高精度双轴跟踪系统设计方法

高精度双轴太阳能跟踪控制系统的设计张双华;文小玲;邵鹏程;陈立明【摘要】A solar tracking photoelectric sensor was designed and an optimization method of hybrid tracking control strategy was proposed for improving solar energy utilization in general photovoltaic power generation system. The system adopts a tracking mode combining time control with photoelectric control. The controller integrates and processes the real-time data of the sensor,converts the deviation angles of pitch and azimuth into some pulse width modulation,thereby drives the stepping motor to make the solar panel in a vertical position with the sun's rays. The experimental results showed that the designed photoelectric detection module could accurately track the position of the sun,and the optimized hybrid tracking control strategy not only reduced the system power consumption,but also improved the tracking accuracy. The entire system finally achieved the goal of maximum utilization of solar energy.%针对一般光伏发电系统中存在的太阳能利用率较低的问题,设计了一种太阳能跟踪光电传感器,并提出了一种混合跟踪控制策略的优化方法.系统采用时控和光控相结合的跟踪模式,通过控制器整合处理传感器的实时数据,将俯仰和方位两个维度的偏差角度转换成一定数量的PWM脉冲,从而驱动步进电机使太阳能电池板与太阳光线呈垂直姿态.实验测试结果表明:所设计的光电检测传感器模块可以准确地跟踪太阳方位,采用优化的混合跟踪控制策略不仅降低了系统功耗,而且提高了跟踪精度,整个系统最终实现了太阳能利用率最大化的目标.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】5页(P315-319)【关键词】太阳能;时控跟踪;光控跟踪;光电传感器;单片机【作者】张双华;文小玲;邵鹏程;陈立明【作者单位】武汉工程大学电气信息学院,湖北武汉 430205;武汉工程大学电气信息学院,湖北武汉 430205;湖北省视频图像与高清投影工程技术研究中心,湖北武汉 430205;;武汉工程大学电气信息学院,湖北武汉 430205;武汉工程大学电气信息学院,湖北武汉 430205【正文语种】中文【中图分类】TM615随着化石能源的逐渐枯竭，环境问题日益严重，很多国家都致力于新能源的开发，而太阳能以其独特的优势成为现有的新型替代能源［1-3］。

摘要高精度转台在军事、航天航空、光电领域等得到越来越广泛的应用。

转台伺服系统一般是由转台机械本体和运行控制系统等构成，是雷达、坦克、射电天文望远镜等装备的重要组成部分。

主要性能指标包括系统的响应速度、低速运行平稳度和跟踪精度、抗干扰能力等。

本文以某双轴跟踪转台为研究对象，对其进行稳定跟踪控制算法的研究。

因为摩擦、齿隙、机械形变等扰动因素的存在使得双轴跟踪转台系统具有非线性的特点，滑模变结构控制算法对非线性系统有着较好的控制效果，本文设计的基于积分型切换增益的滑模变结构控制方法能保证控制系统的跟踪稳定性并且有较好的摩擦干扰抑制能力。

本文的主要内容是研究双轴跟踪转台的系统稳定跟踪控制问题，具体的工作如下：第一，通过机理模型建立双轴转台系统的单轴数学模型，同时对摩擦扰动进行LuGre模型的数学模型建立，并且根据坐标变换得到转台双轴联动的数学模型，这些工作为后续控制算法的构建和仿真模型奠定了基础。

第二，本文针对双轴跟踪转台的结构，基于RTU-BOX实时仿真平台开发了包含上位机的实时控制系统。

通过以太网通信实现串口通讯，实时数据读取、保存双轴跟踪转台系统的转速，为后续的LuGre模型参数辨识和控制算法做好实验准备。

第三，根据所建立的双轴跟踪转台伺服系统模型，设计了PD控制算法、基于趋近律算法的滑模控制算法和基于积分型切换增益的滑模控制算法对双轴跟踪转台的稳定控制和稳定跟踪问题进行研究。

其中，基于积分型切换增益的滑模控制算法不仅对摩擦扰动的抑制能力更强，而且鲁棒性更好。

Simulink仿真和RTU-BOX实时仿真结果证明了本文提出方法的有效性。

本文获得国家自然科学基金项目复杂电机系统关键基础问题研究51637001和国家自然科学基金青年基金( 51507001)的资助。

关键词：双轴跟踪转台，LuGre摩擦模型，滑模控制，实时仿真AbastractHigh-precision turntables have become more and more widely used in military, aerospace, and photovoltaic fields. The turntable servo system is generally composed of the turntable mechanical body and operation control system, etc. It is an important part of equipment such as radar, tanks, and radio astronomical telescopes. The main performance indicators include the system's response speed, low-speed operation stability and tracking accuracy, anti-interference ability, etc. In this paper, a dual-axis tracking turntable is taken as the research object, and the stable tracking control algorithm is studied. Because of the existence of disturbance factors such as friction, backlash, mechanical deformation, etc., the dual-axis tracking turntable system has nonlinear characteristics, and the sliding mode variable structure control algorithm has a better control effect on the nonlinear system. The sliding mode control method can ensure the tracking stability of the control system and has better interference suppression ability.The main content of this article is to study the system stability tracking control problem of dual-axis tracking turntable. The specific work is as follows:Firstly, the single-axis mathematical model of the dual-axis turntable system is established through the mechanism model, and the mathematical model of the dual-axis linkage of the turntable is obtained according to the coordinate transformation. At the same time, the mathematical model of the LuGre model for friction disturbance is established. These work are the construction of subsequent control algorithms And the simulation model laid the foundation.Secondly, this paper develops a real-time control system including a host computer for the structure of a dual-axis tracking turntable based on the RTU-BOX real-time simulation platform. Serial communication is realized through Ethernet communication, real-time data is read, and the rotation speed of the dual-axis tracking turntable system is saved, so that itis ready for the experiment of subsequent LuGre model parameter identification and control algorithm.Thirdly, based on the established dual-axis tracking turntable servo system model, the PD control method, sliding mode control method based on approach law method and sliding mode control method based on integral switching gain are designed to stabilize the dual-axis tracking turntable and stability tracking issues. Among them, the sliding mode control method based on integral switching gain not only has stronger ability to suppress friction disturbance, but also has better robustness. Simulink simulation and RTU-BOX real-time simulation results prove the effectiveness of the proposed method.This thesis was supported by the National Natural Science Foundation of China 51637001, a study on key basic problems of complex motor systems and the National Natural Science Foundation of China Youth Fund (51507001).Key words: Dual-axis tracking turntable, LuGre friction model, Sliding mode control, Real-time simulation目录第一章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2 国内外双轴转台伺服系统的研究现状 (3)1.3 论文主要研究内容 (5)第二章双轴跟踪转台系统建模 (7)2.1 摩擦模型简介 (7)2.1.1 Stribeck摩擦力的基本原理简介 (7)2.1.2 LuGre摩擦模型 (9)2.1.3 LuGre模型参数的辨识设计 (10)2.2 双轴跟踪转台的数学模型 (13)2.2.1双轴系统的动力学建模 (15)2.3 本章小结 (21)第三章双轴跟踪转台硬件结构和控制系统 (22)3.1 系统硬件介绍 (22)3.2 RTU-BOX实时仿真控制系统 (26)3.3 本章小结 (29)第四章基于趋近律方法的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (30)4.1 滑模变结构控制基本原理 (30)4.2 基于趋近律方法的滑模变结构控制器设计 (32)4.3 稳定性证明 (33)4.4 仿真结果分析 (34)4.4.1 基于PD模型的仿真模型 (34)4.4.2 基于趋近律方法的滑模控制器的摩擦补偿仿真模型 (34)4.5 本章小结 (38)第五章基于积分型切换增益的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (39)5.1 具有积分型切换增益的滑模控制器设计 (39)5.2 稳定性证明 (40)5.3 仿真结果分析 (40)5.4 RTU-BOX实时仿真结果分析 (43)5.5 本章小结 (46)总结与展望 (47)总结 (47)工作展望 (47)参考文献 (49)致谢 (53)攻读学位期间发表的学术论文 (54)安徽大学硕士学位论文1 第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义转台系统的发展不断受到世界各国的重视。

太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究太阳能是一种清洁、可再生的能源，越来越多的人开始关注和使用太阳能发电系统。

太阳能发电系统中，太阳能电池板的角度对能量转换效率影响很大。

为了使太阳能电池板能够始终面向太阳，保持最佳角度，研究和设计太阳能双轴自动跟踪系统是非常必要的。

首先，系统设计方面。

太阳能双轴自动跟踪系统主要由太阳能电池板、运动控制系统和传感器系统组成。

太阳能电池板负责转换太阳能为电能，是整个系统的核心部件。

运动控制系统根据传感器系统实时采集到的太阳位置数据，控制太阳能电池板的角度调整。

传感器系统包括光敏传感器和方位传感器，负责检测太阳的位置并将数据传输到运动控制系统。

在太阳能双轴自动跟踪系统的研究中，需要考虑以下几个问题。

首先是数据采集问题。

传感器系统需要实时采集太阳的位置数据，以便运动控制系统进行调整。

传感器系统应该具备高精度、快速响应的特点，以确保数据的准确性和系统的灵敏度。

其次是运动控制问题。

运动控制系统需要精确地控制太阳能电池板的角度调整，以达到最佳转换效率。

运动控制系统应该具备稳定性和高精度的特点，以确保太阳能电池板能够准确地跟踪太阳的位置。

此外，系统的安全性和稳定性问题也需要考虑。

例如，对于极端天气条件下的系统运行，系统应该具备抗风、抗雨和抗震能力。

太阳能双轴自动跟踪系统的研究还可以从以下几个方面展开。

首先是材料和结构的研究。

太阳能电池板的材料和结构对于系统的效率和稳定性有着重要影响。

通过研究和优化太阳能电池板的材料和结构，可以提高系统的效率和稳定性。

其次是算法和控制的研究。

根据实时采集到的太阳位置数据，运动控制系统需要精确地计算调整角度，并控制太阳能电池板的运动。

通过研究和优化算法和控制策略，可以提高系统的精度和响应速度。

综上所述，太阳能双轴自动跟踪系统的设计与研究非常重要。

通过合理设计系统的结构和算法，并优化材料和控制策略，可以提高太阳能发电系统的转换效率和稳定性。

这将对太阳能发电系统的普及和应用起到积极的促进作用，推动可持续能源发展。

效率与精度并重的基于PLC控制的料盘双轴定位系统设计方案1. 系统设计方案概述基于PLC（可编程逻辑控制器）控制的料盘双轴定位系统旨在实现高效和精确的料盘定位操作。

该系统的设计方案包括硬件选型、PLC程序设计和系统调试等方面。

2. 硬件选型在设计料盘双轴定位系统时，我们需要选择适合的硬件设备。

首先，我们需要选择适合的PLC控制器，该控制器应具备足够的处理能力和稳定性来执行定位操作。

其次，我们需要选择适合的驱动器和电机来控制料盘的双轴定位。

根据系统的要求，我们可以选择步进电机或伺服电机作为驱动器。

同时，我们需要选择适合的传感器来检测料盘的位置。

3. PLC程序设计PLC程序设计是料盘双轴定位系统设计的核心部分。

在程序设计过程中，我们需要考虑以下几个方面：(1) 定位算法：根据系统的需求，我们可以采用不同的定位算法，如位置PID 控制算法或者闭环控制算法，来实现高精度的定位。

(2) 运动控制：通过控制驱动器和电机，PLC程序可以实现料盘的双轴定位操作。

我们需要编写合适的程序来控制电机的加减速过程，以及设定目标位置和速度等参数。

(3) 故障处理：在系统运行过程中，我们需要考虑异常情况的处理。

如电机过载、传感器故障等情况，我们需要编写相应的程序来进行故障检测和处理，以确保系统的稳定性和可靠性。

4. 系统调试系统调试是确保设计方案实施成功的关键步骤。

在调试过程中，我们需要验证系统的性能和功能是否符合设计要求。

具体步骤包括：(1) 确保硬件设备连接正确，例如PLC控制器与电机、传感器的连接。

可以通过连接状态指示灯来进行验证。

(2) 编写简单的测试程序，根据设定的目标位置和速度，观察料盘是否能够准确到位，并记录误差值。

根据误差值，进行参数的调整和优化。

(3) 检测系统的动态响应性能，如加减速过程是否平稳、转动是否平滑等。

可以通过实际动作和传感器数据进行观察和分析。

(4) 如果存在故障情况，可以使用PLC编程软件的调试功能进行逐行调试，以确定故障的原因，并进行修复。

光伏发电双轴智能跟踪系统设计摘要：随着经济与技术的共同发展，人们对于能源的需求越来越大，使得目前对于能源的消耗量逐渐增长，但是目前大多数能源还都是采用以往的化石燃料焚烧的方法来都得到。

因此，为了能够使得能源进行一定的优化与改善，就需要不断的探索并开发出新能源。

通过光伏发电双轴智能跟踪系统的应用，能够有效的实现将太阳能转化为电能，在该系统中采用了单片机、锂电池、光电传感器、电机等设备，通过这些设备的应用能够实现智能化的跟踪光源，充分的获取所需的太阳能，并将其合理的利用，有效的发挥该系统的作用。

本篇文章就对于光伏发底单双轴智能跟踪系统进行研究与分析，从而促进该系统的推广与应用，实现新能源的开发与应用。

关键词：光伏发电；智能跟踪系统；在光伏发电的实际应用过程中，其太阳能的有效利用成为了一大难题，因此，为了能够有效的获取充足的太阳能，并且提高电能生产的效率，需要对发电效率以及光能的获取这两项内容进行研究与分析。

对于地球而言，其每个地方所受到太阳照射的时间、程度都是不一样的，且其变化的速度非常快。

因此，为了能够保证光伏发电能够不受该问题的影响，能够获取充足的光能，需要设计出一种特殊的光伏发电系统，并且保证该系统的应用过程中太阳的位置光能发电板的位置能够相互匹配，提高光能的收集效率。

根据相关的研究发现，采用追踪模式能够有效的追踪光能的位置，从而提高光能获取的效率，因此光伏发电双轴智能跟踪系统的研发与应用是非常必要的。

1双轴智能跟踪系统的作用原理在双轴智能跟踪系统的应用过程中，需要相关设备及装置的支持，其中双轴智能跟踪装置发挥重要的作用，在该装置的内部通过应用两个同种类型的电机，能够实现对于高度以及角度的控制，从而保证光伏发电所使用的发电板能够时刻与太阳照射之间的角度保持在90度，在应用的过程中电机通过旋转来时刻的追踪太阳位置的变化情况。

在光伏发电双轴智能跟踪系统中还会利用光电传感器设备，通过该设备的应用能够有效的将光信号转化为电信号。

太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究摘要：随着能源危机的深化和环境保护意识的增强，太阳能作为一种清洁可再生能源得到了广泛关注和应用。

太阳能发电系统中，太阳能电池板的跟踪器是提高发电效率的重要组成部分。

本文设计并研究了一种太阳能双轴自动跟踪系统，通过对其结构、原理、控制算法和实验测试的分析，验证了其良好的跟踪性能和高效的发电能力。

关键词：太阳能；双轴自动跟踪系统；发电效率；控制算法1. 引言太阳能作为一种绿色、清洁、可再生的能源，受到了广泛的关注和应用。

然而，太阳能电池板在没有跟踪系统的情况下，其发电效率会受到太阳高度角和方位角的限制，造成太阳能的浪费。

因此，研究并设计一种高效、稳定的太阳能双轴自动跟踪系统具有重要意义。

2. 太阳能双轴自动跟踪系统的结构和原理太阳能双轴自动跟踪系统主要由电机、转轴、太阳能电池板和控制系统等组成。

其原理是通过不同天文数据和传感器的反馈，实时测量太阳位置，并通过控制系统将太阳能电池板按照最佳角度面向太阳，以提高发电效率。

3. 控制算法设计与实现为了实现太阳能双轴自动跟踪系统的高效工作，本文采用了基于PID控制算法。

该算法通过测量太阳位置与目标角度的偏差，计算出控制信号，通过电机驱动系统实现太阳能电池板的跟踪运动，并实时校准参数以提高系统的稳定性和精度。

4. 实验测试与结果分析为了验证太阳能双轴自动跟踪系统的性能，进行了一系列实验测试。

结果表明，该系统具有优异的跟踪性能和高效的发电能力。

与不同太阳能电池板跟踪方式相比，本系统的发电效率提高了20%以上，能更好地吸收和利用太阳能。

5. 总结与展望本文设计并研究了一种太阳能双轴自动跟踪系统，通过对其结构、原理、控制算法和实验测试的分析，验证了其良好的跟踪性能和高效的发电能力。

然而，目前还存在一些问题，如成本高、零部件寿命较短等。

因此，未来的研究方向包括提高系统的稳定性、降低成本、延长零部件寿命等，以进一步推动太阳能双轴自动跟踪系统的应用和发展综上所述，本文设计并研究了一种基于太阳能双轴自动跟踪系统，通过对其结构、原理、控制算法和实验测试的分析，验证了其良好的跟踪性能和高效的发电能力。

双轴智能跟踪系统设计探析0 引言中国有着十分丰富的太阳能资源，光伏发电由于其能源的可再生以及洁净度成为主流的发电手段。

光伏发电利用构成光伏电池的半导体器件的光伏效应，吸收太阳光辐射能，将太阳能直接转化为电能，但太阳能接收器采用固定采光模式，导致太阳能利用率不高，发电量低、成本高。

太阳能接收器跟踪精度低，或自身跟踪机构复杂且能耗大，造成太阳能接收效率不高，甚至出现入不敷出的现象。

国内外研究机构大多从检测技术和控制技术角度出发，采用新型控制构架，优化控制算法，提高跟踪精度。

研制高精度、自身能耗又很小的太阳能发电跟踪装置很有必要。

本文主要针对太阳的空间位置随时间和空间的变化行为，开发出一种适合不同地域和场所光伏发电跟踪系统，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终垂直太阳光线，提高光伏系统发电效率[1]。

1 光伏发电系统智能跟踪方案设计1.1 光伏发电原理光伏发电原理是太阳能电池半导体材料吸收太阳辐射，在光线照射下发生光电转换效应，将光能转变为电能。

光伏发电装置就是由多片太阳能电池串联起来，再进行封装以及功率控制器件构成的[2]。

太阳能发电有光—热—电和光—电直接转换两种转换方式[3-4]。

1.2 光伏发电系统智能跟踪方法设计太阳跟踪器主要是为了满足太阳能光伏电池组阵列跟随太阳空间位置的变化，实时跟踪太阳，使太阳能电池阵列与太阳保持垂直，接收到太阳辐射能量达到最大，以提高太阳能的转化效率为基本的目的。

本文设计了基于太阳轨迹的分时间歇式控制方式和光电传感器连续跟踪相结合的跟踪方式，每一次调节过程先根据当地地理纬度和太阳位置模型计算太阳轨迹，获得各时刻太阳与当地倾角，对东西向进行每小时一次的角度改变，南北向进行每天一次的角度改变，分时对太阳能电池板角度粗调，再采用光电跟踪方式，根据光敏传感器检测到的光强偏差信号，对太阳能电池板细调，保证太阳能电池板实时正对太阳，获得最大光强。

系统带有限位行程开关，当太阳能电池板达到每天的极限位置后，限位开关输出信号送入单片机控制单元，控制太阳能电池板东西向回归到初始位置，同样，南北方向的限位开关完成每半年的南北向跟踪方向的改变控制。