基于自適應(yīng)模糊PID控制的太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)

摘要：針對(duì)太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)中傳統(tǒng)PID控制過程中的一些問題，通過對(duì)自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了一種雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器，同時(shí)在Simulink環(huán)境中建立了方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型并完成了仿真。仿真結(jié)果表明，太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器較傳統(tǒng)PID控制器具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與魯棒性，在太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用空間。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；模糊PID控制器；太陽光；跟蹤伺服系統(tǒng)；Simulink仿真

0 引言
太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當(dāng)今國內(nèi)外最具有發(fā)展前景的新能源之一。高效采集太陽能是太陽能光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文以其廣泛利用的基于步進(jìn)電機(jī)的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制理論，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)模糊PID控制器，并在Simulink環(huán)境中建立了方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型并完成了仿真。

1 自適應(yīng)模糊PID控制策略分析
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，傳統(tǒng)PID方法受到局限。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，從而運(yùn)用模糊推理即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，并以此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID控制。
PID控制器能夠在保證基本不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，從而很好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其基本控制規(guī)律可描述為：

模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。
結(jié)合PID與模糊控制兩種算法的特征與優(yōu)勢，自適應(yīng)模糊PID典型控制系統(tǒng)主要包括參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分，其中PID控制部分實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，自適應(yīng)模糊控制部分以誤差e和誤差變化率作輸入。它根據(jù)不同時(shí)刻的輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)KP、KI和KD進(jìn)行修改，以滿足控制器參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，從而提高對(duì)被控對(duì)象的控制效果。

2 被控對(duì)象模型
目前，關(guān)于太陽能的伺服系統(tǒng)模型大多是對(duì)直流電機(jī)建模，并沒有考慮到系統(tǒng)參數(shù)對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響。本文采用的被控對(duì)象為基于步進(jìn)電機(jī)的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)，其基本功能是使光伏陣列快速、平穩(wěn)且準(zhǔn)確地跟蹤定位太陽光源。利用天文知識(shí)可以精確地獲得太陽高度角和方位角。太陽光源跟蹤伺服系統(tǒng)時(shí)刻檢測光伏陣列和太陽光源的位置并將其輸入到驅(qū)動(dòng)運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩部電機(jī)，分別在水平面和鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使太陽光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上，從而達(dá)到準(zhǔn)確和快速跟蹤太陽光源的目的。圖1所示是太陽能光源跟蹤伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

由于高度角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)互不影響，下面以方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行建模和仿真研究。由文獻(xiàn)可知，方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：


3 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)
本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要先找出三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率之間的模糊關(guān)系，要求在系統(tǒng)運(yùn)行中不斷檢測e和誤差變化率，根據(jù)模糊控制原理對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正以滿足不同情況下對(duì)參數(shù)的不同要求，最終獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能。
3．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)
基于對(duì)系統(tǒng)的上述分析，模糊控制器采用兩輸入、三輸出的控制器，將誤差e和誤差的變化率作為輸入，將PID控制器的三個(gè)參數(shù)的修正值作為輸出。其KP，KI，KD參數(shù)調(diào)整的算式如下：

式中，分別是參數(shù)前值；△KP，△KI，△KD分別為參數(shù)修正值。