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(shì)，特別是中溫和高溫應(yīng)用?！?/p>

各種型式的裝置，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，應(yīng)用于太陽跟蹤，主要可以分成兩大類，即機(jī)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(jìn)一步分為兩大類：

1）用光學(xué)傳感器作為反饋的模擬控制系統(tǒng)；　　

2）計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算太陽位置進(jìn)行跟蹤，并通過光學(xué)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(yīng)性較差，在多云天氣會(huì)盲目跟蹤云層邊沿的亮斑，造成能源的浪費(fèi)和機(jī)械的額外磨損。

數(shù)字系統(tǒng)一般被認(rèn)為具有較高的精度和較好的適應(yīng)性，但是系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴。

如果適當(dāng)?shù)貙?duì)系統(tǒng)的計(jì)算對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，就可以用成本較低的單片機(jī)代替昂貴的可編程控制 器或者微型機(jī)實(shí)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(shí)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(shí)間控制聚光器的運(yùn)動(dòng)，并利用光學(xué)傳感器調(diào)整聚光器的初始位置，在運(yùn)行中對(duì)聚光器的位置進(jìn)行校正。

如圖1所示，系統(tǒng)由6個(gè)部分組成，分別是時(shí)鐘、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)。

單片機(jī)利用時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間，計(jì)算出聚光鏡的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)聚光鏡，同時(shí)通過編碼器將運(yùn)行速度或位置增量反饋到單片機(jī)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于當(dāng)前位置是由增量式計(jì)算得到的，若當(dāng)前位置的計(jì)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(dāng)偏離時(shí)啟動(dòng)一個(gè)校正程序，達(dá)到消除當(dāng)前位置誤差的作用。

光學(xué)傳感器A和B隨聚光器一起運(yùn)動(dòng)，為單片機(jī)提供太陽輻射信息。傳感器A采用文獻(xiàn)［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(hào)，當(dāng)聚光器軸線指向太陽時(shí)，輸出零信號(hào)；偏離時(shí)，信號(hào)隨偏離的角度以及太陽直射輻射強(qiáng)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(qiáng)度信號(hào)，信號(hào)隨直射輻射強(qiáng)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(yīng)盡量保持一致。

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

2）通過簡(jiǎn)單的修正運(yùn)算，降低甚至消除環(huán)境（太陽輻射、溫度等）對(duì)偏差信號(hào)的影響，使修正后 的偏差信號(hào)在偏差角度相同時(shí)，能夠較為一致。

2　控制系統(tǒng)

6位單片機(jī)80C196KC具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，通過編制程序可以完成浮點(diǎn)數(shù)的基本運(yùn)算。由于太陽在天空的位置可以由緯度、日期和時(shí)間完全確定，因此利用這些信息可以達(dá)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(jī)計(jì)算出的太陽方位作為聚光鏡位置期望值輸入，驅(qū)動(dòng)裝置的輸出作為反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。為了達(dá)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(bǔ)償通道。

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由于太陽運(yùn)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(shí)，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(huì)使系統(tǒng)的無阻尼自然頻率接近或大于單片機(jī)的采樣頻率，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。積分項(xiàng)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(dǎo)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(xiàng)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(bǔ)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(duì)于不同的被控對(duì)象，可以選用不同的L1、k1和Td值，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性得到保證。這種參數(shù)的調(diào)整非常簡(jiǎn)便，體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)越性。

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

1）可以滿足計(jì)算任務(wù)。對(duì)于試驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)效分析表明，控制計(jì)算所用的機(jī)時(shí)不及總機(jī)時(shí)的15％；

2）當(dāng)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(shí)，可以使離散化方法保持穩(wěn)定和達(dá)到足夠的精確度。對(duì)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(jì)算機(jī)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(cè)出來，因此可能形成累積誤差。這種累積誤差可以通過光學(xué)傳感器提供的偏差信號(hào)來進(jìn)行校正。

由于擾動(dòng)的存在，偏差信號(hào)總是會(huì)有所波動(dòng)，如果一旦偏差信號(hào)不為零就進(jìn)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(shì)。對(duì)修正后的偏差信號(hào)設(shè)定一個(gè)死區(qū)，可以大大的減小偏差信號(hào)的波動(dòng)對(duì)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(dāng)經(jīng)修正的偏差信號(hào)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(hào)反映的直射輻射強(qiáng)度不低于某一閾值時(shí)，啟動(dòng)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(shí)，不啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)：

1）用光學(xué)傳感器偏差信號(hào)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(hào)趨于0。

2）當(dāng)偏差信號(hào)達(dá)到零時(shí)，對(duì)輸出位置量賦值，使輸出位置量等于期望位置量，同時(shí)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(huì)發(fā)生變化。

4　結(jié)　論

1）可以利用單片機(jī)實(shí)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(jiǎn)化，在太陽跟蹤控制中，單片機(jī)系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，并能夠達(dá)到相當(dāng)好的精確度，同時(shí)具備模擬系統(tǒng)不具備的靈活性。

3）利用光學(xué)傳感器，單片機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)位置的自動(dòng)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)
  
［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(jī)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999．