太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(共7頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上太陽(yáng)能自動(dòng)追光電池板的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)摘要：本文將差壓式太陽(yáng)能電池板輸出的信號(hào)作為追光系統(tǒng)的輸入信號(hào)，以ATmega16單片機(jī)作為控制核心，采用時(shí)鐘追蹤與光電追蹤相結(jié)合的追蹤模式。系統(tǒng)直接以太陽(yáng)能電池板作為檢測(cè)裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并以A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。最終通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)，控制太陽(yáng)能電池板的自動(dòng)追光。系統(tǒng)運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單元層數(shù)，隸屬度等，從而實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。關(guān)鍵字：差壓式太陽(yáng)能電池板 ATmega16單片機(jī) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制 高斯隸屬度引

2、言太陽(yáng)能是一種清潔綠色能源，是最豐富的可再生能源形式。而自動(dòng)追光系統(tǒng)可使太陽(yáng)能電池板發(fā)電率提高40%。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)主要有時(shí)鐘追光系統(tǒng)和傳感器追光系統(tǒng)。由于外界環(huán)境的影響，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)理論的復(fù)雜性與所要求的精確性之間存在尖銳矛盾。模糊邏輯控制已成為智能控制的重要組成部分。對(duì)模糊控制理論和技術(shù)的研究和探討還在不斷進(jìn)行 ,這種新穎的控制理論和技術(shù)正處于發(fā)展和提高的進(jìn)程中。模糊系統(tǒng)知識(shí)抽取比較方便，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻可以直接從樣本中進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)，總的來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合于處理非結(jié)構(gòu)化信息，而模糊系統(tǒng)對(duì)處理結(jié)構(gòu)化信息，而模糊系統(tǒng)對(duì)處理結(jié)構(gòu)化的知識(shí)更為有效。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶性，

3、透明性和魯棒性出發(fā)，將模糊化概念與模糊推理規(guī)則引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元，連接權(quán)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，有效的發(fā)揮了各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足，可有效的控制太陽(yáng)能電池板的自動(dòng)追光系統(tǒng)。1太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)模型1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能電池板通過(guò)兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸疊架分別與兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)相連接。通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)太陽(yáng)能步進(jìn)電機(jī)通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別控制太陽(yáng)能電池板的前后轉(zhuǎn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的

4、；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機(jī)械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)按相數(shù)分可分為：?jiǎn)蜗?，雙相和多相三種。本文采用四相步電機(jī)，控制更為精確。電控部分主要是由單片機(jī)和測(cè)光電路組成。太陽(yáng)能電池板在不同的光照下會(huì)通過(guò)電解電溶液產(chǎn)生不同的電勢(shì)。本系統(tǒng)通過(guò)將四塊太陽(yáng)能電池板拼接在一起，并由擋光板將象限隔離。則可將四塊太陽(yáng)能電池板的電勢(shì)差作為輸入信號(hào)，輸入單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)由太陽(yáng)能電池板與光線的夾角信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。擋板的具體尺寸將由太陽(yáng)能電池板的大

5、小決定。1.2單片機(jī)的控制裝置 四塊不同的太陽(yáng)能電池板在光照下分別產(chǎn)生四個(gè)電壓信號(hào)，當(dāng)其光照不同時(shí)，其產(chǎn)生的電壓信號(hào)各不相同，設(shè)其分別為V1,V2,V3,V4。系統(tǒng)的電控部分分別由主控芯片ATmega16，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及四相步進(jìn)電機(jī)組成，其中主控芯片主要連接復(fù)位電路，時(shí)鐘振蕩電路，及太陽(yáng)能電池板。其輸出接四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)工作進(jìn)行調(diào)整太陽(yáng)能電池板的位置。由于ATmega16具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器。數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)IMIPS/MHz，可緩解系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器的8位定時(shí)計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕

6、捉功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。32個(gè)可編程的I/O口等優(yōu)點(diǎn)。而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理量大，所以本課題采用ATmega16芯片。1.2.1主控芯片結(jié)構(gòu)：?jiǎn)纹瑱C(jī)XTAL1和XTAL2接口接入時(shí)鐘振蕩電路，RESET接口接入復(fù)位電路，接口ADC0、ADC1、ADC2、ADC3接收到四塊電池板產(chǎn)生的電壓信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)比判斷，由單片機(jī)的接口PC0、PC1、PC2、PC3控制控制電機(jī)A的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)前后旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板的前后旋轉(zhuǎn)。由單片機(jī)的PD0、PD1、PD2、PD3接口控制電機(jī)B的正反轉(zhuǎn)，從而控制左右旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板左右旋轉(zhuǎn)。主控芯片單片機(jī)的引腳排列及連接如下圖所示：1.2

7、.2電機(jī)的控制電路四相步進(jìn)電機(jī)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2003A驅(qū)動(dòng)，其中驅(qū)動(dòng)器U2的輸入接口1B、2B、3B、4B接入主控芯片信號(hào)，由COM、1C、2C、3C、4C為輸出接口控制電機(jī)A轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，由芯片U2驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)B轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有

8、定位要求的機(jī)械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)按相數(shù)分可分為：?jiǎn)蜗啵p相和多相三種。本文采用四相步電機(jī)，控制更為精確。ULN2003是一種高耐壓、大電流的達(dá)林頓陳列，由七個(gè)NPN達(dá)林頓管組成，每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。其電路結(jié)構(gòu)圖如下圖：1.3追光原理的設(shè)計(jì)當(dāng)通過(guò)時(shí)鐘追蹤系統(tǒng)判斷其處于白天時(shí)，光電式自動(dòng)追光系統(tǒng)將進(jìn)行工作。光電追蹤系統(tǒng)每隔七分鐘進(jìn)行一次太陽(yáng)能電池板與光線夾角的判斷，即每隔七分鐘通過(guò)輸入信號(hào)V1、V2、V3、V4對(duì)單片機(jī)的作用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)A，B，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板位置的調(diào)整。2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器是由神經(jīng)網(wǎng)

9、絡(luò)和模糊控制共同組成的混合系統(tǒng)。模糊控制作為傳統(tǒng)的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，模糊集理論和控制理論的成果而誕生，使其與基于被控?cái)?shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論有很大的區(qū)別。在模糊控制中，并不是像傳統(tǒng)控制那樣需要對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模，而是試圖通過(guò)從能成功控制被控過(guò)程的領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取知識(shí)，即專家行為和經(jīng)驗(yàn)。由于人類專家行為是實(shí)現(xiàn)模糊控制的基礎(chǔ)。因此，必須用一種容易且有效的方式來(lái)表達(dá)人類的專家知識(shí)。由此，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)合顯的更具有吸引力和實(shí)用性。如上圖，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其有五層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。其中第一層為輸入層，其神經(jīng)元個(gè)數(shù)與輸入信號(hào)個(gè)數(shù)相同。第二層為輸入模糊層，即將輸入的信號(hào)模糊化。第三層為隱含層神經(jīng)

10、元，由于太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有兩個(gè)自由度，即對(duì)系統(tǒng)信號(hào)分類時(shí)至少分為四部分，所以，隱含層的神經(jīng)元數(shù)目不宜小于四個(gè)，即可使第三層神經(jīng)元數(shù)目為四個(gè)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第四層為模糊層，第五層為去模糊層，兩層神經(jīng)元個(gè)數(shù)都為兩個(gè)。由于信號(hào)受外界影響太大，即輸入模擬信號(hào)電壓與實(shí)際太陽(yáng)光所產(chǎn)生的電壓信號(hào)有所偏壓，故需對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理。本文對(duì)其進(jìn)行模糊處理。室內(nèi)外環(huán)境光照強(qiáng)度的測(cè)量與分析數(shù)據(jù)表環(huán)境海拔經(jīng)度 123456789平均實(shí)驗(yàn)室50經(jīng)度110°5521629557719792100186705296.4教室34.8經(jīng)度 110°18111814312413099157261141150.

11、4宿舍38.3經(jīng)度 21°86.214.712.218.616.624.9911.825.424.4飯?zhí)?3.4經(jīng)度110°317937673501371735100110052555.8由上圖中實(shí)驗(yàn)室，食堂等地方的光照強(qiáng)度進(jìn)行分析，可用高斯隸屬度對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理,得到輸入光強(qiáng)的隸屬度。高斯隸屬度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：.其中為參數(shù),為自變量由于各地的光照強(qiáng)度及環(huán)境影響不同，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及權(quán)重也各不相同。對(duì)不同地區(qū)不同時(shí)間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練。BP反向訓(xùn)練法方法簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，但訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)，并需要大量的數(shù)據(jù)。但太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求不高，并可從實(shí)際中采取大量的訓(xùn)

12、練樣本。即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向訓(xùn)練方向適用于本系統(tǒng)的訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)是一種新的智能控制結(jié)構(gòu),目前,有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)過(guò)程還處于不斷研究和探索的階段, 還有許多重要問(wèn)題亟待解決。參考文獻(xiàn)l李中生.物理學(xué)與太陽(yáng)能.廣西教育出版社,19992李中生.太陽(yáng)能.北京人民教育出版社,19883王炳忠.太陽(yáng)能一未來(lái)能源之星.高教出版社,19904純.太陽(yáng)能的利用.北京人民出版社,1975 5丁永生,應(yīng)浩,任立紅,等.解析模糊控制理論:模糊控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析J.控制與決策,2000,15 (2):129-135.6 駱文輝,王莉.模糊控制在交流調(diào)速中的應(yīng)用及前景J. 機(jī)電工程技術(shù),2004,33(6):90-93.7 袁小芳,王耀南.一種基于自組織模糊規(guī)則的水輪機(jī)調(diào)速器J.微特電機(jī),2006,34(3):32-34. 8 佟紹成.非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制M.北京:科學(xué)出版社,2006.9吳文英.基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)J.電子世界， 2012,4：55-56. 10苗洋.基于ATmega16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.遼寧:大連理工大學(xué)，2011. 11吳文英