На правах рукописи

ТХЕИН ЛИН У

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ СОЛНЕЧНЫХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ

ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАТЕНЕНИЯ

Специальность: 05.13.06.

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2010 г.

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического управления и контроля» в Московском Государственном Институте Электронной Техники (Техническом Университете).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Батырев Евгений Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Трояновский Владимир Михайлович.

кандидат технических наук Трубников Виктор Юрьевич.

Ведущее предприятие: ОАО «НИИ точного машиностроения», г. Москва.

Защита состоится «»_2010 года в _:_ часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Погалов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Истощение ископаемых энергоресурсов и нарастающие трудности решения экологических проблем развития энергетики приводят к необходимости поиска новых, нетрадиционных методов получения энергии. Среди них наиболее перспективным является фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии. Преобразование энергии солнца в электрическую энергию является весьма актуальной задачей, поскольку солнечная радиация – это неисчерпаемый источник экологически чистой энергии. Метод преобразования солнечной энергии (ее пиковая плотность потока достигает 1 кВт/м2) в электрическую энергию с помощью полупроводниковых солнечных элементов является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Он широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей.

Актуальность диссертационной работы заключается в создании мобильных автоматических солнечных энергетических систем для разных географических и климатических условий. Это требует глубокой проработки и решения сложных проблем, в частности, экстраполяции при слежении за солнцем и ориентации фотоэлементов в условиях длительного затенения, различного географического местоположения и календарного времени года.

Мобильная энергетическая установка особенно необходима для информационных и бытовых приборов в местах удаленных от крупных населенных поселков, в горных местностях. Мобильные установки могут служить также для питания маломощных двигателей, например, для маломерных судов, когда доставка топлива и других источников энергии затруднительна.

Ориентация солнечных панелей на солнце с помощью устройства автоматического слежения позволяет увеличить суммарный ток фотоэлементов на 80%.

Установка должна размещаться в местах с обилием солнечных дней даже при наличии возможного непрерывного затенения облаками, горами, строениями до 2-3 часов без потери слежения за солнцем. Установка должна быть автономной, перевозимой на сухопутном и морском транспорте.

Разброс углов при развертывании установки на местности, привязки по углам ориентирования относительно начального положения солнца не должно выходить за пределы ± 15o. Далее установка должна работать в автоматическом режиме.

Наибольшая скорость углового вращения солнечных батарей 0, рад/мин в пределах 180o.

Проблема создания автоматизированной солнечной энергетической установки имеет несколько аспектов: это проблема выбора конструкции, эффективных преобразовательных элементов, измерения меняющихся углов положения солнца и автоматического слежения за ним в условиях возможного длительного затенения, проблемы электропривода и углового перемещения панелей с минимальным потреблением энергии, реализации алгоритмов управления.

Наиболее частой помехой для автономной работы солнечной установки является потеря режима непрерывного слежения под влиянием затенения солнца облаками на длительное время (до 2-3 часов).

При затенении солнца установка может оказаться неработоспособной по той причине, что с датчика угловых координат перестают поступать данные о положении солнца, а при появлении солнца угол направления на него превышает пределы диаграммы направленности углового датчика. В этом случае важнейшую роль играют возможности экстраполяции положения солнца на время затенения, а также выбор принципа действия, конструкции углового датчика, его диаграммы направленности, параметров электропривода, типа электродвигателя и других элементов системы слежения.

Экстраполятор служит для выработки сигнала точного слежения в замкнутом режиме и в разомкнутом режиме (на период прерывания при затенении солнца). Экстраполятор существенно влияет на переходные процессы системы. Это необходимо учитывать. В разомкнутом режиме система работает по запомненным сигналам экстраполятора.

Целью работы является разработка эффективных автоматических систем управления мобильных солнечных энергетических установок с минимальным потреблением энергии вычислительных средств в условиях длительного затенения.

В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи.

1. Выбор эффективных фотоэлементов и конструкции солнечных батарей, удобных для транспортировки.

2. Выбор и обоснование базовых механических конструкций для автоматической солнечной установки.

3. Разработка лепестковых датчиков угловых координат солнечной энергетической установки, обеспечивающих надежный режим слежения за солнцем.

4. Формирование диаграмм направленности угловых датчиков с линейной пеленгационной характеристикой в заданном интервале 5. Синтез систем слежения с экстраполяцией при заданных запасах устойчивости.

6. Разработка комбинированной системы управления автоматического слежения за солнцем в условиях длительного затенения.

7. Оценка точности управления и переходных процессов комбинированной следящей системы с разными порядками астатизма.

Выбор наиболее приемлемой системы на всем интервале времени светового дня.

8. Разработка алгоритма и создание программы цифрового управления шаговым приводом следящей системы. Программа включает алгоритм нормировки входного сигнала, функции экстраполятора и корректирующего фильтра шагового привода.

9. Выбор и разработка системы управления шаговым двигателем.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы теория непрерывных и дискретных систем автоматического управления, теория конечных автоматов, программирование на языке Си. Синтезирована конструкция угловых датчиков с заданной линейной диаграммой направленности. Проведены электрические и механические расчеты цифровых и аналоговых элементов автоматики, микропроцессоров и шагового привода, на основе которых синтезирована система в целом.

Моделирование осуществлялось в программе Matlab 7.0.

Научная новизна работы состоит в создании эффективной солнечной мобильной энергетической установки, обеспечивающей электрической энергией бытовые приборы, двигатели малой мощности на суше и для водного малоразмерного транспорта, цифровой автоматической системы управления угловым перемещением батарей солнечных панелей, автономно работающей в условиях длительного затенения с экстраполяцией угловой траектории солнца.

При создании установки получены следующие научные результаты.

1. Повышение эффективности преобразования приемником солнечной энергоустановки на 80% путем реализации слежения за траекторией солнца.

2. Синтез датчиков угловых перемещений с линейной пеленгационной характеристикой в пределах ± 15o.

3. Создание алгоритмов высокоточного управления для системы слежения за солнцем с экстраполяцией траектории движения в условиях непрерывного длительного времени затенения.

4. Создание принципа точного автоматического управления на основе экстраполяции с теоретически бесконечно высоким порядком астатизма. Реально с учетом точности и быстродействия вычислительных средств возможен астатизм системы до пятого порядка. Это подтверждено цифровым моделированием на Matlab 5. Синтез экстраполятора третьего порядка, обеспечивающего точное слежение в замкнутом режиме без затенения солнца и в разомкнутом режиме во время затенения солнца на время до 2,4 часов.

6. Моделирование системы слежения с учетом затенения солнца с различными интервалами времени показывает, что ошибка слежения зависит не только от длительности затенения, но и от времени в течение суток.

Практическая значимость работы заключается:

– в создании эффективной мобильной энергетической установки, обеспечивающей слежение за солнцем в условиях длительного прерывания слежения при затенении солнца облаками при минимальных затратах энергии автоматической системы слежения;

– в создании датчика угловых перемещения с линейной пеленгационной характеристикой в требуемых пределах углов слежения;

– в обеспечении необходимой точности слежения. Заметим, что ошибки слежения имеют место не только за счет переходных процессов начальных условий, но и в результате ошибок слежения при затенении солнца, когда система работает в разомкнутом режиме.

При больших ошибках слежения возможен срыв режима слежения.

Заметим также, что чем выше точность, тем более плавно перемещается блок панелей, следовательно меньше затраты энергии электрического привода, меньше потерь за счет переходных процессов.

Рассмотрены различные виды экстраполяции от первого до шестого порядка включительно, и выбран наилучший вариант.

В нашем случае наиболее точной признана экстраполяция третьего порядка. Моделирование показывает, что при экстраполяции третьего порядка величина ошибки слежения за солнцем без затенения не превышает 0.13 градуса, максимальная ошибка при непрерывном затенении на 2,4 часа составляет 9 градусов.

Полученные результаты использованы в учебных курсах "Теория автоматического управления" и "Локальные системы управления".

Достоверность определяется моделированием в программном пакете Matlab 7.0 системы автоматического слежения с экстраполятором и электроприводом в условиях возможного длительного затенения.

Исследовались системы слежения с астатизмом разных порядков от первого до пятого. Моделирование подтвердило правильность выводов теоретических исследований.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

– синтез автономной, автоматической установки, преобразующей солнечную энергию в электрическую из отдельных устройств. В целом установка достаточно надежна, эффективна и универсальна для использования в отдаленных и горных местностях, а также на маломерных речных и морских судах;

– разработка и обоснование конструкции лепесткового датчика угловых координат. Выбран метод локации солнца с равносигнальной зоной. Параболический лепестковый датчик выполнен из аморфного фоточувствительного материала и жестко укреплен на батареи панелей. Датчик состоит из двух пар симметричных лепестков. Сигналы с них обрабатываются согласно функции отношения разности сигналов от каждого лепестка антенны к их сумме по углу места и по азимуту соответственно. В зависимости от угла отклонения от оптической оси они образуют линейную пеленгационную характеристику в заданных пределах;

– разработка и обоснование экстраполирующих устройств. Эти устройства определяют в значительной степени не только точность работы в замкнутом и разомкнутом режиме в процессе слежения, но и переходные процессы;

– экстраполятор служит для непрерывного слежения в замкнутом режиме и во время прерывания, когда система работает в разомкнутом режиме по запомненным сигналам экстраполятора. В ходе анализа рассмотрены фильтры экстраполяции от второго до шестого порядка с электроприводом. Выбрана экстраполяция третьего порядка. Результат - надежное слежение возможно при непрерывном затенении до 2,4 часа на всем участке времени суток;

– для углового перемещения батарей панелей выбраны трехфазные гибридные шаговые электродвигатели, потребляющие с усилителями мощности по каналам азимута и угла места не более 10% от максимальной электрической мощности батарей фотоприемника;

– научно обоснована логическая система управления шаговых двигателей;

– алгоритм управления реализован на двух микропроцессорах (по азимуту и углу места соответственно). Их энергопотребление незначительно (порядка 100 мА).

Внедрение результатов работы. Все работы по реализации теоретических исследований и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Предлагаемая солнечная установка в паре с аккумуляторами предназначена не только для бытовых целей, но может быть источником для маломощных двигателей на суше и на воде для малогабаритного транспорта. Полученные результаты при моделировании показали, что ошибки слежения даже при затенении на два часа находятся в пределах пяти градусов. Это приемлемая точность.

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

– синтез системы солнечной установки из элементов, отдельных узлов и конструкций;

– разработка комбинированной системы автоматического слежения;

– синтез параболических лепестковых угловых датчиков на принципах равносигнальной зоны с линейной, в заданных пределах, пеленгационной характеристикой;

– формирование контура автоматического слежения солнечной установки в замкнутом и разомкнутом режимах с экстраполятором в условиях длительного затенения при заданных параметрах качества (точности, запасах устойчивости и переходных процессов);

– исследование принципов экстраполяции на основе полиномов высокого порядка (систем с астатизмом 2 6 порядка);

– моделирование системы управления с экстраполяцией разных порядков при длительных, непрерывных затенениях солнца в течение всего светового дня в программе Matlab 7.0;

– синтез цифровой системы управления шагового двигателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика” (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика” (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008г.), Научной сессии МИФИ (Москва, МИФИ, 2007г.), Всероссийской межвузовской научнопрактической конференции “Актуальные проблемы информатизации.

Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем” (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007 г.).

Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 12 опубликованных работах, в том числе 2 статьи в ведущих научных журналах входящих в перечень, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и два приложения. Работа содержит 149 страниц основного текста, включая 68 рисунков, 5 таблиц, а также список используемой литературы из 72 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи данной разработки.

Рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе представлены существующие методы и конструкции солнечных энергетических установок, проанализированы их достоинства и недостатки. В результате выбран физический прототип, на основе которого спроектирована автоматическая солнечная энергетическая установка в условиях возможного длительного, непрерывного затенения.

Автономная установка предназначена для питания информационных, бытовых приборов, для двигателей маломерного судна.

Во второй главе подробно описаны два базовых прототипа солнечных энергетических систем, используемых при создании автономной системы, техническое обоснование структуры системы, выбраны основные элементы солнечной установки на основе экспериментального исследования рабочего тока элемента солнечной батареи в зависимости от угла отклонения направления на солнце от вертикали плоскости солнечных батарей.

Наиболее приемлемой исходной конструкцией признана установка солнечной батареи Буркова Л.Н., защищенная патентом 13.01.2005 года.

Механическая часть этой установки использована в качестве базы для создания автономной, автоматической системы с микропроцессорным управлением.

Установка прототипа состоит из вертикальной стойки, рамы и собственно солнечных батарей.

Панель рамы установлена на центральной стойке и может независимо поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью двух дуг.

Такое выполнение панели расширяет ее технологические возможности: облегчает регулирование угла наклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и механизирует очистку поверхности панели от пыли и атмосферных осадков, ухудшающих качество работы батарей.

Установка другого прототипа «Раскладная солнечная батарея Кирсанова Ю.Д. и др.» может служить прототипом для складной конструкции батарей автономной, мобильной установки.

Она состоит из одинаковых по размеру фотоэлектрических панелей, закрепленных в продольном направлении с промежутком на основе из гибкого материала в обрамлении с возможностью неоднократного складывания в сверток. Каждая фотоэлектрическая панель соединена с основой разъемными средствами фиксации. Обрамление выполнено из продольно и поперечно расположенных накладных элементов, соединенных с основой вдоль сторон фотоэлектрических панелей с возможностью отворота при смене фотоэлектрической панели.

Солнечные батареи панелей могут быть выполнены в трех комплектациях:

– из монокристаллического кремния, – из поликристаллического кремния, – из аморфного кремния.

В данной установке выбран наиболее эффективный солнечный модуль MSW – 100 из монокристаллического кремния, аккумулятор серии 6 GFM-38 Coslight свинцово-кислотный с электролитом, инвертор серии Штиль PS12/300 типа Он–Лайн с синусоидальной формой выходного напряжения, контроллер серии Steca Solarix с широтно-импульсной модуляцией тока заряда, микропроцессор типа AVR ATmega169 и трехфазный гибридный шаговый двигатель серии FL42STH47-1204B.

В третьей главе разработан принцип определения угловых координат и датчик угловых рассогласований для автоматического слежения за солнцем в условиях длительного затенения и других помех. Работа солнечной энергетической установки зависит от положения солнца относительно поверхности панелей с фотоэлектрическими пластинами.

Наибольшая эффективность солнечных батарей достигается, когда солнечные лучи падают на поверхность пластин вертикально, поэтому необходима система автоматического слежения и углового перемещения панелей фотоэлементов. В случае длительного затенения солнца облаками применена экстраполяция углов положения солнца. Угол отклонения от истинного положения солнца не должен выходить за пределы диаграммы направленности антенны. Более того, в целях экономии электроэнергии выгодно иметь высокую точность, чтобы обеспечить плавность перемещения платформы фотоэлементов, исключив нежелательные переходные процессы.

Система автоматического управления содержит антенную систему - датчик угловых рассогласований, экстраполятор и электропривод вращения рамы с фотоэлектрическими панелями и закрепленной антенной.

В качестве входного сигнала системы управления служит угловое положение солнца. Система имеет два независимых канала управления по азимуту и углу места соответственно. Плоская поверхность светочувствительных панелей с жестко закрепленной лепестковой антенной совершает вращательное движение в пределах 180o в течение светового дня с помощью автоматической следящей системы (1).

Функция, имитирующая угловое перемещение солнца имеет вид:

Наиболее благоприятный режим работы установки - непрерывное слежение в замкнутом контуре. В случае затенения солнца используется комбинированный режим слежения. На время затенения замкнутый режим слежения прерывается и включается разомкнутый режим слежения с помощью экстраполяции углового положения солнца на время затенения по запомненным фильтром экстраполяции координатам и ее производным. Когда затенение заканчивается, включается режим слежения по замкнутому контуру. Структурная схема контура управления приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема автоматического слежения солнечной энергетической установки На этом рисунке входной сигнал – положение солнца по углу места (по азимуту), помеха – затенение солнца тучами. В результате автоматическое слежение по замкнутому режиму прерывается. Это имитируется на схеме с помощью блока прерывания.

Датчик сигналов ошибки слежения по углам является одним из основных элементов системы автоматического ориентирования фотоэлектрических панелей энергетической установки в направление на солнце.

В целом задача определения углов является пространственной. Мы ограничимся двумя координатами: по углу места и по азимуту. Важнейшим элементом автоматической системы слежения за положением солнца является антенна – датчик угловых координат по азимуту и углу места соответственно.

Рассмотрим схему суммарно-разностного формирователя ошибки в плоскости (рис. 2(а)). В результате суммирования и вычитания парциальных сигналов антенны uG1 (t ) и uG2 (t ) на выходе формирователя образуются суммарный u (t ) и разностный u (t ) сигналы. Диаграмма направленности формируется с помощью вычислителя – микропроцессора как отношение разностного сигнала к суммарному.

Рис. 2(а). Угломерный датчик в систе- Рис. 2(б). Профиль лепестка Параболическая антенна состоит из четырех одинаковых лепестков – фотоэлементов. На рис. 2(б) показан профиль одного лепестка параболической антенны с параметром р и радиусом раскрытия R. В зависимости от угла падения луча на поверхность фотоэлемента данной гипотетической антенны меняются токи на ее поверхности. Парабола имеет параметр р и радиус раскрытия R. Эффективная площадь фотоэлемента определяется как произведение площади S поверхности фотоэлементов антенны на синус соответствующему данному элементу поверхности угла падения солнечного луча, т.е. если антенна направлена на солнце.

В противном случае угол будет меняться на величину отклонения оптической оси от направления на солнце. Основные требования к пеленгационной характеристике диаграммы направленности - ширина порядка ± (20 25) градусов и линейность в этих пределах. Требование линейности обусловлено применением экстраполяции. Любая нелинейность вносит ошибки в результате экстраполяции. Ширина и область линейности пеленгационной характеристики зависит от диаграммы направленности каждого лепестка, а те, в свою очередь, - от соотношения параметра параболы p и радиуса раскрытия R.

Примем R = 2 p. В общем случае, когда антенна не направлена на солнце, а имеет улол отклонения от оси параболы (от оптической оси антенны), ток, наводимый солнечным светом в фотоэлементе, будет равен:

где S – площадь фоточувствительного элемента, K – чувствительность элемента (размерность – mA, на единицу площади фотоэлемента). Для расчетов эффективной площади необходимо знать углы падения лучей на параболическую поверхность в зависимости от расстояния элемента от центральной точки параболы. Углы падения лучей на поверхность параболы (рис. 2(б)) равны:

Рассмотрим конструкцию антенны более подробно. Параболическая антенна состоит из четырех попарно симметричных лепестков. На рис. 3. представлен лепесток в проекции плоскости раскрыва параболической антенны.

Рис. 3. Проекция лепестка антенны на поверхность раскрыва Для удобства расчетов поверхность лепестка антенны условно разбита на пять полос (рис. 3).

При освещении антенны с направления оптической оси, каждый сектор находится под углом падения лучей n.

Суммируя произведения площадей полос секторов антенны на соответствующие значения функций, согласно формуле (3)для каждого сектора, получим эффективную площадь сектора S эф.n. Суммируя эти площади, получим эффективную площадь лепестка антенны S эф., а затем и диаграмму направленности.

Разность величин сигналов фотоэлементов противоположных лепестков антенны, нормированных суммой этих сигналов, формируют пеленгационную характеристику лепестковой антенны. Она представлена на рис. 4.

Рис. 4. Пеленгационная характеристика углового датчика Угловой датчик выполнен путем напыления аморфного светочувствительного материала на основе, повторяющей профиль параболы и конструктивно крепится на раме панелей фотоэлементов. Размеры его выбираются так, чтобы обеспечить достаточную величину тока фотосинтеза для удовлетворительной работы входного электронного усилителя и аналого–цифрового преобразователя.

Экстраполятор служит для выработки точного слежения в замкнутом режиме и для экстраполяции сигнала во время прерывания. Система в это время работает в разомкнутом режиме по запомненным сигналам экстраполятора. Корректирующий фильтр обеспечивает необходимые переходные процессы и устойчивость контура. Электропривод вращает объект управления с фотоэлектрическими приемниками.

В четвертой главе описан выбор и обоснование электрического привода солнечных батарей. В этой главе рассмотрены электрические параметры и механические характеристики объекта управления - батареи панелей солнечных модулей. Размеры рамы батарей (4,2 2,2) м2. Определены моменты инерции, моменты нагрузки на двигатель; передаточное число редуктора выбрано с учетом механических характеристик и электрических параметров шагового двигателя.

Шаговый двигатель выбран среди других видов двигателей по причине более высокой точности углового перемещения в условиях затенения солнца, когда цифровая система работает в разомкнутом режиме.

В этой главе представлена система цифрового управления шаговым двигателем.

Шаговый двигатель преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Общая схема управления шаговым двигателем показана на блок - схеме рис. 5.

Рис. 5. Схема управления шаговым двигателем Функции входного контроллера выполнены на микропроцессоре и служат для преобразования амплитудно-модулированного сигнала в цифровой форме в сигнал с переменной частотой. Логический блок формирует сигналы управления шаговым двигателем по фазам. Шаговый двигатель осуществляет вращательное движение в форме одношагового отклика на комбинацию импульсов по фазам двигателя, следующим в определенной последовательности. Частота последовательностей комбинаций по фазам определяет скорость пошагового вращения оси двигателя.

Схема двунаправленного движения показана на рис. 6.

Рис. 6(а). Логическая схема управления для трехфазного шагового двигателя, (б). Включение фаз шагового привода На этом рисунке сигнал y=1 – вращение по часовой стрелке, y=0 – вращательное движение против часовой стрелки, т.е. входными сигналами являются xy = x1 и xy = x0. В результате анализа схемы с помощью композиции двух структурных автоматов - JK - триггеров получен обобщенный граф (рис. 7.).

Рис. 7. Граф перемещения импульсов состояний по фазам Состояние Q1Q2 является "запрещенным". Если автомат случайно попадает в это состояние, он автоматически из него выходит.

На этом графе показано вращение по часовой и против часовой стрелки, что подтверждает достоверность утверждения о работе схемы в качестве реверсивной схемы управления вращением ротора двигателя без ошибок и пропуска шагов.

В пятой главе представлено формирование цифровой системы автоматического управления автономной установки, включая экстраполяцию процесса слежения на время затенения солнца.

Экстраполирующее устройство играет важную роль, особенно на период времени затенения солнца, когда сигнал ошибки равен нулю, т.е.

контур фактически разомкнут, а слежение должно продолжаться по сигналам этого устройства.

Экстраполирующее устройство влияет не только на точность слежения в замкнутом и разомкнутом режиме, но также и на переходные процессы, поэтому, когда система анализируется в целом, то учитываются все элементы системы слежения.

Чтобы понять принцип экстраполяции обратимся к дискретным системам с постоянным интервалом дискретности T. Экстраполирующая дискретная следящая система - особый тип системы, на выходе которой воспроизводится непрерывный сигнал, совпадающий в дискретные моменты времени с входным сигналом. В процессе слежения система строит полином, в данном случае выбираем степенной полином Ньютона.

При помощи полинома производится экстраполирование, предсказывание будущего значения входного сигнала. Для генерации полинома обычно применяются интеграторы при их параллельнопоследовательном соединении. Последовательное интегрирование требует введения поправочных коэффициентов вида факториалов. Рассмотрим это на примере полинома третьего порядка.

В отличие от интерполяции, нас интересует поведение сигнала за пределами интервала наблюдения, поэтому постановка задачи несколько изменится. Будем требовать от системы, чтобы выходной сигнал проходил через четыре предыдущие точки (рис. 8.).

Рис. 8. Иллюстрация процесса экстраполяции В момент наблюдения t = 0 в системе возникает ошибка, равная разности между входным и выходным сигналами.

Допустим, что на выходе экстраполирующей системы генерируется сигнал, задаваемый полиномом, который в точности совпадает с входным сигналом g (t ) в моменты времени t T, t 2T, t 3T, t 4T (6), тогда, в соответствии с методом Ньютона имеем полином экстраполяции или При реализации экстраполирующего полинома на интеграторах с коэффициентом усиления К имеем напряжение ошибки.

В результате получена структурная схема экстраполирующей системы, рис. 5, при условии: kТ=1.

Рис. 9. Дискретная экстраполирующая система третьего порядка Передаточная функция разомкнутой системы z ( z + 1) z ( z 2 + 4 z + 1) Передаточная функция замкнутой системы Из этих формул следует, что импульсная переходная функция имеет конечное число импульсов, т.е. система устойчива и имеет астатизм четвертого порядка.

Путем предельного перехода, устремляя Т к нулю, получим В контуре управления с электроприводом одно интегрирование реализуется электродвигателем, поэтому фильтр экстраполяции третьего порядка имеет порядок интегрирования на единицу меньше и равен Аналогично получены экстраполирующие фильтры первого порядка:

и пятого порядка:

В ходе анализа по результатам моделирования были рассмотрены фильтры экстраполяции от второго до шестого порядка в контуре с электроприводом. Переходные процессы приведены на рис. 7. Электропривод представлен апериодическим звеном с интегрированием и ограничением по скорости. Корректирующий фильтр электропривода выбран в виде форсирующего звена со сглаживанием вида В результате устойчивыми системами оказались системы с астатизмом до пятого порядка. Однако приемлемые переходные процессы без длительных колебаний есть только у систем с астатизмом до четвертого порядка включительно. Она показана на (рис. 10).

Рис. 10. Структурная схема моделирования с фильтром экстраполяции На этом рисунке передаточная функция корректирующего фильтра представлена формулой Входной сигнал системы - угловое положение солнца и максимальная ошибка слежения в течении светового дня при непрерывном затенении на 2,4 часа изображен на рис. 11(а) и рис. 11(б) соответственно.

Рис. 11(а). Входной сигнал (угло- Рис. 11(б). Ошибка слежения при Величина ошибки слежения без затенения солнца на всем интервале светового времени не превышает 0.13 градуса.

Наихудшие условия работы - при затенении в интервале времени от 9 часов до 12 часов. Наибольшая ошибка достигает девять градусов (см.

рис. 11(б)).

Частотные амплитудная и фазовая характеристики приведены на рис. 12.

Рис. 12. Амплитудно-фазовые частотные характеристики Из анализа частотных характеристик видно, что запасы устойчивости по фазе - порядка шестидесяти трех градусов и по амплитуде - порядка двадцати децибел.

Перерегулирование составляет порядка 6%, что вполне приемлемо.

В результате анализа пришли к выводу, что система удовлетворительно работает в течение всего светового времени при затенениях солнца до двух часов сорока минут.

Функции экстраполяции и корректирующего фильтра реализуются с помощью микропроцессора AVR Atmega с минимальным набором периферийных средств. Программа алгоритма управления составлена на языке СИ.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и научные результаты.

В приложениях представлены энергетические диаграммы радиации солнца по временам года на различных территориях земного шара и акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Автоматическая ориентация фотоэлементов на солнце позволяет увеличить КПД энергетической установки на 70%. Это служит обоснованием для автоматического слежения за солнцем.

2. Разработан высокоточный угловой датчик слежения за солнцем с линейной пеленгационной характеристикой в пределах рассогласования направлений оптической оси относительно солнца в диапазоне ± 25o при длительном, непрерывном затенении.

3. Разработан метод экстраполяции в непрерывном режиме, позволяющий получить теоретически систему с бесконечно высоким порядком астатизма. Однако практически, при настоящем уровне вычислительных средств по точности и быстродействию, возможна система с астатизмом только до пятого- шестого порядка.

4. В данной работе признана наилучшей система слежения при затенении солнца до двух часов сорока минут с экстраполяцией третьего порядка (с астатизмом четвертого порядка).

5. Точность слежения без затенения солнца - 0.15 град.

6. Максимальная ошибка слежения при непрерывном затенении солнца на два часа сорок минут составляет 9 градусов.

7. Алгоритмы управления реализованы в виде программ на языке СИ с последующей трансляцией в микропроцессор типа AVR.

8. В период времени затенения солнца система работает в разомкнутом режиме слежения по сигналам экстраполятора, поэтому для повышения точности слежения применена цифровая система управления с шаговым двигателем.

9. Электропривод имеет два независимых канала управления (по азимуту и углу места соответственно).

10. Система управления с шаговыми приводами потребляет не более 10% от общей энергии установки.

11. Ток максимальной мощности батареи – 54 А, номинальное напряжение – 12 В.

12. Ориентировочный вес установки с аккумуляторами порядка кг.

13. Максимальная скорость вращения солнечных батарей (в режиме частоты приемистости шагового двигателя) 0.6 рад/мин.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Батырев Е. В., Тхеин Лин У. Лепестковый датчик угловых координат солнечной энергетической установки// «Известия вузов.

ЭЛЕКТРОНИКА, №.4, 2008», C. 72 – 73.

2. Батырев Е. В., Тхеин Лин У. Формирование контура автоматического слежения солнечной энергетической установки// «Научнотехнический журнал “Оборонный комплекс”, №.2, 2009», С. 38–41.

3. Тхеин Лин У. Система управления шагового двигателя для перемещения солнечной рамы энергетической установки// «Научнотехнический журнал “Естественные и технические науки” М.: Издво “Компания Спутник+”, №.1, 2009», С. 292 – 295.

4. Тхеин Лин У. Исследование экстраполирующих дискретных систем// «Микроэлектроника и информатика – 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2007», C. 279.

5. Тхеин Лин У. Измеряемая угломерная система солнечной энергосистемы// «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции. – М.: МИЭТ, 2007», C. 167.

6. Тхеин Лин У. Электропривод угловых перемещений солнечных батарей энергетической установки// «Микроэлектроника и информатика – 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2008», C. 216.

7. Тхеин Лин У. Исследование построения экстраполирующей дискретной системы и анализ динамической точности// «Моделирование, алгоритмизация и программирование при проектировании информационно-управляющих систем: Сборник научных трудов / Под ред, В. А. Бархоткина, - М.: МИЭТ, 2008», C. 46 – 51.

8. Тхеин Лин У. Экстраполирующая следящая система угловых координат солнечной энергетической установки// «НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ – 2008. Сборник научных трудов. В 15 томах.

Т.13. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Электронные измерительные системы. М.: МИФИ, 2008», C. 111.

9. Тхеин Лин У. Формирование контура автоматического слежения солнечной энергетической установки без затенения солнца с помощью экстраполяции// «Научно-технический журнал “Актуальные проблемы современной науки”. М.: Изд-во “Компания Спутник+”, №.1, 2009», С. 126-127.

10. Тхеин Лин У. Формирование системы управления энергоустановки в условиях помех в виде затенения солнца// «Научнотехнический журнал “Техника и технология” М.: Изд-во “Компания Спутник+”, №.2, 2009», С. 30 – 32.

11. Тхеин Лин У. Синтез оптимальной системы управления и электропривода с переменной структурой грузового лифтового транспорта// «Методы и средства экологического мониторинга производств электронной техники: Сборник научных трудов / Под ред. В.И. Каракеяна. – М.: МИЭТ, 2006», C. 216 – 223.

12. Тхеин Лин У. Угломерный датчик в системе слежения за солнцем и принципы его построения// «Научно-технический журнал “Актуальные проблемы современной науки” М.: Изд-во “Компания Спутник+”, №.4,2009», С.338–339.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.