太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　王林军1,2，门静1,2，张东2，许立晓1,2，邓煜1,2，吕耀平1,2，陈艳娟1,2

　　(1.兰州理工大学机电工程学院，兰州730050;2.兰州理工大学西部能源与环境研究中心，兰州730050)

　　摘要：针对现有光电传感器存在形式单一、跟踪精度不高、运行稳定性较差等不足，该文通过对光电传感器进行结构设计，设计了一种金字塔式和箱体式嵌套的粗-精跟踪光电传感器，其中箱体式可拆卸、单独使用，其内部的凹面镜利用反射作用有效减小了箱体高度，保证了跟踪过程中的跟踪精度和运行稳定性。在对该传感器的电路进行设计时，选取四运放集成电路LM324为核心，利用其比较作用来控制电机驱动执行机构，从而使聚光系统对准太阳。利用MATLAB/Simulink对模糊PID(proportionalintegrationdifferentiation，比例-积分-微分)控制器建模和仿真，与PID控制相比，模糊PID控制曲线的响应时间较短，在0.1s时给系统一个宽度为0.1的矩形脉冲干扰，在0.1～0.2s之间系统的响应曲线、控制误差的响应曲线以及控制器的输出变化曲线呈现不同的变化;在0.2s时，均达到稳定状态。通过分析可知，无论是否存在干扰，该控制方法均能使控制器迅速达到稳定状态，减少系统响应时间，从而减少系统的运行成本。该研究为太阳自动跟踪系统的稳定运行和跟踪精度的提高提供了参考。

　　关键词：太阳能;跟踪;模糊系统;模糊推理规则;光电传感器doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.025

　　中图分类号：TM615文献标志码：A文章编号：1002-6819(2015)-14-179-07

　　王林军，门静，张东，等.太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计[J].农业工程学报，2015，31(14)：179-185.

　　doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.025

　　0引言

　　在选择太阳自动跟踪方式时，考虑到程序跟踪虽然可进行全天候的跟踪，但存在累积误差，而光电跟踪仅在晴天时有较好的跟踪灵敏度，所以跟踪系统一般采用程序跟踪和光电跟踪结合的混合跟踪方式，利用光电跟踪消除程序跟踪的累积误差，达到全天候高精度跟踪的目的[1-2]。其中，光电跟踪根据光电传感器的光强检测信息来调整聚光系统的位置，光电传感器的结构设计会直接影响太阳自动跟踪系统的跟踪精度和运行稳定性。目前较常用的光电传感器中的隔板式和金字塔式受散光影响比较严重，跟踪精度低，稳定性差，而光筒式光电传感器的跟踪精度较高，但因为入射角与光筒高度之间存在制约关系，这就造成系统的跟踪精度和运行稳定性相互影响[3-7]。为解决这一问题，本文结合现有的光电传感器结构特点，设计了一种由金字塔式和箱体式嵌套的光电传感器，可进行粗-精二次跟踪，利用LM339作为电压比较器芯片，对其硬件电路进行了设计。在建立的Simulink太阳能自动跟踪控制系统的控制器模型的基础上，使用模糊PID(proportionalintegrationdifferentiation，比例-积分-微分)控制方法对控制器进行控制，以期为太阳自动跟踪系统的稳定运行和跟踪精度的提高提供参考。1光电传感器的类型在利用光电跟踪追踪太阳时，光电传感器这一探测元件可以将不同时刻的太阳位置变化情况经过信号处理后传送到控制器当中。光电传感器的类型主要包括：隔板式、金字塔式和光筒式。

　　1.1隔板式光电传感器

　　隔板式光电传感器(见图1a)由底座、隔板、两块相同的光敏元件这三部分组成。隔板垂直置于底座上，利用隔板的阻挡作用，入射光线与隔板存在夹角时，其两边的光敏元件接收到的光强不同，以此来判断太阳的位置[8-10]。其结构十分简单、价格低和安装方便，但会受到外界各个方向光线的影响，引起电机的频繁转动，系统的运行稳定性较差，且跟踪精度不高，故仅适用于中小型、成本较低的太阳能跟踪系统中。

　　1.2金字塔式光电传感器

　　金字塔式光电传感器(见图1b)利用余弦原理，当光线的密度不发生变化时，照射到金字塔侧面硅光电池上的光线就是面积乘光线入射角的余弦。当入射光线不垂直于传感器底板时，光敏元件所接收到的光线强度不同，以此来判断太阳的位置[11-13]。另外，可根据外界光强程度来判断天气情况。结构简单、造价低、安装方便，跟踪精度比隔板式的高很多，但同样会受到外界干扰光的影响，跟踪精度不高，运行稳定性差。图1简单结构的光电传感器Fig.1Photoelectricsensorwithsimplestructure

　　1.3光筒式光电传感器

　　1.3.1光筒式光电传感器的特点

　　该类型的光电传感器其光筒底部(上下左右)均匀放置了4块光敏元件，如图2所示，太阳入射光线G与聚光系统主轴方向的夹角为α，在跟踪过程中，若实际的入射角α′>α时，相对的光敏元件D2和D4(或D1和D3)所感受到的光照强度不同，控制器根据光敏元件的反馈电压值来调整聚光系统追踪太阳的高度角和方位角;当α′<α时，跟踪系统不进行位置调整[14-16]。光筒式光电传感器相较于隔板式和金字塔式，其结构较复杂、价格较高、安装较复杂，但不受外界干扰光的影响，稳定性和跟踪精度较高，故应用比较广泛。

　　光电传感器的跟踪精度会影响聚光系统的采光效率，而跟踪精度并非光筒高度越高越好，特别是对光筒式光电传感器而言，入射角α的大小直接影响系统的跟踪范围，它与光筒的高度相互制约。当α变大时，光筒的高度减小，系统的跟踪范围也随之变大，但跟踪精度相应降低;α减小时，需要增加光筒的高度来提高系统的跟踪精度，但系统的跟踪范围会相应的变小;但当光电传感器的跟踪范围过小时，会引起电机的频繁转动，导致跟踪系统的稳定性变差，而且光筒高度过大，安装也会产生不便。故，在选取或设计光筒式光电传感器时，必须考虑入射角α和光筒高度H之间的制约关系，从而保证光电跟踪的跟踪稳定性和跟踪精度。

　　2光电传感器的设计

　　本文提出的光电传感器为一种结构设计，其目的是提高太阳能自动跟踪系统的运行稳定和跟踪精度，主要解决光电传感器受散光影响和入射角与光筒高度之间相互制约的问题。并以此为基础，选择电压比较器类型，对光电传感器的电路进行设计。

　　3模糊PID推理控制器

　　在太阳自动跟踪系统采用混合跟踪方式追踪太阳的位置时，当光电传感器检测到的外界光照强度大于控制器设定的光照阈值，跟踪方式自动切换为光电跟踪方式，控制器通过将太阳入射光线在光电传感器四象限探测仪上不同区域的投影面积经过一定的处理，转化为电机应该转动的角度。但因为太阳自动跟踪系统是一个非线性且十分复杂的系统，精准建立其模型是有困难的，而且在实际的工作过程中必然会出现摩擦、干扰等情况，这就对建立系统模型有了更高的要求。考虑到太阳自动跟踪系统要达到快速、高精度跟踪太阳位置的目的，若采用单一的PID控制方法或者模糊控制方法是无法达到理想的控制效果。本文将PID控制方法和模糊控制方法有效结合，使这2种控制方式可以较好地发挥各自优势，即使在没有十分准确的模型时，也能够实现很好的控制目标。

　　4结论与讨论

　　本文针对性介绍了光筒式光电传感器光筒高度与入射角间存在的制约关系，提出了一种金字塔式和箱体式嵌套的粗-精跟踪光电传感器，其底部凹面镜的反射作用可以减小箱体的高度，在达到理想跟踪精度的同时，稳定性不受影响。设计光电传感器的电路时，选择LM324比较器，其内部有4组完全相同且相互独立的运算放大器，满足箱体式光电传感器中四象限光敏元件的使用。另外，利用MATLAB/Simulink对控制器建模及仿真，并将PID控制方法与模糊控制方法有效结合，可使控制器达到最佳的控制效果，系统响应速度快且能保证系统稳定运行，在0.1s时给系统宽度为0.1的矩形脉冲干扰，在0.1～0.2s之间，系统的响应曲线、控制误差的响应曲线以及控制器的输出变化曲线呈现不同的变化，但在0.2s时，均达到稳定状态，说明在有干扰的情况下，系统也能够很快的达到稳定状态，同时证明了模糊PID控制方法具有很好的鲁棒性。

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