제 입력 센서 신호들 간의 비교를 통해서 오류를 진단 수정하고, 퍼지 제어기는(Fuzzy controller : 10) 퍼지 룰 베이스를 이용하여 모터 구동부(4)를 구동 시킨다. The sensor modeling processor 8 models the sensor-to-sensor relationship by sampling the sensor values normally operating in the solar sensor 7, and compares the sensor model obtained by the error detection and restoration processor 9 between the actual input sensor signals. Diagnose and correct the error through the fuzzy controller (Fuzzy controller: 10) to drive the motor drive unit 4 using the fuzzy rule base.
본 발명에서의 센서들의 추적각의 계산식은 다음과 같다. The calculation formula of the tracking angle of the sensors in the present invention is as follows.
도면 5에서 도시된 각각의 파라메타를 적절히 조합한 소범위 센서의 추적각을 위한 수식은 Equation for the tracking angle of the small range sensor by properly combining each parameter shown in FIG.
a : b : c = 1: 5.67: 0.0742 로 할 경우 대범위 : ±10°, 소범위: ±1.5°의 추적각도를 갖는다.a: b: c = 1: 5.67: 0.0742 has a tracking angle of large range: ± 10 ° and small range: ± 1.5 °.
태양 추적 장치는 태양을 5분 단위로 추적해 나갈 경The sun tracker tracks the sun every 5 minutes.
우 정상적인 센서들은 추적범위 안에서와 큰 범위 안Normal sensors are within the tracking range and within a large range.
에서 볼 때 선형적인 관계를 가지게 되며, 프린서펄 Will have a linear relationship
컴퍼넌트 아날리시스(PCA:Principal Component Component Analysis (PCA: Principal Component
Analysis)는 통계학적으로 n개의 변수를 갖는 샘플들Analysis) is a sample with statistically n variables
이 존재하는 n개 이하의 새로운 공간으로 바꾸어 해Replace with less than n new spaces
석하게 된다. 이때 정상적인 샘플 데이터들은 변화된 You will be seated. The normal sample data
공간에 존재하지만 비정상적인 오류 샘플 데이터들은 Data that is present in the space but is abnormal
변환된 공간위에 존재하지 못하게 된다. 이런 비정상It does not exist on the transformed space. This anomaly
적인 오류 샘플 데이터을 찾기 위해서 스궤어드 프리Free to find faulty sample data
딕션 에러(SPE:Spuared Prediction Error)를 정의하Define a Spuared Prediction Error (SPE)
게 된다.It becomes.
SPE의 정의는 식1과 같다.The definition of SPE is shown in Equation 1.
만약, SPE ≤일 때( 여기서 는 신뢰한계) 센서If SPE ≤ When (where Limit sensor)
신호는 정상으로 간주할 수 있다. The signal can be considered normal.
신뢰한계를 벗어난 비정상적인 센서신호의 복원 알고Knowing the restoration of abnormal sensor signals outside of confidence limits
리즘은 다음과 같다.The rhythm is as follows.
정상 조건의 샘플벡터 또는 예측 값으로 볼 수 있는 Can be viewed as a sample vector or a predictive value
벡터를 이라 하고, 실제 오류로 측정된 샘플Vector A sample measured in error
벡터를 x, f는 fault의 크기 그리고 d는 오류신호의 Where x is the magnitude of the fault and d is the error
방향벡터라고 가정한다면, 식2와 같이 오류신호는 If we assume a direction vector, the error signal is
보정된다. Calibrated.
여기서, d는 예를 들어 4개의 센서 중 네 번째 센서 Where d is for example the fourth of four sensors
가 오류가 날 때, 로써 오류가 있는 센서When I get an error, Faulty sensor
번호의 정보를 가지고 있으며 d의 방향으로 Has information of number and in the direction of d
의 주 데이터 분포방향의 수직성분인 을 최소Is the vertical component of the main data distribution direction Min
화하면 되므로 이는 을 최소화 하는것과So that you can To minimize
같고, f를 변화하여 SPE를 최소화 하려면Equal to and varying f to minimize SPE
식3을 만족해야 하므로 식4가 된다. 여기서은Since Equation 3 must be satisfied, Equation 4 is obtained. here silver
식5이다. Equation 5.
따라서 오류신호 복원값은 식6이다.Therefore, the error signal recovery value is expressed by Equation 6.
본 발명의 태양 추적 장치에서의 퍼지 제어기 구현목Implementation of Fuzzy Controller in Solar Tracking Apparatus of the Present Invention
적은, 강풍등으로 인한 외부 로드가 있는 환경하에서In an environment with external loads caused by strong winds
태양전지판등을 빠르고 정밀하게 제어하기 위해서 이For fast and precise control of solar panels,
다. 도 4 퍼지 제어기의 구조에서 먼저 태양추적장All. Figure 4 First solar tracking field in the structure of the fuzzy controller
치가 태양을 정 중앙으로 바라보기 위한 기준값을 잡Chi sets a baseline for looking at the sun
고 태양추적장치의 센서값들과 비교한다. 기준값에Compare the sensor values of the high solar tracker. To the reference value
서 센서값을 뺀 값이 퍼지제어기의 입력으로 들어가Subtract the sensor value into the input of the fuzzy controller.
며 퍼지룰에 의해서 모터를 구동하기 위한 출력값 uAnd output value u for driving motor by fuzzy rule
를 추론해낸다. Infer.
도 4는 퍼지제어기의 구조도로써 우선 시스템의 입력4 is a structural diagram of a fuzzy controller, which first inputs a system.
으로, A/D 변환을 통해 대범위 센서 4개와 소범위 센A / D conversion enables four large range sensors and a small range sensor
서 4개, 총 8개의 데이터를 동시에 얻는다. 대범위 4 data sets, 8 data sets in total. Large scope
센서 추적한계각도 안에서 대범위 s5-s7, s6-s8이 퍼Large range s5-s7, s6-s8 wiper within sensor tracking angle
지입력 파라미터로 사용되며, 소범위 센서 추적 한계Small range sensor tracking limit, used as input parameters
각도 안에서 소범위 센서 4개의 데이터의 합 y=s1 + Sum of data from four small range sensors in angle y = s1 +
s2 +s3 + s4가 퍼지입력 파라미터로 입력되어진다. s2 + s3 + s4 are input as fuzzy input parameters.
퍼지제어 규칙으로는 대범위와 소범위에 의한 태양추As fuzzy control rule, solar weight by large range and small range
적 규칙 2개가 각각 설계되어 있다. 퍼지 제어기의 Two enemy rules are designed. Fuzzy controller
출력으로는 태양의 경도모터와 위도 모터를 구동하기 Output power to drive solar longitude motors and latitude motors
위해 2개가 출력된다. 2 outputs.
소범위 센서 추적 한계 각도 안에서의 정밀한 추적을 Small Range Sensor Tracking Precise tracking within the limit angle
위해 정밀 퍼지제어 규칙을 얻는데 다음과 같은 조건To obtain precise fuzzy control rules for
이 만족되어야 한다.This must be satisfied.
1) 정밀제어구간안에서 △y값이 0에 가까우면 모터에 1) If △ y value is close to 0 in the precision control section,
대한 제어량은 0에 가까워야 한다. The control amount must be close to zero.
2) 정밀제어구간에서는 △y값의 기울기 값이 클 수록 2) In the precision control section, the larger the slope value of △ y is,
제어값은 작아져야 한다. The control value should be small.
3) 정밀제어 구간 안에서 △y가 클수록 제어값은 커3) The larger the value of △ y in the precision control section, the larger the control value.
야 한다. Should.
4)정밀제어 구간 밖에서는 △y값이 작을 수록 제어값4) Outside the precision control section, the smaller △ y value is, the more control value
이 커야 한다. This should be big.
이와같이 시스템 제어부(6)에 저장된 퍼지룰에 의해In this way, by the fuzzy rule stored in the system control section 6
서 최적의 값을 찾도록 모터 구동부(4)를 움직여 태Move the motor drive (4) to find the optimum value.
양광을 찾는다. Find the daylight.
본 발명은 상기한 바와 같은 구성에 따라 태양센서를 이용한 태양 추적 장치의 태양센서 모델링이 가능해지며 퍼지 룰 베이스를 이용하여 자체 진단과 복구가 가능하며, 따라서 태양열 발전시스템과 같은 중고온 태양열 활용시스템의 구성 혹은 태양추적을 수행할때, 정상 상태의 모델을 기준으로 하여 오류신호를 찾아 복구하는 구조를 이용하여 좀더 정확한 태양광의 추적이 가능해 질것이다. The present invention enables the solar sensor modeling of the solar tracking device using the solar sensor according to the configuration as described above, and the self-diagnosis and recovery using the fuzzy rule base, and thus, the use of the high-temperature solar thermal utilization system such as When performing configuration or solar tracking, more accurate tracking of sunlight can be achieved by using a structure that finds and recovers error signals based on a steady state model.
도1은 본 발명의 전체 구성도 1 is an overall configuration diagram of the present invention
도2는 태양 센서부의 윗에서 바라본 구조도 2 is a structural view as seen from the top of the solar sensor unit
도3은 태양 추적 장치의 구성도 3 is a block diagram of a sun tracking device
도4는 퍼지 제어기의 구조도 4 is a structural diagram of a fuzzy controller
도5는 태양센서부의 측면구조를 나타내는 도면 5 is a view showing a side structure of the solar sensor unit
도6은 SPE최소법을 이용한 오류센서의 잡음 제거도 Figure 6 is a noise reduction diagram of the error sensor using the SPE minimum method
도7은 퍼지제어를 위한 퍼지함수의 형태도 7 is a diagram of a fuzzy function for fuzzy control
도면의 간단한 설명 Brief description of the drawings
1: 대범위 센서부 2: 소범위 센서부1: large range sensor unit 2: small range sensor unit
3: 대범위 센서 추적을 위한 차단막 3: barrier for large range sensor tracking
4: 모터 구동부4: motor drive
5: 소범위 센서 추적을 위한 태양광 유입관 5: Solar inlet for small range sensor tracking
6: 시스템 제어부 6: system control unit
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| CN115373430A (en) * | 2022-01-07 | 2022-11-22 | 江苏省农业科学院 | Motion control method of sun-chasing device |
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2003
- 2003-08-22 KR KR1020030058152A patent/KR20050020318A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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