基于模糊算法的太陽光導入器的研究

高麗貞（廈門工學院，福建廈門，361005）

基于模糊算法的太陽光導入器的研究

高麗貞
（廈門工學院，福建廈門，361005）

模糊智能控制作為一種新興的理論，為解決因太陽強度和角度時刻變化而跟蹤不精準的問題提供了一條有效的解決途徑，本論文在論述了模糊控制理論的基礎上，提出了基于模糊算法的太陽光導入器的研究。給出了系統硬件框圖，經過調試，本系統穩定，可以提高控制精度。

太陽能；導入器；模糊算法

0 引言

太陽能作為綠色新能源，是未來能源發展的重點。 考慮到實際天氣具有非線性、時變不確定的特點，難以建立精確的數學模型[1]，所以應用常規PID控制器通常不能達到理想的控制效果。而模糊控制策略[2]是利用模糊集合論，把人工控制經驗轉化為計算機能接受的算法語言所描述的算法，它具有不需要了解被控對象的確切模型，控制具有響應速度較快，過渡過程時間較短、精度較高以及魯棒性較好的優點。

1 追光系統硬件設計

1.1 系統工作原理

由四象限探測器檢測太陽光線照射到太陽能電池板上所產生的電流，將電流送給ARM920T控制器中的ADC 進行模數轉換，由ARM920T判斷太陽的位置；然后送控制量給步進電機驅動器以驅動步進電機控制雙軸(豎直和水平軸)機械支架的轉動，達到調整太陽能電池板的姿態(即方向角和俯仰角)，從而使太陽能電池板與太陽光線垂直，能使太陽光很好的輸入到傳輸介質中（目前利用最多的傳輸介質就是光纖，利用光在光纖中全反射原理），以便高效率的收集太陽光，通過選擇的傳輸介質傳輸到需要利用太陽光的地方。使太陽能電池板最大限度地接收太陽能。在控制過程中，加入了模糊算法，采用模糊算法不僅對被控制對象參數變化適應性強，同時使電機運行更加平順，克服了超調大的問題，保證了控制精度要求及實時性，使系統能在復雜的天氣環境下實時追蹤太陽，使太陽能電池組件的輻照最大化。

1.2 四象限光電傳感器

四象限光電傳感器是把4個性能完全相同的光電二極管按照直角坐標要求排列而成的光電探測器件，當入射光斑落在器件感光面的不同位置時，探測器的每個象限輸出不同幅度的電信號，通過對這些信號的幅度進行計算，可以確定入射光斑中心在感光面上的位置。這種探測器可以探測光學目標位置的連續變化，具有位置分辨率高、相應速度快等特點。

圖1 系統硬件組成框圖

四象限輸出[3]與入射光電位置的關系為：

式中X1、X2、Y1、Y2表示各象限的輸出電流（光生電流）,Px、Py表示入射光點的位置坐標（坐標原點在光敏面中心），L表示光敏有效區域邊長。本系統采用深圳達瑞鑫光電科技有限公司的DRX-QP-SD2信號處理板，其對四象限探測器輸出的微小電流信號進行I-V放大及運算處理。其輸出上下和差信號，左右和差信號，總和信號，這三路信號直接由ARM920T控制器中的ADC進行采集處理，處理后得到反饋的太陽位置偏差角度，進而驅動步進電機實現對太陽的精確跟蹤。

圖2 模糊控制器的基本結構

2 追光系統軟件設計

2.1 模糊控制原理

由于環境的變化及天氣變化的復雜性，太陽光的強度隨時在變化[4]，因此，系統偏差電壓的變化是非線性的，太陽能追光模糊控制器[5]的基本結構如圖2所示。本系統采用雙輸入、單輸出的模糊控制結構。通過對4個區域光強信號的實時監測、數據采集，得到實際電壓值的數字量，再取四個受光區域中電壓值與變化率最大的一組數據，因為這樣一組數據相對其他幾個區域的精度要高，再將所選區域實際光強電壓平均值與設定值進行差分，得到電壓變化誤差數字量e和ec，送入模糊控制器，通過模糊控制算法得到太陽的實際位置，故可以取實際測量電壓偏差e和偏差變化率ec為模糊變量，取電機電樞電壓控制量Δu為模糊控制器的輸出u。

實際測量四象限光電傳感器電壓偏差e的基本論域為[-1v,1v]，e的模糊論域為 [-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6],則誤差e的量化因子為1/6。偏差變化率ec與輸出變量u模糊論域為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

根據長時間的調試總結，得到如下控制規則：

if e=NB and ec=PB then u=PB;

if e=NM and ec=PB then u=PS;

共計56條這樣的控制規則，具體歸納后見表1。

表1 模糊控制規則表

確定各個語言變量模糊子集的隸屬度函數[6]，從而得到語言變量e、ec、u的賦值表。

同時根據這些推理規則，可以求出總的模糊關系R，從而根據所取的e=-6,-5,-4…+5,+6和ec=-6,-5,-4…+5,+6中的量化值，經模糊推理合成規則運算，得到語言變量U的模糊集合，然后按照加權平均值法或者隸屬度最大值法，求出系統的模糊控制總查詢表，見表2。控制時只要通過總控制表中的控制量，乘以相應的系數因子即可以得到模糊控制器的輸出。

表2 總控制表

3 總結

本文將模糊算法應用到太陽能追光系統，在光照情況下進行實測整個控制系統的性能，不僅系統穩定，并且提高了跟蹤精度，具有良好的應用前景。

[1]李慧，王瑞利.高精度太陽能跟蹤控制系統的設計[J].電源技術，2016（02）：388-389,407.

[2]韓峻峰，李玉惠等.模糊控制技術.2003，重慶大學出版社.

[3]戴亦宗等.基于模糊控制的太陽能追光系統[J].儀表技術與傳感器.2012 No.9.

[4]孫增圻.智能控制理論及技術[M].北京：清華大學出版社，1997.

[5]高蒙蒙等.模糊算法在混凝土快速凍融試驗機溫度控制中的應用[J].河北農業大學學報.2015.7第38卷第4期.

[6]王波.太陽跟蹤及導光系統關鍵性研究[D].西安電子科技大學. 2013.1.

The research of sunlight importer based on fuzzy algorithm

Gao Lizhen
( Xiamen Institude of Technology , Xiamen Fujian,361005)

The sun intensity and angle always change,so tracking is not accurate,this is a problem. Fuzzy intelligent control as a new theory provides an effective way to solve this problem. This paper proposes the design of the sunlight importer on the basis of fuzzy control theory . The system hardware block diagram is given, and the system is stable after debugging, which can improve the control precision.

sunlight;importer;fuzzy algorithm

福建省中青年科研項目（項目編號：JA1506）。