太阳能跟踪系统稳定性研究

太阳能跟踪装置需要在各种复杂环境下进行工作，为了保证其稳定性，增强其适应性，对以步进电机为动力部件的太阳能跟踪系统建立数学模型，并基于Matlab/Simulink平台搭建系统模型并仿真，比较传统PID与模糊PID对外界扰动与转动惯量变化的响应。实验表明，模糊PID有更强的抗干扰能力和稳定性，更适合复杂环境，并为太阳能跟踪控制系统提供了理论依据。

【关键词】太阳跟踪 步进电机 模糊PID控制

太阳能跟踪为了保证跟踪精度多采用步进电机驱动的双轴跟踪，但由于在户外进行作业的时候容易受到风力的影响发生抖动，并且负载端转动惯量也会发生改变。针对以上问题，简单介绍一下跟踪系统的硬件组成，然后通过系统建模在Simulink平台上验证模糊PID控制可以有效避免外界干扰，提高跟踪系统稳定性。

1 跟踪系统

现今的双轴跟踪系统一般由CPU，光电检测模块，驱动执行模块，液晶显示模块，时钟模块等组成。一般的光电检测模块分为上下电压差和左右电压差检测，当出现差值时，驱动相应的步进电机进行动作，达到跟踪目的。

2 系统建模

整个控制系统中，步进电机是核心部件，是追踪的执行装置。所以构建准确的步进电机模型是对跟踪控制系统进行分析研究和仿真的重要基础。

3 模型搭建与仿真分析

3.1 模型搭建

跟踪控制系统采用的模糊PID 控制器为二输入三输出，即以系统给定的太阳方位角与角度传感器反馈的方位角之差作为控制器的偏差输入E和角度的偏差变化率EC为模糊控制器的输入，同时，经过模糊控制器推理得到对PID参数进行补偿的Kp、Ki、Kd为三个输出。在对PID控制系统进行在线的PID参数调节后，确定了参数P=300，I=1，D=0.1。角度传感器对角度的采集范围为-90°～90°，所以方位角偏差输入E的基本论域为[-180 180]，模糊论域选择为[-6 6]。偏差变化率因为采集信号的时间间隔和角度传感器的精度限制，EC的基本论域为[-0.1 0.1]，模糊论域选择为[-0.05 0.05]。输出变量Kp的模糊集论域为[-5 5]，输出变量Ki的模糊集论域为[-0.5 0.5]，输出变量Kd的模糊集论域为[-0.1 0.1]。在控制器的设计过程中，输入输出论域采用7个模糊子集来描述：{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}，并且系统中各个量均选择三角形隶属函数分布。

3.2 仿真与分析

在函数输出阶段，通过信号发生器step1和step2的叠加产生一个持续时间0.01秒的阶跃干扰信号，相当于大风造成的短暂的反馈偏差。由图1可以清楚的看到，PID控制响应速度慢，产生了较大的波动，而模糊PID控制响应速度块对于此种干扰的抗干扰性很强，平稳渡过。

对于整个跟踪系统，由于容易受到外部风力影响，从而改变系统的转动惯量。当转动惯量从变成。从图2中可以看出，PID控制响应速度明显低于模糊PID控制，并且在1S处，有明显的超调现象。

4 结束语

模糊PID控制可以有效提高跟踪系统响应速度，抗干扰能力和稳定性，并为太阳能跟踪控制系统提供了理论依据，展现了智能控制在该系统中有良好的应用前景和使用价值。

参考文献

[1]马立新，张丽萍等.基于模糊算法太阳智能跟踪系统的设计[J].控制工程，2013，7：647-649；

[2]肖云茂.基于模糊PID的步进电机控制技术研究[D].浙江工业大学，2008.

作者单位

辽宁工业大学 辽宁省锦州市 121001