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用80C196KC单片机实现太阳跟踪
0 引 言
聚光式太阳集热器尽管必须精确地跟踪太阳,以确保好的效果,但仍然比普通的平面太阳集热装置有着明显的优势,特别是中温和高温应用。
各种型式的装置,从简单到复杂,应用于太阳跟踪,主要可以分成两大类,即机械系统和电控系统。电控系统一般说来有较高的稳定性和跟踪精度。电控系统又可以进一步分为两大类:
1)用光学传感器作为反馈的模拟控制系统;
2)计算机根据数学公式计算太阳位置进行跟踪,并通过光学传感器作为反馈的数字系统。
根据传感器工作的模拟系统适应性较差,在多云天气会盲目跟踪云层边沿的亮斑,造成能源的浪费和机械的额外磨损。
数字系统一般被认为具有较高的精度和较好的适应性,但是系统复杂而昂贵。
如果适当地对系统的计算对象进行简化,就可以用成本较低的单片机代替昂贵的可编程控制 器或者微型机实现数字化的跟踪控制系统。从而大大降低系统的成本,同时保留数字系统特有的灵活性和精确度。
1 系统描述
本文所述系统的跟踪策略是根据日期和时间控制聚光器的运动,并利用光学传感器调整聚光器的初始位置,在运行中对聚光器的位置进行校正。
如图1所示,系统由6个部分组成,分别是时钟、单片机、驱动机构、编码器、聚光镜和传感器。系统的核心部件是80C196KC单片机。
单片机利用时钟提供的日期和时间,计算出聚光镜的预期位置,与编码器提供的当前位置比较,输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号转动聚光镜,同时通过编码器将运行速度或位置增量反馈到单片机,形成闭环控制系统。
由于当前位置是由增量式计算得到的,若当前位置的计算出现偏差,则不能够由反馈得到校正,从而形成累积位置偏差。为此,必须通过传感器监视聚光镜的位置是否与太阳偏离,当偏离时启动一个校正程序,达到消除当前位置误差的作用。
光学传感器A和B随聚光器一起运动,为单片机提供太阳辐射信息。传感器A采用文献[1]提到的金字塔形布置的光电池组,4块光电池分成两组,分别提供方位角和高度角的偏差信号,当聚光器轴线指向太阳时,输出零信号;偏离时,信号随偏离的角度以及太阳直射辐射强度的增加而增加(图2)。传感器B由一块接受全天辐射的光电池和一块遮挡直射辐射的光电池组成,提供太阳直射辐射强度信号,信号随直射辐射强度值的增加而增加(图3)。传感器A和B选用的所有光电池应尽量保持一致。
1)判断天空直射辐射的强度,在直射辐射较弱时不启动校正程序,从而避免多云天气的盲目跟踪;
2)通过简单的修正运算,降低甚至消除环境(太阳辐射、温度等)对偏差信号的影响,使修正后 的偏差信号在偏差角度相同时,能够较为一致。
2 控制系统
6位单片机80C196KC具有较强的运算能力,通过编制程序可以完成浮点数的基本运算。由于太阳在天空的位置可以由纬度、日期和时间完全确定,因此利用这些信息可以达到精确跟踪 的目的。控制系统框图如图4所示。
如前所述,系统采用单片机计算出的太阳方位作为聚光镜位置期望值输入,驱动装置的输出作为反馈构成闭环系统。为了达到稳定性和精确度的要求,分别采用了PD调节器和补偿通道。
[p]
由于太阳运行位置的变化基本上属于斜坡输入,仅采用比例微分调节器时,闭环系统存在稳态误差ess=1/K。增大系统的K值可以减小稳态误差,但过大的K值会使系统的无阻尼自然频率接近或大于单片机的采样频率,使系统失去稳定性。积分项虽然可以消除系统的稳态误差,但一定条件下可能导致系统的稳定性变差。
令Z(s)=1,则原系统的特征方程不变,因而稳定性不发生变化。令上式右端分子的零阶和一阶项的系数为零,则斜坡输入的稳态误差为零。
设L(s)=L0+L1 s,代入上式右端分子,可得:
由于补偿通道消除了系统的静态误差。主通道不再需要安排积分环节消除稳态误差,成为比例微分控制,有利于系统的稳定性。对于不同的被控对象,可以选用不同的L1、k1和Td值,使系统的稳定性和动态特性得到保证。这种参数的调整非常简便,体现了数字控制的优越性。
对图4虚框中的传递函数离散化时,可以将微分项用后向差分代替,算法非常简单。采用足够小的采样周期时,可以保证离散化后的系统不会失去稳定性。单片机采用12MHz晶振时,定时器1溢出的周期约为87ms,具有50多万个状态周期[4],足以完成简单的计算任务,而太阳在这样短时间内的位置移动可以忽略不计。因此用定时器1溢出的周期作为采样周期有以下优点:
1)可以满足计算任务。对于试验系统的时效分析表明,控制计算所用的机时不及总机时的15%;
2)当选取系统总增益K,使闭环系统的无阻尼自然频率不高于1Hz时,可以使离散化方法保持稳定和达到足够的精确度。对系统的逻辑分析结果表明了系统的稳定性和精度。
3 校正系统
上述计算机控制系统虽然有很高的精确度,但是系统的位置反馈量仍然有可能产生误差。而且由于位置反馈量的增量式算法,这种误差不能通过编码器检测出来,因此可能形成累积误差。这种累积误差可以通过光学传感器提供的偏差信号来进行校正。
由于扰动的存在,偏差信号总是会有所波动,如果一旦偏差信号不为零就进行校正,则使系统变为了传感器控制,与模拟系统相比不具备任何优势。对修正后的偏差信号设定一个死区,可以大大的减小偏差信号的波动对系统的影响,增加系统的稳定性,系统的跟踪精度可以通过设定死区大小来保证。当经修正的偏差信号大于某给定值,即超出死区范围,且传感器B给出的参考信号反映的直射辐射强度不低于某一阈值时,启动误差校正程序。设定阈值的目的是为了使系统在太阳直射辐射太弱,即太阳被遮挡时,不启动校正过程,避免了多云天气盲目跟踪云层边沿的亮斑。校正过程分两步实现:
1)用光学传感器偏差信号代替图4中的位置量反馈误差E(s),组成反馈环,使偏差信号趋于0。
2)当偏差信号达到零时,对输出位置量赋值,使输出位置量等于期望位置量,同时切换回原来的反馈系统,完成校正过程。
由于系统结构没有发生变化,因此上述第一步形成的闭环控制系统稳定性不会发生变化。
4 结 论
1)可以利用单片机实现成本较低的数字化太阳跟踪系统。
2)虽然经过简化,在太阳跟踪控制中,单片机系统具备较好的稳定性,并能够达到相当好的精确度,同时具备模拟系统不具备的灵活性。
3)利用光学传感器,单片机系统可以实现位置的自动调整。
参考文献
[1] William ALynch,Ziyad MSalameh.Simple electro-opti-cally controlled dual-axis sun tracker[J].Solar Energy,1990,45(2):65-69.
[2] Soteris AKalogirou.Design and construction of a one-axissun-tracking System[J].Solar Energy,1996,57(6):465-469.
[3] Leonard DJaffe.Testresults on parabolic dish concentra-torsfor solar thermal power systems[J].Solar Energy,1989,42(2):173-187.
[4] 孙涵芳.Intel16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.
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