用80C196KC單片機實現(xiàn)太陽跟蹤

0　引　言

聚光式太陽集熱器盡管必須精確地跟蹤太陽，以確保好的效果，但仍然比普通的平面太陽集熱裝置有著明顯的優(yōu)勢，特別是中溫和高溫應用?！?/p>

各種型式的裝置，從簡單到復雜，應用于太陽跟蹤，主要可以分成兩大類，即機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)一般說來有較高的穩(wěn)定性和跟蹤精度。電控系統(tǒng)又可以進一步分為兩大類：

1）用光學傳感器作為反饋的模擬控制系統(tǒng)；　　

2）計算機根據(jù)數(shù)學公式計算太陽位置進行跟蹤，并通過光學傳感器作為反饋的數(shù)字系統(tǒng)。

根據(jù)傳感器工作的模擬系統(tǒng)適應性較差，在多云天氣會盲目跟蹤云層邊沿的亮斑，造成能源的浪費和機械的額外磨損。

數(shù)字系統(tǒng)一般被認為具有較高的精度和較好的適應性，但是系統(tǒng)復雜而昂貴。

如果適當?shù)貙ο到y(tǒng)的計算對象進行簡化，就可以用成本較低的單片機代替昂貴的可編程控制 器或者微型機實現(xiàn)數(shù)字化的跟蹤控制系統(tǒng)。從而大大降低系統(tǒng)的成本，同時保留數(shù)字系統(tǒng)特有的靈活性和精確度。

1　系統(tǒng)描述

本文所述系統(tǒng)的跟蹤策略是根據(jù)日期和時間控制聚光器的運動，并利用光學傳感器調(diào)整聚光器的初始位置，在運行中對聚光器的位置進行校正。

如圖1所示，系統(tǒng)由6個部分組成，分別是時鐘、單片機、驅(qū)動機構(gòu)、編碼器、聚光鏡和傳感器。系統(tǒng)的核心部件是80C196KC單片機。

單片機利用時鐘提供的日期和時間，計算出聚光鏡的預期位置，與編碼器提供的當前位置比較，輸出控制信號。驅(qū)動裝置根據(jù)單片機提供的信號轉(zhuǎn)動聚光鏡，同時通過編碼器將運行速度或位置增量反饋到單片機，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于當前位置是由增量式計算得到的，若當前位置的計算出現(xiàn)偏差，則不能夠由反饋得到校正，從而形成累積位置偏差。為此，必須通過傳感器監(jiān)視聚光鏡的位置是否與太陽偏離，當偏離時啟動一個校正程序，達到消除當前位置誤差的作用。

光學傳感器A和B隨聚光器一起運動，為單片機提供太陽輻射信息。傳感器A采用文獻［1］提到的金字塔形布置的光電池組，4塊光電池分成兩組，分別提供方位角和高度角的偏差信號，當聚光器軸線指向太陽時，輸出零信號；偏離時，信號隨偏離的角度以及太陽直射輻射強度的增加而增加（圖2）。傳感器B由一塊接受全天輻射的光電池和一塊遮擋直射輻射的光電池組成，提供太陽直射輻射強度信號，信號隨直射輻射強度值的增加而增加（圖3）。傳感器A和B選用的所有光電池應盡量保持一致。

1）判斷天空直射輻射的強度，在直射輻射較弱時不啟動校正程序，從而避免多云天氣的盲目跟蹤；

2）通過簡單的修正運算，降低甚至消除環(huán)境（太陽輻射、溫度等）對偏差信號的影響，使修正后 的偏差信號在偏差角度相同時，能夠較為一致。

2　控制系統(tǒng)

6位單片機80C196KC具有較強的運算能力，通過編制程序可以完成浮點數(shù)的基本運算。由于太陽在天空的位置可以由緯度、日期和時間完全確定，因此利用這些信息可以達到精確跟蹤 的目的?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

如前所述，系統(tǒng)采用單片機計算出的太陽方位作為聚光鏡位置期望值輸入，驅(qū)動裝置的輸出作為反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。為了達到穩(wěn)定性和精確度的要求，分別采用了PD調(diào)節(jié)器和補償通道。

由于太陽運行位置的變化基本上屬于斜坡輸入，僅采用比例微分調(diào)節(jié)器時，閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差ess＝1／K。增大系統(tǒng)的K值可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但過大的K值會使系統(tǒng)的無阻尼自然頻率接近或大于單片機的采樣頻率，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。積分項雖然可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但一定條件下可能導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

令Z（s）＝1，則原系統(tǒng)的特征方程不變，因而穩(wěn)定性不發(fā)生變化。令上式右端分子的零階和一階項的系數(shù)為零，則斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零?！　?/p>

設(shè)L（s）＝L0＋L1 s，代入上式右端分子，可得：

由于補償通道消除了系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。主通道不再需要安排積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，成為比例微分控制，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于不同的被控對象，可以選用不同的L1、k1和Td值，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性得到保證。這種參數(shù)的調(diào)整非常簡便，體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)越性。

對圖4虛框中的傳遞函數(shù)離散化時，可以將微分項用后向差分代替，算法非常簡單。采用足夠小的采樣周期時，可以保證離散化后的系統(tǒng)不會失去穩(wěn)定性。單片機采用12MHz晶振時，定時器1溢出的周期約為87ms，具有50多萬個狀態(tài)周期［4］，足以完成簡單的計算任務，而太陽在這樣短時間內(nèi)的位置移動可以忽略不計。因此用定時器1溢出的周期作為采樣周期有以下優(yōu)點：

1）可以滿足計算任務。對于試驗系統(tǒng)的時效分析表明，控制計算所用的機時不及總機時的15％；

2）當選取系統(tǒng)總增益K，使閉環(huán)系統(tǒng)的無阻尼自然頻率不高于1Hz時，可以使離散化方法保持穩(wěn)定和達到足夠的精確度。對系統(tǒng)的邏輯分析結(jié)果表明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

3　校正系統(tǒng)

上述計算機控制系統(tǒng)雖然有很高的精確度，但是系統(tǒng)的位置反饋量仍然有可能產(chǎn)生誤差。而且由于位置反饋量的增量式算法，這種誤差不能通過編碼器檢測出來，因此可能形成累積誤差。這種累積誤差可以通過光學傳感器提供的偏差信號來進行校正。

由于擾動的存在，偏差信號總是會有所波動，如果一旦偏差信號不為零就進行校正，則使系統(tǒng)變?yōu)榱藗鞲衅骺刂?，與模擬系統(tǒng)相比不具備任何優(yōu)勢。對修正后的偏差信號設(shè)定一個死區(qū)，可以大大的減小偏差信號的波動對系統(tǒng)的影響，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的跟蹤精度可以通過設(shè)定死區(qū)大小來保證。當經(jīng)修正的偏差信號大于某給定值，即超出死區(qū)范圍，且傳感器B給出的參考信號反映的直射輻射強度不低于某一閾值時，啟動誤差校正程序。設(shè)定閾值的目的是為了使系統(tǒng)在太陽直射輻射太弱，即太陽被遮擋時，不啟動校正過程，避免了多云天氣盲目跟蹤云層邊沿的亮斑。校正過程分兩步實現(xiàn)：

1）用光學傳感器偏差信號代替圖4中的位置量反饋誤差E（s），組成反饋環(huán)，使偏差信號趨于0。

2）當偏差信號達到零時，對輸出位置量賦值，使輸出位置量等于期望位置量，同時切換回原來的反饋系統(tǒng)，完成校正過程。

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，因此上述第一步形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不會發(fā)生變化。

4　結(jié)　論

1）可以利用單片機實現(xiàn)成本較低的數(shù)字化太陽跟蹤系統(tǒng)。

2）雖然經(jīng)過簡化，在太陽跟蹤控制中，單片機系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，并能夠達到相當好的精確度，同時具備模擬系統(tǒng)不具備的靈活性。

3）利用光學傳感器，單片機系統(tǒng)可以實現(xiàn)位置的自動調(diào)整。

參考文獻
  
［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］　孫涵芳．Intel16位單片機［M］．北京：北京航空航天大學出版社，1999．