用80C196KC单片机实现太阳跟踪

由于太阳运行位置的变化基本上属于斜坡输入，仅采用比例微分调节器时，闭环系统存在稳态误差ess＝1／K。增大系统的K值可以减小稳态误差，但过大的K值会使系统的无阻尼自然频率接近或大于单片机的采样频率，使系统失去稳定性。积分项虽然可以消除系统的稳态误差，但一定条件下可能导致系统的稳定性变差。

令Z（s）＝1，则原系统的特征方程不变，因而稳定性不发生变化。令上式右端分子的零阶和一阶项的系数为零，则斜坡输入的稳态误差为零。　　

设L（s）＝L0＋L1 s，代入上式右端分子，可得：

由于补偿通道消除了系统的静态误差。主通道不再需要安排积分环节消除稳态误差，成为比例微分控制，有利于系统的稳定性。对于不同的被控对象，可以选用不同的L1、k1和Td值，使系统的稳定性和动态特性得到保证。这种参数的调整非常简便，体现了数字控制的优越性。

对图4虚框中的传递函数离散化时，可以将微分项用后向差分代替，算法非常简单。采用足够小的采样周期时，可以保证离散化后的系统不会失去稳定性。单片机采用12MHz晶振时，定时器1溢出的周期约为87ms，具有50多万个状态周期［4］，足以完成简单的计算任务，而太阳在这样短时间内的位置移动可以忽略不计。因此用定时器1溢出的周期作为采样周期有以下优点：

1）可以满足计算任务。对于试验系统的时效分析表明，控制计算所用的机时不及总机时的15％；

2）当选取系统总增益K，使闭环系统的无阻尼自然频率不高于1Hz时，可以使离散化方法保持稳定和达到足够的精确度。对系统的逻辑分析结果表明了系统的稳定性和精度。

3　校正系统

上述计算机控制系统虽然有很高的精确度，但是系统的位置反馈量仍然有可能产生误差。而且由于位置反馈量的增量式算法，这种误差不能通过编码器检测出来，因此可能形成累积误差。这种累积误差可以通过光学传感器提供的偏差信号来进行校正。

由于扰动的存在，偏差信号总是会有所波动，如果一旦偏差信号不为零就进行校正，则使系统变为了传感器控制，与模拟系统相比不具备任何优势。对修正后的偏差信号设定一个死区，可以大大的减小偏差信号的波动对系统的影响，增加系统的稳定性，系统的跟踪精度可以通过设定死区大小来保证。当经修正的偏差信号大于某给定值，即超出死区范围，且传感器B给出的参考信号反映的直射辐射强度不低于某一阈值时，启动误差校正程序。设定阈值的目的是为了使系统在太阳直射辐射太弱，即太阳被遮挡时，不启动校正过程，避免了多云天气盲目跟踪云层边沿的亮斑。校正过程分两步实现：

1）用光学传感器偏差信号代替图4中的位置量反馈误差E（s），组成反馈环，使偏差信号趋于0。

2）当偏差信号达到零时，对输出位置量赋值，使输出位置量等于期望位置量，同时切换回原来的反馈系统，完成校正过程。

由于系统结构没有发生变化，因此上述第一步形成的闭环控制系统稳定性不会发生变化。

4　结　论

1）可以利用单片机实现成本较低的数字化太阳跟踪系统。

2）虽然经过简化，在太阳跟踪控制中，单片机系统具备较好的稳定性，并能够达到相当好的精确度，同时具备模拟系统不具备的灵活性。

3）利用光学传感器，单片机系统可以实现位置的自动调整。

参考文献

［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］　孙涵芳．Intel16位单片机［M］．北京：北京航空航天大学出版社，1999．