太陽能板跟蹤控制系統虛擬仿真實驗開發與應用①

談怡君， 夏美娟， 郝培華， 郝麗麗， 梁雪春

南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816

在高等教育創新型人才培養中，畢業生實踐能力的訓練，對我國未來經濟和科技保持高速增長具有重要意義，與經濟社會發展水平密切關聯[1-3]．利用現代信息手段，充分共享優質實驗教學資源，是快速增強學生實踐能力的重要途徑．基于互聯網在線開放虛擬仿真實驗項目，可以有效地利用優質實驗項目資源，虛擬仿真實驗教學已從強調信息化網絡平臺建設的初始階段，進入到強調優質項目資源建設與應用的深入發展階段[4-6]，尤其是在2020年突發疫情的背景下，虛擬實驗項目的應用可以鞏固線上教學的效果，彌補無法進行實體實驗的不足，突出體現在線實驗的優勢，也必將對今后“互聯網+教育”的發展產生強力推動作用．

能源短缺問題是目前許多國家面臨的重要問題，太陽能作為一種清潔無污染的能源，有巨大的開發前景．我國是一個太陽能資源較為豐富的國家，充分利用太陽能資源有深遠的能源戰略意義．太陽能有效利用的關鍵是確保太陽能電池板跟蹤光源，從而提高太陽能電池板光能量采集的效率．目前的跟蹤方式主要有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤，其中光電跟蹤可以通過良好控制系統設計來保證較高的跟蹤精度[6]．

通過太陽能板跟蹤系統設計實驗可以培養學生的綜合運用能力和創新開發能力，但進行實體實驗需建設較大面積的室外實驗場地，實驗條件還要考慮天氣的原因，測試難度大； 大型太陽能板成本高，控制系統綜合性強，設計參數關聯耦合度高； 實體實驗調試復雜、難度大、耗時長．因此，單純依賴實體實驗難以完成教學內容，達到實驗目的．

本文以太陽能板跟蹤控制系統在線虛擬仿真實驗項目為例，通過信息化手段和虛擬仿真技術，對控制系統的模塊和參數等進行實時、精準、直觀地設計，實驗即可以在仿真系統中選擇不同硬件和不同參數來進行數據比較，還可以在不同的控制參數以及在不同季節太陽輻射條件下進行實驗并以3D效果展現，仿真系統還設置教學管理內容，本文介紹了太陽能板跟蹤控制系統在線虛擬仿真實驗的開發過程和內容，投入到實際教學運行中，可以有效地縮短實驗周期，降低實驗成本，提升學生的自主學習能力和綜合運用能力，同時通過實驗滿足學生的成就感，有利于提高對專業知識的學習興趣[7]．

1 在線虛擬仿真實驗

1.1 實驗目的

該實驗的背景課程為電氣及自動化專業課程，包括自動控制原理、智能控制、電氣傳動與控制、計算機仿真計數和新能源課程．以科研工程設計項目為基礎，建立控制系統的概念，提高學生的學習興趣．在線虛擬實驗應用仿真技術、3D技術和計算機網絡技術開發，將交互性和專業知識結合起來，學生可以在虛擬環境下自主完成太陽能電池板的控制系統的設計，通過3D顯示查看實際控制效果，通過數據分析和波形分析查看控制的精確程度，對電氣設備、自動控制、系統仿真等相關專業知識能夠深刻的理解和掌握．

1.2 實驗原理與內容框架

該實驗光源跟蹤系統主要由光線檢測電路，電機驅動放大器，直流伺服電機3個模塊組成．4個完全相同的光敏傳感器分別安裝在太陽能板四周，用來檢測光線是否正對該跟蹤系統．當光線滿足入射條件時，兩個光敏傳感器檢測到的光輻射強度幾乎相等，否則將表明太陽能板偏向受輻射少的一邊．兩個感光器受到的輻射強度之差可以反饋給電機驅動器，用來作為電機的誤差信號，電機旋轉，使太陽能板轉向正對太陽的位置[8-9]，其原理圖如圖1．

圖1 太陽能閉環控制系統原理圖

根據設備參數，可推導出其相應數學模型．例如，根據模擬實驗平臺所提供的伺服電機(伺服電機為直流永磁電機+驅動器)和太陽能電池板組合后優化的開環傳遞函數是

(1)

式中參數為： 轉子繞組等效電阻Ra，轉子繞組等效電感La，速度常數kv，力矩常數kt，轉子轉動慣量J，阻尼常數B．

建立完成后可以調用Matlab仿真軟件，觀察各個參數波形情況，與實驗結果進行比對，反復調整，達到太陽能電池板跟蹤太陽光源的最佳運行軌跡．

學生根據學號和密碼登錄實驗網站，進入實驗系統后就可以進行實驗操作，模擬實驗平臺實驗框架如圖2．

圖2 實驗平臺框架圖

1.3 實驗設計與操作

1.3.1 實驗預習

模擬實驗平臺提供實驗模擬場景如圖3，學生首先應完成預習，了解實驗概況．平臺還將整個實驗以流程圖的形式呈現如圖4，依次設置實驗控制對象、選擇部件型號、PID參數計算、MATLAB仿真、結果模擬等步驟，學生可以通過預習了解整個實驗流程．

圖3 模擬場景

圖4 系統設計實驗流程界面

1.3.2 太陽能板跟蹤控制系統構建

實驗為分析方便假設太陽是繞地球作圓周運動，從而與地球的軸線、東西線及南北線形成了太陽的高度角和方位角，一天中不同時間的高度角和方位角不同，不同季節的同一時間高度角和方位角也不同[10]．

控制系統由三大部分構成： 位置檢測模塊、控制模塊、跟蹤執行模塊．位置檢測模塊一般是由靈敏度符合要求的傳感器件構成，將檢測信號傳輸到控制模塊； 控制模塊放大收到的信號，最終送到跟蹤執行模塊，帶動太陽能板跟蹤太陽運行； 執行部分設計雙軸，分別控制太陽能電池板的高度角和方位角．

圖5 控制系統選型界面

虛擬實驗平臺有多種不同的組合模塊供實驗者選擇，如圖5．太陽能板有兩種型號，電機有伺服電機和步進電機，感光器件有硅光電池和光敏電阻，平臺同時提供模塊參數，學生可根據自己的設計選擇不同的模塊．

1.3.3 控制系統數學模型建立與仿真

控制系統模塊選型完成之后，可計算出其相應數學模型，建立完成后可以調用Matlab等仿真軟件，觀察各個參數波形情況，同時訓練學生的軟件使用能力．

1.3.4 控制參數設計

實驗平臺提供基礎的控制算法是PID控制，需要根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間．PID控制器參數整定的方法很多，可依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數．本項目的實驗平臺采用開放式的方法，實驗者可以根據自己的學習情況，在仿真軟件中輸入數學模型，采用合適的方法整定參數，比如傳統的臨界比例法、反應曲線法和衰減法，或者自整定PID法和智能PID法，如專家系統型Fuzzy-PID和NN-PID[11-12]，目的是達到滿意的跟蹤曲線，這個過程是實驗的主要過程，需要實驗者根據平時自己掌握的理論知識和軟件使用熟練程度，反復操作完成．

1.3.5 控制模塊結果分析

雙軸控制系統模型輸出參數為高度角和控制角，仿真軟件的控制比較理想的結果是兩個角度快速地跟隨參數輸入，而太陽能板緊緊跟隨太陽位置的變化．實驗平臺快速模擬太陽一年四季的位置變化，接收實驗者輸入的控制數據后，根據控制器輸出的結果給出太陽能板的實時角度值，并用三維立體控制效果展示跟隨過程，并將太陽位置和太陽能板的位置進行繪圖比較，非常直觀地為實驗者展示控制效果[13]．圖6為控制效果三維動態展示圖．

通過這個綜合設計過程，讓實驗者更深刻掌握控制原理和各個模塊的作用，以及控制參數對控制結果的影響，并創新實踐新的控制方法或者算法．

控制參數的設置和控制算法直接影響控制結果，實驗者可以通過三維成像直接觀測跟蹤情況，也可以通過實時數據及其數據圖觀測到控制結果如圖7．實驗結果不理想的，實驗者自行分析原因，可以重新按先前步驟進行設計，在重新設計過程中，實驗者需要掌握參數調整的規律和算法的選擇方法．

圖6 控制效果三維動態展示

圖7 實驗曲線

1.3.6 實驗報告撰寫與上傳

實驗操作完成后，虛擬實驗平臺自動生成實驗報告的基本模板，并自動加載前面步驟中涉及到的模塊選擇、元器件選型、數學模型、參數和控制角度輸出數據，實驗者在其中可以加入自己的控制算法、模擬仿真曲線、算法對比、實驗體會和思路，然后上傳報告，以便實驗老師批閱賦分．

1.3.7 互動與交流

實驗借助網絡平臺，教師和學生以不同的身份登錄，獲得不同的權限．學生可以將實驗過程中的疑問和體會寫在“討論答疑”頁面，教師收到后可以答疑，其他同學也同時可以看到，如果有相同或相似問題也能夠獲知，以免重復提問解答．學生還可以對教學內容進行評價，提出意見和建議．教師除可以解答疑問外，還可以布置練習題，批閱實驗報告，查看整個班級的實驗情況和進度，了解學生的掌握程度并對某些薄弱知識點在課堂中補充講解，提高實驗的利用率．

2 實驗考核

太陽能板跟蹤控制系統在線虛擬仿真實驗項目借助在線教學網絡平臺，實驗者獲得實驗資格后，只需有上網功能的計算機及配有相關仿真軟件，無論身處何時何地均可通過網絡遠程共享進行虛擬實驗，并提交結果和在線交流．

實驗要求學生能認真完成預習和觀看實驗指導視頻； 能熟練操作虛擬仿真系統完成全部實驗； 實驗報告要求寫出完整的實驗計算步驟和設計過程，給出正確完整的仿真圖、實驗數據圖像、分析結果； 思考實驗過程中的收獲，特別是對控制器控制參數設計的體會．成績考核中還包括實驗練習，學生根據自己掌握知識的程度答題后，系統自動給出評分并計入總分中．學生在進行實驗操作時，要對理論知識和系統做深入分析才能解決實驗設計中的問題，實驗可以綜合考察學生對相關課程知識的掌握程度和分析問題、解決問題以及軟件使用的能力．

3 實驗效果

疫情防控期間，教育部要求高校實現“停課不停教，停課不停學”[14]，網絡授課過程中，在實驗教學環節部分，學生無法返回學校進行實體實驗，這更突顯了在線虛擬實驗平臺的優勢，在此期間，智能電網與新能源技術等課程采用了該實驗平臺，取得了良好的效果．

1) 降低了實驗成本，可反復實驗不受場地和時間的限制

實體實驗項目經濟成本高，場地限制大，單純依賴實體實驗無法完成實驗教學內容，無法達到實驗目的．采用網絡信息化手段和虛擬仿真技術，通過虛實結合的實驗手段，實時直觀地體現每一實驗步驟的設計效果，縮短了實驗周期，降低了實驗成本，實現了信息技術與專業課程實驗的有機融合，提高了實踐教學質量．

2) 提高了學生的學習興趣，有利于培養學生的綜合應用能力和創新能力

實驗本著“能實不虛、虛實結合”的原則，重在學生綜合能力的培養，至少滿足2個課時的實驗教學需求，打破演示型、驗證型的傳統實驗模式，以綜合設計為主．學生在實驗中需要涉及計算機仿真技術、自動控制原理、電氣傳動等多門課程的知識，通過綜合運用知識、自己動手進行設計達到控制效果．在實驗考核中摒棄標準答案模式，鼓勵學生給出不同控制器解決方案．生動的模擬環境給學生留下直觀而深刻的印象，有效提升了實驗教學效果．

3) 發揮科研的引領作用，啟發科研思維

將教師的科研成果和課題以及大學生創新訓練成果引入該虛擬仿真實驗平臺，豐富了實驗教學內容，極大地擴展了實驗項目的深度和廣度[15]．

4 結語

虛擬仿真實驗教學系統通過互聯網訪問使用，以后將逐步補充和創新實驗內容和增加實驗學時，逐步開放達到資源共享，營造自主學習的氛圍，不僅可服務校內相關專業師生，未來將面向校外公眾開放．這必將對全社會共享、共用精品實驗教學資源，關注新時代電氣自動化專業建設和課程改革，起到積極的推動作用．