技術領域：

本發(fā)明涉及太陽能發(fā)電技術領域，具體涉及基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)及方法。

背景技術：
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太陽能是一種無污染、無噪聲、無公害的可再生能源，目前開發(fā)利用太陽能的方式很多，光伏發(fā)電是其中一種主要的利用方式。傳統(tǒng)太陽能跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)視日運動軌跡跟蹤。

光電跟蹤是由光電傳感器件根據(jù)入射光線的強弱變化產生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整采光板的角度實現(xiàn)對太陽的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點是靈敏度高，結構設計較為方便。視日運動軌跡跟蹤的優(yōu)點是能夠全天候實時跟蹤，采用視日運動軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現(xiàn)對太陽的全天候跟蹤。

光電跟蹤控制系統(tǒng)的缺點是受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，會導致跟蹤裝置無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機構的誤動作。對于視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)的缺點是該控制系統(tǒng)為開環(huán)控制，在太陽位置參數(shù)計算出現(xiàn)錯誤或出現(xiàn)誤差時，無法及時矯正太陽能組件的位置；同時，視日運動軌跡的計算時間和太陽位置參數(shù)時會存在累計誤差，該累計誤差程序無法有效進行消除。同時當天氣出現(xiàn)8級以上大風時，無法有效保護太陽能組件安全，可能會出現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)機械結構損壞等情況發(fā)生。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有的技術缺陷，提供一種基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)及方法，通過引入雙模糊控制器結構模糊控制算法，可使用極少數(shù)的模糊規(guī)則生成較繁雜龐大的非線性函數(shù)，具有計算效率高、輸出連續(xù)性、不但能夠將線性系統(tǒng)理論知識很好的結合而且非常適合數(shù)學分析。通過學習訓練跟蹤系統(tǒng)的多個輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸入變量到輸出變量的線性或非線性映射，并在得出該映射關系后給出雙軸電機定位的估計值。確?？刂扑惴ǜ咝?、跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及設備低維護成本。

本發(fā)明所要解決的技術問題采用以下的技術方案來實現(xiàn)：

基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：包括風速檢測模塊、光強檢測模塊、組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊、組件當前位置檢測模塊、當前時間獲取模塊、光強比較模塊、發(fā)電功率計算模塊、發(fā)電功率比較模塊、太陽高度角和方位角計算模塊、組件位置與太陽位置角度比較模塊、雙模糊結構模糊控制器和組件雙軸電機驅動模塊；所述的風速檢測模塊將檢測信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；所述的光強檢測模塊檢測信號通過光強比較模塊進行與前一光強進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；所述的組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊檢測的信號輸入到發(fā)電功率計算模塊計算出發(fā)電功率后，再將信號發(fā)送到發(fā)電功率比較模塊進行前一發(fā)電功率比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；所述的當前時間獲取模塊通過太陽高度角和方位角計算模塊計算出太陽高度角和方位角，然后結合組件當前位置檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)信號通過組件位置與太陽位置角度比較模塊進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；雙模糊結構模糊控制器計算后再將信號輸入到組件雙軸電機驅動模塊進行自動跟蹤控制。

基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤方法，其特征在于：包括以下步驟

信號檢測：通過風速檢測模塊、光強檢測模塊、組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊、組件當前位置檢測模塊、當前時間獲取模塊分別檢測出風速、光強、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、組件當前位置和時間數(shù)據(jù)；

信號計算并輸入：風速檢測數(shù)據(jù)雙模糊結構模糊控制器；光強檢測數(shù)據(jù)與前一光強進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；通過發(fā)電電壓和發(fā)電電流檢測數(shù)據(jù)計算出發(fā)電功率后，再將數(shù)據(jù)前一發(fā)電功率比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；通過太陽高度角和方位角計算模塊計算出太陽高度角和方位角，然后與當前位置數(shù)據(jù)進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；

雙模糊控制器算法設計：采用雙模糊控制結構以及典型的雙輸入、單輸出方式，將電組件位置設定值與組件位置反饋值之間的誤差e及變化率ec作為輸入量，將組件位置控制量u作為輸出量；

雙模糊控制的策略：將誤差e、變化率ec及輸出量u的論域設置，將其量化為若干個等級，并分別為誤差e、變化率ec、輸出量u選取多個語言值。

所述的雙模糊控制器設計，人為設置一個誤差臨界值完成雙?？刂魄袚Q；在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子kec、ku相對較小的kec1、ku1模糊控制器，以實現(xiàn)快速響應，消除誤差的目的；在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差較小，使用系統(tǒng)因子kec、ku增加的kec2、ku2模糊控制器。

所述的雙模糊控制的策略將誤差e、變化率ec及輸出量u的論域設為[-6，6]，將其量化為13個等級，并分別為誤差e、變化率ec、輸出量u選取7個語言值。

所述的雙模糊控制的策略事先根據(jù)模糊控制規(guī)則表及語言變量賦值表，離線計算出模糊控制總表，經嚴格的實踐檢驗和反復修改后存放在單片機的程序存儲器中；然后根據(jù)輸入量e及ec在不同工作狀態(tài)的實際變化范圍及其論域，計算出量化因子ke1、kec1和ke2、kec2，并確定出比例因子ku1和ku2；實際控制時，模糊控制器把系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的輸入量e及ec分別乘以相應的ke、kec，并量化到輸入量的語言變量論域中，再根據(jù)量化的結果與模糊控制總表進行比較，通過查表程序得到所需的輸出量u，最后乘以ku，得到系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的實際輸出控制量u。

所述的誤差e、變化率ec、輸出量u的奴隸度函數(shù)采用梯形分布。

本發(fā)明用于太陽能光伏發(fā)電及其相關設備。通過使用本發(fā)明中所述的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，可實現(xiàn)太陽能組件發(fā)電效率的大幅提升，實現(xiàn)太陽能組件在惡劣環(huán)境下的保護機制，實現(xiàn)太陽能組件的實時定位以保證獲取太陽光的最佳直射角度，以便于提高太陽能組件的發(fā)電效率高達41.34％。1.添加風速檢測、光強檢測、組件位置檢測、太陽能組件發(fā)電電壓以及電流檢測等控制系統(tǒng)的多個控制條件，有效排除外部環(huán)境對跟蹤系統(tǒng)的干擾，提高太陽能組件的定位精度。

本發(fā)明風速檢測是通過風速傳感器檢測當前天氣的風速值，用于太陽能組件在風速過大時的組件保護控制；光強檢測是通過光敏傳感器來獲取當前太陽能組件所接受太陽光的光強，用于雙模糊控制器的模糊控制計算中；組件位置檢測是通過兩個傾角傳感器來分別檢測組件水平方向和垂直方向的的當前角度值，用于模糊控制器中計算雙軸電機定位計算；太陽能組件發(fā)電電壓和電流使用過ad模塊收集當前組件的電壓電流值，用于計算當前組件的發(fā)電功率，并將該功率值與前一功率值進行比較，將其結果輸送給模糊控制器進行模糊計算。

雙模糊太陽能跟蹤控制器的軟件采用模塊化設計思想，主要包括主程序、信號采集程序(其中包括風速檢測、光強檢測、組件發(fā)電電壓和電流檢測、組件當前位置檢測以及獲取當前時間程序)、太陽高度角和方位角計算模塊、組件發(fā)電功率計算模塊、模糊控制算法程序以及組件雙軸電機驅動模塊等。

本發(fā)明的有益效果是：

1、有效的消除外部環(huán)境對組件跟蹤系統(tǒng)定位的影響；

2、組件在惡劣環(huán)境下得到了有效地保護；

3、有效消除了由于時間、經緯度等誤差引起的組件定位誤差；

4、雙模糊控制器保證了組件在定位控制過程中，實現(xiàn)了智能判斷并選擇合理有效地定位參數(shù)，完成精準定位；

5、有效地減少了跟蹤系統(tǒng)的維護成本。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明雙模糊機構的模糊控制器示意圖。

圖3為本發(fā)明誤差e、變化率ec、輸出量u的隸屬度函數(shù)。

具體實施方式：

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作新特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，包括風速檢測模塊、光強檢測模塊、組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊、組件當前位置檢測模塊、當前時間獲取模塊、光強比較模塊、發(fā)電功率計算模塊、發(fā)電功率比較模塊、太陽高度角和方位角計算模塊、組件位置與太陽位置角度比較模塊、雙模糊結構模糊控制器和組件雙軸電機驅動模塊；風速檢測模塊將檢測信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；光強檢測模塊檢測信號通過光強比較模塊進行與前一光強進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊檢測的信號輸入到發(fā)電功率計算模塊計算出發(fā)電功率后，再將信號發(fā)送到發(fā)電功率比較模塊進行前一發(fā)電功率比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；當前時間獲取模塊通過太陽高度角和方位角計算模塊計算出太陽高度角和方位角，然后結合組件當前位置檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)信號通過組件位置與太陽位置角度比較模塊進行比較后將信號輸入到雙模糊結構模糊控制器；雙模糊結構模糊控制器計算后再將信號輸入到組件雙軸電機驅動模塊進行自動跟蹤控制。

控制系統(tǒng)的輸入信號部分包括風速檢測、光強檢測、組件位置檢測、太陽能組件發(fā)電電壓和電流檢測等。風速檢測是通過風速傳感器檢測當前天氣的風速值，用于太陽能組件在風速過大時的組件保護控制；光強檢測是通過光敏傳感器來獲取當前太陽能組件所接受太陽光的光強，用于雙模糊控制器的模糊控制計算中；組件位置檢測是通過兩個傾角傳感器來分別檢測組件水平方向和垂直方向的的當前角度值，用于模糊控制器中計算雙軸電機定位計算；太陽能組件發(fā)電電壓和電流使用過ad模塊收集當前組件的電壓電流值，用于計算當前組件的發(fā)電功率，并將該功率值與前一功率值進行比較，將其結果輸送給模糊控制器進行模糊計算。

基于單片機模糊控制算法的太陽能自動跟蹤方法，包括以下步驟

信號檢測：通過風速檢測模塊、光強檢測模塊、組件發(fā)電電壓檢測模塊、組件發(fā)電電流檢測模塊、組件當前位置檢測模塊、當前時間獲取模塊分別檢測出風速、光強、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、組件當前位置和時間數(shù)據(jù)；

本模糊控制器采用雙模糊控制結構以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2所示。將電組件位置設定值與組件位置反饋值之間的誤差e及變化率ec作為輸入量，將組件位置控制量u作為輸出量。由于系統(tǒng)在不同的控制狀態(tài)下存在大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設計，將使系統(tǒng)的快速響應及控制精度之間存在矛盾，兩者無法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設計，并人為設置一個誤差臨界值完成雙?？刂魄袚Q。在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子kec、ku相對較小(如kec1、ku1)的模糊控制器1，以實現(xiàn)快速響應，消除誤差的目的；在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差較小，使用系統(tǒng)因子kec、ku適當增加(如kec2、ku2)的模糊控制器2，以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖2所示，雙模糊機構的模糊控制器。

雙模糊控制的策略

考慮溫度控制的特點，將誤差e、變化率ec及輸出量u的論域設為[-6，6]，將其量化為13個等級，并分別為誤差e、變化率ec、輸出量u選取7個語言值，即{nl，nm，ns，zo，ps，pm，pl}。三者的隸屬度函數(shù)均采用梯形分布，如圖3所示。根據(jù)對工業(yè)過程控制的經驗總結，制定相應的模糊控制規(guī)則表如表1所示。圖3誤差e、變化率ec、輸出量u的隸屬度函數(shù)。

表1模糊控制規(guī)則表：

為提高系統(tǒng)的實時響應速度，事先根據(jù)模糊控制規(guī)則表及語言變量賦值表，離線計算出模糊控制總表，經嚴格的實踐檢驗和反復修改后存放在單片機的程序存儲器中。然后根據(jù)輸入量e及ec在不同工作狀態(tài)的實際變化范圍及其論域，計算出量化因子ke1、kec1和ke2、kec2，并確定出比例因子ku1和ku2。實際控制時，模糊控制器把系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的輸入量e及ec分別乘以相應的ke、kec，并量化到輸入量的語言變量論域中，再根據(jù)量化的結果與模糊控制總表進行比較，通過查表程序得到所需的輸出量u，最后乘以ku，得到系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的實際輸出控制量u。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。