Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технических характеристик известных фотоэлектрических энергоустановок с автоматизированным слежением солнечных батарей за солнцем и их составных частей 17
1.1 Фотоэлектрические энергоустановки со слежением за Солнцем 17
1.2 Структура АСУ слежения АФЭУ за Солнцем и технические характеристики схем слежения за Солнцем 28
1.3 Датчики положения Солнца автономных фотоэлектрических энергетических установок 39
1.4 Влияние ветровой нагрузки на автономную фотоэлектрическую энергетическую установку, особенности структур систем слежения, учитывающих влияние ветровой нагрузки 44
1.5 Требования к системам слежения автономных фотоэлектрических энергетических установок как объекта АСУТП и основные направления исследования 49
1.6 Выводы по первой главе 54
ГЛАВА 2. Исследование и разработка асу слежения солнечных батарей за солнцем с использованием шаговых двигателей и датчиков положения солнца 56
2.1 Исследование и разработка функциональной и структурной схемы системы слежения солнечных батарей за Солнцем на основе принципа непрерывно-дискретного перемещения в режиме слежения 56
2.2 Исследование и разработка алгоритма слежения солнечных батарей за Солнцем с использованием датчика положения Солнца 66
2.3 Минимизация энергопотребления электромеханическим исполнительным механизмом в следяще-позиционной системе слежения солнечных батарей за Солнцем 79
2.4 Выводы по второй главе 88
ГЛАВА 3. Разработка алгоритма управления двухкоординатной системой слежения при учете внешних возмущений, в том числе действия ветровой нагрузки, и исследование её динамических характеристик 90
3.1 Расчет момента инерции механизмов перемещения и величины дополнительного момента от действия ветровой нагрузки для автономных фотоэлектрических энергоустановок 90
3.2 Исследование и разработка алгоритма управления электромеханической системой слежения при действии ветровой нагрузки 95
3.3 Повышение живучести и надежности функционирования АСУ слежения при действии ветровой нагрузки 109
3.4 Исследование на цифровой модели динамических характеристик электромеханической системы слежения при действии ветровой нагрузки 110
3.5 Выводы по третьей главе 115
ГЛАВА 4. Практическая реализация асу слежения солнечных батарей за солнцем и экспериментальные исследования технических характеристик автономных фотоэлектрических установок 117
4.1 Исследование и разработка двухкоординатного датчика положения Солнца 117
4.2 Разработка специализированного контроллера слежения за Солнцем и блока драйверов шагового двигателя 120
4.3 Разработка механических конструкций автономных фотоэлектрических установок 125
4.4 Программно-техническая реализация АСУ слежения солнечных батарей за Солнцем 128 4.5 Программно-техническая реализация АСУ перемещения датчика освещенности для термобарокамеры 134
4.6 Исследование энергетических и точностных характеристик системы слежения на разработанной автономной фотоэлектрической энергетической установке 137
4.7 Выводы по четвертой главе 154
Заключение 157
Список литературы 160
- Датчики положения Солнца автономных фотоэлектрических энергетических установок
- Исследование и разработка алгоритма слежения солнечных батарей за Солнцем с использованием датчика положения Солнца
- Исследование и разработка алгоритма управления электромеханической системой слежения при действии ветровой нагрузки
- Разработка специализированного контроллера слежения за Солнцем и блока драйверов шагового двигателя
Введение к работе
Актуальность работы
Недоиспользование солнечных батарей (СБ) большинства энергетических установок по энергии не менее чем на 30–50% объясняется отсутствием в них систем автоматического слежения СБ за Солнцем. Наличие системы слежения обеспечивает существенное повышение энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок (АФЭУ). Однако в непрерывных системах слежения СБ за Солнцем потребляется большое количество электрической энергии электромеханическими исполнительными механизмами. Поэтому для повышения энергетической эффективности АФЭУ необходимо разработать автоматизированную систему управления (АСУ), обеспечивающую заданную точность слежения СБ за Солнцем при минимизации затрат электроэнергии на управление и слежение.
Значительный вклад в развитие данного научного направления внесли Алферов Ж.И., Андреев В.М., Овсянников Е.М., Сорокин Г.А., Юрченко А.В. и др.
В настоящей работе поставлена и решена задача повышения энергетической эффективности АФЭУ за счет уменьшения затрат энергии на слежение и управление не менее чем на 30% путем реализации АСУ с непрерывно-дискретным автоматическим слежением СБ за Солнцем при минимизации потребляемой энергии электромеханическими исполнительными механизмами системы слежения.
Таким образом, вышеизложенное определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.
Цель диссертационной работы – повышение энергетической эффективности технологического процесса производства электрической энергии АФЭУ путем разработки автоматизированной системы управления, обеспечивающей за счет слежения за Солнцем максимальную энергетическую эффективность солнечных батарей при минимизации энергопотребления на слежение и управление с учетом возмущающих воздействий, в том числе ветровой нагрузки.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования.
-
Анализ наземных фотоэлектрических энергоустановок, систем управления режимом слежения СБ за Солнцем, применяемых электромеханических исполнительных механизмов, датчиков положения Солнца (ДПС) и формирование требований к АСУ слежения АФЭУ за Солнцем с целью повышения их энергетической эффективности.
-
Исследование и разработка структурной, функциональной схем и алгоритмов управления автоматизированной системой слежения, обеспечивающих заданную точность слежения с минимальным потреблением электрической энергии двухкоординатными электромеханическими исполнительными механизмами при слежении за Солнцем, изменении текущей освещенности, а также действии внешних возмущений, случайной нагрузки, в том числе ветровой.
-
Разработка цифровых моделей элементов систем слежения с электромеханическими исполнительными механизмами. Исследование алгоритмов
слежения СБ за Солнцем и нелинейных законов управления контуром тока электромеханическим исполнительным механизмом.
-
Разработка составных частей АФЭУ, а именно специализированного контроллера управления движением рамы с СБ, обеспечивающего слежение за Солнцем; двухкоординатного датчика положения Солнца; блока силовых драйверов для исполнительного электромеханического механизма; механической конструкции рамы с СБ двухкоординатной системы слежения.
-
Экспериментальные исследования энергетических характеристик системы слежения на установке АФЭУ-0,5.
Методы исследования базируются на общих положениях теории
электрических цепей, теории автоматического управления, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов имитационного моделирования в среде MatLab Simulink. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем математического моделирования и экспериментальных исследований на реальных фотоэлектрических энергетических установках.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается сравнением расчетных данных с результатами моделирования и физического эксперимента. Новизна технических решений подтверждается патентами РФ на полезную модель и свидетельствами на программы для ЭВМ (программное обеспечение).
Научная новизна работы
-
Для повышения энергетической эффективности технологического процесса производства электрической энергии разработана автоматизированная система слежения за Солнцем, в которой используется разработанный алгоритм слежения с регулируемым дискретным шагом перемещения в функции текущей освещенности.
-
Создан способ и алгоритм управления электромеханическим исполнительным механизмом АФЭУ, работающий в режиме позиционирования, обеспечивающий минимизацию потребления энергии на управление за счет использования нелинейного ограничения по скорости и ускорению.
-
Разработаны функциональная схема и алгоритм слежения АФЭУ, включающий релейный регулятор положения с нелинейной характеристикой зоны нечувствительности, изменяющийся в зависимости от текущей освещенности, и коррекцией заданной траектории позиционирования в зависимости от ошибки слежения, обеспечивающие поддержание заданной точности слежения при изменении текущей освещенности и внешних воздействий.
-
Разработана структура и рассчитаны параметры контура управления амплитудой тока в электромеханическом исполнительном механизме, управляемые в функции от косвенной ошибки слежения и ее производной, позволяющие увеличить плавность и непрерывность движения АФЭУ в процессе слежения при действии внешних возмущений, случайной нагрузки, в том числе ветровой.
Практическая значимость работы
1. Разработаны структура и алгоритмы управления АСУ слежения
фотоэлектрических энергоустановок за Солнцем, обеспечивающие заданную
точность слежения при минимизации потребления электрической энергии электромеханическим исполнительным механизмом.
-
Спроектирован двухкоординатный электромеханический исполнительный механизм для системы слежения фотоэлектрической энергоустановки, обеспечивающий слежение за Солнцем по азимуту от 0 до 270 градусов и по углу места от 0 до 90 градусов.
-
Создано программное обеспечение для АСУ слежения, реализованное на специализированном контроллере, позволяющее осуществлять слежение с заданной точностью и минимизацией энергопотребления системой.
-
Разработаны механические конструкции АФЭУ; двухкоординатный датчик положения Солнца для системы слежения; специализированный контроллер слежения для АФЭУ; блок силовых драйверов электромеханического исполнительного механизма.
Положения, выносимые на защиту
-
Структура АСУ с непрерывно-дискретным слежением АФЭУ за Солнцем с регулируемым дискретным шагом перемещения при слежении в функции текущей освещенности, обеспечивающая заданную точность слежения и повышение энергетической эффективности солнечных батарей.
-
Способ и алгоритм управления электромеханическим исполнительным механизмом АФЭУ, работающим в режиме позиционирования, обеспечивающие минимизацию потребления энергии АФЭУ за счет использования нелинейного ограничения по скорости и ускорению.
-
Функциональная схема слежения АФЭУ, включающая релейный регулятор положения с нелинейной характеристикой зоны нечувствительности, изменяющейся в зависимости от текущей освещенности, и коррекцией заданной траектории позиционирования в зависимости от ошибки слежения, обеспечивающая поддержание заданной точности слежения при изменении текущей освещенности и внешних условий.
-
Структура и параметры контура управления амплитудой тока в электромеханическом исполнительном механизме, управляемые в функции от косвенной ошибки слежения и ее производной, обеспечивающие увеличение плавности и непрерывности движения АФЭУ в процессе слежения при действии внешних возмущений, случайной нагрузки, в том числе ветровой.
Личный вклад автора
Постановка задачи исследования по теме диссертации выполнена автором
совместно с научным руководителем. Основные научные результаты,
представленные в диссертации, получены лично автором.
Реализация результатов работы
Основные результаты, полученные автором при выполнении исследований, использованы для разработки:
1) фотоэлектрической энергоустановки АФЭУ-0,5 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы по теме, выполненной в ТУСУРе, «Разработка и создание автономных энергетических установок с автоматическим слежением
фотоэлектрических панелей за Солнцем» (Государственный контракт
№ 16.740.11.0067);
-
фотоэлектрической энергоустановки АФЭУ-1 по программе стратегического развития ТУСУРа;
-
автоматизированной системы управления двухкоординатным электромеханическим исполнительным механизмом с шаговыми двигателями для перемещения блока измерения освещенности в термобарокамере ТБК 120 для АО «Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнёва» (г. Железногорск);
-
результаты диссертации использованы в учебном процессе на кафедре ЭСАУ ТУСУРа по читаемому автором лекционному курсу «Технические средства автоматизации» для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».
Апробация работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на V, VI, VII международных научно-технических
конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, НИ ТПУ,
2011, 2013, 2015); VIII, X, XI международных научно-практических конференциях
«Электронные средства и системы управления» (Томск, ТУСУР, 2012, 2014, 2015);
XIX международной научно-технической конференции «Силовая электроника и
энергоэффективность» (Алушта, Украина, 2013); второй всероссийской
молодежной научно-практической конференции с международным участием
«Инженерная мысль машиностроения будущего 2013» (Уральский федеральный
университет, Екатеринбург, 2013); восемнадцатой, девятнадцатой, двадцатой и
двадцать первой Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика:
эффективность, надежность, безопасность» (Томск, НИ ТПУ, 2012, 2013, 2014,
2015); 3-м всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург,
Университет ИТМО, 2014); 2-й, 3-й всероссийских научных конференциях
«Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для
Солнечной энергетики 3-го поколения» (Чебоксары, 2014, 2015); XV, XVI
международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии,
электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2014, 2016); XVIII, XIX международных научных конференциях (Решетнёвские чтения, Красноярск, СибГАУ, 2014, 2015); XIX научно-технической конференции «Электронные и электронно-механические системы управления» (Томск, НПЦ «Полюс», 2015); IX международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2015).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 37 печатных работах, из них 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК; 1 статья, индексированная в базе Scopus; 24 публикации в трудах и сборниках конференций; 5 патентов на полезную модель; 2 свидетельства о регистрации программного обеспечения для ЭВМ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений, иллюстрирована 88 рисунками, 39 таблицами. Список литературы содержит 125 наименований.
Датчики положения Солнца автономных фотоэлектрических энергетических установок
АСУТП производства электрической энергии АФЭУ включает в себя АСУ слежения СБ за Солнцем и систему автоматического управления (САУ) зарядом аккумуляторных батарей, имеющую функцию поиска максимума выработки энергии СБ с учетом зависимости заряженности аккумуляторной батареи.
АСУ слежения СБ за Солнцем можно представить в общем виде, как показано на рисунке 1.14. На рисунке 1.14 приняты следующие обозначения: УСО – устройство связи с объектом; ИП – измерительный преобразователь; ОУ – объект управления; РО – регулирующий орган; ИМ – исполнительный механизм; РЕГ – регулятор; ЗУ – задающее устройство. В данной функциональной схеме АСУ слежения АФЭУ за Солнцем объект управления (ОУ) представляет собой двухкоординатный исполнительный механизм перемещения рамы с СБ, задающее устройство (ЗУ) содержит устройство задания режима работы, устройство ввода-вывода информации на внешний компьютер, регулятор (РЕГ) реализован на микроконтроллере и управляет процессами слежения и диагностики системы АФЭУ, исполнительный механизм (ИМ) и регулирующее устройство (РО) содержат контроллеры и драйверы управления электромеханическими исполнительными механизмами, измерительный преобразователь (ИП) содержит датчик положения объекта (датчик положения Солнца), датчики тока и температуры двигателя, конечные выключатели.
В целом АСУ слежения АФЭУ за Солнцем представляет человеко-машинную систему, так как управление системой АФЭУ может быть полностью автоматическое, но в аварийных условиях или в режиме пуско-наладки управление может быть передано человеку (оператору). В АСУ слежения АФЭУ на Солнце непрерывное слежение за Солнцем может быть осуществлено различными способами: – программное управление (слежение) от микроконтроллера по заранее заданным координатам (по азимуту и углу места); – в режиме постоянного поиска максимума энергии, вырабатываемой СБ; – с использованием датчиков положения Солнца и следящих электроприводов, осуществляющих режим непрерывного слежения (или непрерывно-дискретного) за Солнцем. На рисунке 1.15 приведена функциональная схема системы слежения АФЭУ по заранее заданной траектории для одной координаты. В системе слежения используется следящий электропривод постоянного тока (трехконтурная система с подчиненным регулированием параметров [46]). На рисунке 1.15 приняты следующие обозначения: КН – контроллер наведения; РП – регулятор положения; РС – регулятор скорости; РТ – регулятор тока; М – двигатель; ТГ – тахогенератор; Р – редуктор; ИМ с СБ – исполнительный механизм с СБ; зад – угол задания положение механизма с СБ; ос – действительный угол положение механизма с СБ; ШИП – широтно-импульсный преобразователь; ДС – датчик скорости; ДП – датчик положения СБ; ДТ – датчик тока. Рисунок 1.15 – Функциональная схема системы слежения Слежение АФЭУ осуществляется с помощью следящих электроприводов постоянного тока по заранее заданному положению (предполагаемое положение Солнца на небосводе). Причем перемещение происходит даже тогда, когда плотность облаков высока и точное слежение АФЭУ за Солнцем не дает выигрыша в вырабатываемой энергии. В этом случае происходит дополнительная затрата электрической энергии в электроприводах на перемещение АФЭУ.
В фотоэлектрической энергетической установке [12] применяют систему слежения СБ за Солнцем, но без датчика положения Солнца. В данной системе используется энергетический критерий поиска максимума энергии, вырабатываемой СБ. На рисунке 1.16 показана функциональная схема фотоэлектрической энергетической установки. Особенностью данной системы является постоянное перемещение по азимуту и углу места для поиска максимума энергии, вырабатываемой СБ. При этом двигателями затрачивается большое количество энергии, даже когда СБ находится в тени. Недостатком системы слежения является также неточность слежения из-за нелинейности вольт-амперной характеристики СБ.
Разработка новых датчиков положения Солнца, обеспечивающих высокую точность слежения АФЭУ за Солнцем и высокую надежность в работе, приводит к тому, что слежение по заранее заданной траектории будет вытесняться слежением от датчиков положения Солнца.
На рисунке 1.17 показана одна из возможных структур слежения с использованием датчика положения Солнца и электропривода постоянного тока. [47]. Структура системы слежения показана на рисунке 1.17 на одну координату. На рисунке 1.17 приняты следующие обозначения: РР – релейный регулятор положения; М – двигатель; Р – редуктор; ИМ – исполнительный механизм; – угол рассогласования; УП – устройство преобразования (транзисторный преобразователь); ДР – датчик рассогласования; Uа – сигнал управления с датчика рассогласования; Upp – выходной сигнал релейного регулятора положения; дв – скорость вращения двигателя; Мнагр – момент нагрузки на двигатель. Слежение в данной системе осуществляется от датчика рассогласования (датчика положения Солнца) при использовании релейного регулятора положения.
Основной недостаток в рассматриваемой структуре - это использование двигателей постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации обусловлены наличием коллекторного узла). Механизмы и двигатели находятся под воздействием окружающей атмосферы (температура от -40 до +70 С, влажность до 100 %). Искрение при работе коллектора приводит к подгоранию контактов, изменению их переходного сопротивления и, как следствие, к нестабильности характеристик двигателя. Это требует систематического ухода за коллектором и щётками в процессе эксплуатации и снижает надёжность узлов и агрегатов, в которых используются двигатели.
Структура системы слежения с электроприводами постоянного тока представляет собой двухмассовую систему (рисунок 1.18) с частотой колебаний 1-2 Гц [47]. На рисунке 1.18 приняты обозначения: Jx - момент инерции двигателя; Jсб - момент инерции механической рамы с СБ. В данной АФЭУ момент инерции механической рамы намного превышает момент инерции двигателя. Это существенно усложняет настройку параметров системы слежения.
Исследование и разработка алгоритма слежения солнечных батарей за Солнцем с использованием датчика положения Солнца
Анализ исследований, проведенный в первой главе диссертации, показал, что для создания энергетически эффективной АСУТП производства электрической энергии в АФЭУ мощностью 3–5 кВт необходимо разработать структурную и функциональную схемы системы слежения с двухкоординатным электромеханическим исполнительным механизмом с ШД и с двухкоординатным датчиком положения Солнца. АСУ слежения СБ за Солнцем должна обеспечивать многорежимность, самодиагностику, связь и управление с внешним оператором в аварийных режимах. При этом следящая система управления должна обеспечивать заданную точность слежения СБ за Солнцем при минимизации затрат электрической энергии, затрачиваемой двухкоординатным электромеханическим исполнительным механизмом с ШД на слежение СБ за Солнцем. При разработке функциональной и структурной схемы АСУ слежения для АФЭУ должны использоваться: – современные фотоэлектрические панели (СБ) с высокими технико-экономическими показателями; – специализированный контроллер слежения, обеспечивающий функционирование механизма непрерывно-дискретного слежения АФЭУ за Солнцем с заданной точностью, реализующий несимметричный режим позиционирования и управление периферийными устройствами с диагностикой всей системы; – контроллер заряда аккумуляторных батарей с реализацией режима отбора максимальной мощности с СБ; – двухкоординатный фотоэлектрический датчик положения Солнца, обладающий высокой чувствительностью, для обеспечения высокой точности слежения АФЭУ; – ШД для обеспечения заданного перемещения по обеим координатам; – силовые драйверы ШД, имеющие возможность управления амплитудой тока, регулирования шага перемещения, реализации микрошагового режима, защиты по току и напряжению; – необслуживаемые аккумуляторы с большим количеством циклов «заряд – разряд» без потери ёмкости, с величиной ёмкости, рассчитанной на заданного потребителя; – конвертор для связи контроллера слежения с внешней ЭВМ, имеющий оптическую развязку; – однофазный инвертор с синусоидальным выходом для питания потребителей; – червячные редукторы, совмещенные с цилиндрическими, для обеспечения необходимого момента вращения рамы с СБ и для удержания рамы при действии ветровой нагрузки при отключенном двигателе; – конечные выключатели, обеспечивающие ограничение перемещения рамы по двум координатам и возможность перевода рамы в горизонтальное положение; – GPRS – модуль связи для удаленного управления АФЭУ при возникновении экстремальных условий.
С учетом вышеизложенного разработана функциональная схема АСУТП производства электрической энергии АФЭУ, приведенная на рисунке 2.1 [66,67]. На функциональной схеме приняты следующие обозначения: СБ – солнечная батарея (состоящая из нескольких фотоэлектрических панелей); КСС – контроллер слежения за Солнцем; ДШД1, ДШД2 – драйверы управления шаговыми двигателями; ДПС1, ДПС2 – датчики положения Солнца по азимуту и углу места; КВ1–КВ5 – конечные выключатели; М1, М2 – шаговые двигатели; Р1–Р4 – редукторы; КЗАБ – контроллер заряда аккумуляторной батареи; И – инвертор; АБ1, АБ2 – аккумуляторные батареи, конвертор (тип I-7561) – устройство связи компьютера с контроллером по каналу RS 485; GPRS – блок связи с каналом GPRS.
Разработана функциональная схема двухкоординатной системы слежения СБ за Солнцем с использованием ШД и датчиков положения Солнца, приведенная на рисунке 2.2. На рисунке 2.2 приняты следующие обозначения: НЗ1, НЗ2 – нелинейные звенья; РП1, РП2 – регуляторы положения; ДШД1, ДШД2 – драйверы шагового двигателя; ШД1, ШД2 – шаговые двигатели; Р1, Р2 – редукторы; ИМ1, ИМ2 – исполнительные механизмы; зад – заданное (требуемое в данный момент времени) положение механизма по азимуту; зад – заданное (требуемое в данный момент времени) положение механизма по углу места; ДПС1, ДПС2 – датчики положения Солнца; – ошибка по углу слежения (по азимуту); дейст – действительное положение механизма по азимуту; – ошибка по углу слежения (углу места); дейст – действительное положение механизма по углу места.
Исходя из требований к системе слежения СБ за Солнцем, вышеописанной разработанной структурной и функциональной схем АСУ слежения для АФЭУ определена двухцелевая задача создания управления системой слежения СБ за Солнцем, обеспечивающей: 1) слежение за Солнцем по двум координатам с заданной точностью; 2) минимизацию энергопотребления электромеханическим исполнительным механизмом с ШД при слежении. Первая задача – обеспечение слежения СБ за Солнцем с заданной точностью, решается следующим путем: – разработкой нелинейного алгоритма слежения за Солнцем, учитывающего специфические требования к системам АФЭУ; – обеспечением повышения статической точности перемещения при использовании ШД (достигается повышением развиваемого момента ШД); – использованием специализированного контроллера слежения за Солнцем (32-разрядного микроконтроллера со встроенным 16-разрядным АЦП), специального двухкоординатного датчика положения Солнца (обладающего заданной чувствительностью в широком диапазоне изменения освещенности), двухкоординатного электромеханического исполнительного механизма с ШД (обеспечивающего нелинейный режим позиционирования). Вторая задача – минимизация энергопотребления электромеханическим исполнительным механизмом с ШД при слежении фотоэлектрической энергоустановки за Солнцем, решается следующим путем: – переходом от непрерывного слежения за Солнцем к непрерывно-дискретному слежению с переменным шагом перемещения и исключением потребления тока ШД во время отсутствия перемещения рамы с СБ; – созданием закона управления, обеспечивающего максимальное по быстродействию перемещение рамы с СБ при ограничениях по скорости, ускорению и рывку в управлении ШД (создание задающей траектории перемещения в режиме позиционирования); – созданием нелинейного управления величиной амплитуды тока в ШД во время перемещения в режиме позиционирования. При классическом управлении ШД реализуется следующий алгоритм управления: сохранение амплитуды тока ШД в статическом режиме после окончания режима перемещения. Это необходимо для поддержания удерживающего момента ШД. Есть другие варианты управления ШД (заложенные в некоторых драйверах управления ШД): уменьшение амплитуды тока в ШД в статическом режиме до 0,6 от номинальной амплитуды тока.
Исследование и разработка алгоритма управления электромеханической системой слежения при действии ветровой нагрузки
Для уточнения параметров регулятора положения, блока формирования траектории позиционирования необходимо провести моделирование динамических характеристик системы слежения с учетом объекта регулирования. В настоящее время для моделирования электромеханических систем используются разнообразные системы [73, 74, 75]. Модель наиболее просто реализуется при использовании пакета прикладных программ MATLAB 7.11 (Simulink), который позволяет моделировать сложные динамические системы, обеспечивая автоматизацию всех этапов разработки на основе численных методов решения математических задач, использования графического интерфейса пользователя и персональных компьютеров. MATLAB 7.11 (Simulink) можно рассматривать как совокупность методов и средств автоматизации процесса разработки АСУТП.
На рисунке 2.11 показана структура модели следящей системы, разработанная в MATLAB 7.11 (Simulink). В модели учтены: особенность релейного регулятора с изменяемой зоной нечувствительности; блок формирования траектории позиционирования; передаточная функция шагового двигателя с учетом момента инерции рамы; зона нечувствительности датчика положения.
В системе слежения применяется ШД типа ШД-5Д-1М, параметры ШД, используемые в модели, соответствуют таблице 2.4. Расчет величины момента инерции приведен в главе 3.
На рисунках 2.12–2.14 приведены динамические характеристики, полученные на цифровой модели (зона нечувствительности в релейном регуляторе 0,05; Tm =0,05 с; Tэ = 0,0014 с; зона нечувствительности в датчике положения 0,05; постоянная времени фильтра у датчика положения T = 0,001 с; постоянная времени на ограничение задания по скорости T = 0,001 с).
На рисунке 2.12 показано перемещение на 1 градус, на рисунке 2.13 показано перемещение на 2 градуса, на рисунке 2.14 показано перемещение на 3 градуса. Результаты моделирования следящей системы с ШД для АФЭУ с учетом особенностей объекта управления (без учета изменения сигнала освещенности) показали, что в системе позиционирования при перемещении на 1–3 градуса нет колебаний при подходе к заданному положению, в системе обеспечивается заданная точность слежения (до 1 градуса). При перемещении рамы с СБ до 1 градуса по положению с учетом ограничений по скорости и ускорению двигатель не может выйти на максимальную скорость, то есть в системе слежения уже обеспечиваются предельные динамические характеристики.
В предложенной структурной схеме АСУ слежения за Солнцем в прямом канале (по рисункам 2.7 и 2.9) имеется релейный элемент с изменяемой величиной зоны нечувствительности. В условиях низкой освещенности (ДПС и СБ) в самой системе слежения ухудшается соотношение сигнал/шум [76] (шум – это фоновая засветка, отраженный сигнал света от посторонних предметов, шумы и наводки от длинного кабеля (установка с СБ может находиться в 20 м от контроллера слежения) и другое). Поэтому увеличение зоны нечувствительности, а именно значения коэффициента зоны нечувствительности Кзн при уменьшении текущей средней освещенности E1 приводит к улучшению фильтрации в системе АСУ слежения за Солнцем и к уменьшению ошибки от сигнала помех. Указанное выше позволило разработать алгоритм слежения СБ за Солнцем при использовании датчика положения Солнца, имеющего нелинейную характеристику блока зоны нечувствительности (изменяемую в функции освещенности) при определении необходимости режима перемещения.
Минимизация энергопотребления электромеханическим исполнительным механизмом в следяще-позиционной системе слежения солнечных батарей за Солнцем Как показано выше, при непрерывно-дискретном слежении СБ за Солнцем перемещение от одной координаты к другой происходит по траектории с минимальным затраченным временем с учетом ограничений по скорости, ускорению и рывку, при этом реализуется симметричный режим позиционирования. При стандартном (общепринятом) включении драйвера и ШД при автосопровождении СБ за Солнцем ШД всегда находится под номинальным током [77]. В этом режиме получается большое потребление тока ШД. Поэтому целесообразно слежение СБ за Солнцем в АФЭУ делать непрерывно-дискретным, то есть выполнять перемещение на один – три градуса по положению и далее делать остановку. Следующее перемещение СБ за Солнцем, например на три градуса, в АФЭУ будет происходить через 10–20 минут.
Для уменьшения рывков и качаний при перемещении рамы с СБ и сокращения потребления энергии ШД при непрерывно-дискретном слежении разработан несимметричный режим позиционирования, в котором заложены различные ограничения по току при пуске и торможении (реализация нелинейного режима задания амплитуды тока ШД, меняющейся во время перемещения). Это необходимо для уменьшения колебаний при торможении (при подходе к заданному положению), для уменьшения величины перерегулирования по положению, а также для преодоления нелинейного момента сухого трения и минимизации потребляемого тока ШД в режиме перемещения. На рисунке 2.16 показаны характеристики момента сухого трения двух типов [78].
Разработка специализированного контроллера слежения за Солнцем и блока драйверов шагового двигателя
Для следяще-позиционной системы слежения разработаны два двухкоординатных датчика положения Солнца [69,70] (патент РФ № 135126, рисунок 4.1,а; положительное решение от 29.08 2016 по заявке на патент РФ № 2016119698 рисунок 4.1,б). Датчики выполнены в форме четырехгранной усеченной пирамиды, в четырех боковых гранях которой имеются посадочные места под четыре фотоэлемента, в основании предусмотрено посадочное место под пятый фотоэлемент, в верхней грани выполнено посадочное место под шестой фотоэлемент. Все фотоэлементы зафиксированы в посадочных местах и закрыты защитными стеклами. В основании пирамиды заложены элементы крепления датчика к раме. На рисунке 4.1 показаны эскизы двух датчиков положения Солнца. фотоэлементов ДПС определяется следующими факторами: 1) максимальным током фотоэлементов при максимальной освещенности (необходимо для определения максимального коэффициента усиления операционного усилителя в контроллере слежения); 2) необходимой чувствительностью датчика (тока фотоэлементов) при уменьшении освещенности в 10 раз (чувствительность ДПС должна обеспечивать измерение не менее 0,25 градуса по положению при уменьшении освещенности в 10 раз); 3) возможностью измерения токов фотоэлементов (эквивалентного напряжения на выходе операционного усилителя) при малой освещенности с помощью встроенных в микроконтроллер АЦП; 4) минимизацией габаритов датчика.
Площадь фотоэлементов ДПС можно рассчитать по следующей формуле [101, 102]: , (4.1) где Im – максимальный ток фотоэлементов ДПС; Ki – значение коэффициента интегральной чувствительности [101, 102]; En – уровень солнечной освещенности.
Максимальное значение тока фотоэлементов ДПС Im целесообразно брать не более 100–200 мA, чтобы не увеличивать площадь фотоэлементов и соответственно габариты ДПС. Минимальной освещенностью, при которой ДПС должен проводить измерение, можно считать 200 Вт/м2. Коэффициент интегральной чувствительности Ki = 10 мА/лм. Рассчитанная по формуле (4.1) площадь должна составлять не менее 10 см2. При этой площади фотоэлементов датчик должен обеспечивать возможность измерения перемещения не менее 0,5 градуса по положению при уменьшении освещенности в 10 раз от максимальной.
Проведены экспериментальные исследования ДПС с целью определения его чувствительности в режиме малых перемещений. Перемещение ДПС выполнялось с помощью поворотного стола, имеющего разрешающую способность при перемещении 0,25 углового градуса. На рисунке 4.2 показана фотография установки для снятия характеристик фотодатчика. Освещение ДПС проводилось с помощью мощного осветительного прожектора, имитирующего солнечное излучение.
На рисунке 4.2 обозначены: 1 – прожектор со спектром, близким к солнечному (тип ГО04-250-001; ТУ3461-033-05758434-2012); 2 – два цифровых мультиметра; 3 – фотоэлектрический датчик положения Солнца; 4 – поворотный стол. Максимальный ток одной панели фотодатчика при максимальной солнечной освещенности достигает 100 мА. В таблицах 4.1 и 4.2 приведены экспериментально снятые значения тока одной панели (грани) фотодатчика при перемещении на малый угол при малой освещенности (освещенность меньше максимальной в 7 раз). Таблица
Расчет по формуле (4.2) с использованием таблиц 4.1 и 4.2 показывает, что при перемещении на 0,25 углового градуса изменение тока составляет 5–10 мкА, а максимальный диапазон измерения тока составляет 10000– 20000. В этом случае для обеспечения чувствительности в 0,25 углового градуса необходимая разрядность АЦП микроконтроллера должна быть минимум 14–15 разрядов (214 = 16384, 215 = 32768), а с учетом возможности регулирования и выбора стандартного АЦП должна составлять 16-разрядов. То есть необходимо выбирать микроконтроллер с 16-разрядным встроенным АЦП (216 = 65536). Точностные испытания датчика показали, что при изменении температуры от + 10 до + 60 С0 относительная ошибка в разнице токов в противоположных гранях не превышает 5 %.
С учетом указанных выше требований (глава 1) и особенностей построения системы слежения (главы 2 и 3) разработан контроллер слежения за Солнцем (КСС) [103, 104], схема которого показана на рисунке 4.3. Контроллер слежения за Солнцем состоит из следующих элементов: микроконтроллера STM32F372VCT6 [105]; преобразователя напряжения; узла связи с USB внешнего компьютера; шести операционных усилителей, обеспечивающих усиление сигналов с шести фотоэлементов блока датчиков положения Солнца; узла связи с 5 конечными выключателями; узла связи с GPRS; узла связи с двумя датчиками температуры ШД (ДТ1, ДТ2); устройства вывода – ввода (УВВ) сигналов управления на контроллер заряда аккумуляторной батареи; переключателя режимов работы системы слежения (ПРР); четырех кнопок управления перемещением рамы с СБ в ручном режиме (К1–К4); вводного устройства для подключения датчика ветровой нагрузки (ДВН).