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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2015年
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太阳能跟踪伺服系统非线性特性及补偿研究

姜春霞  
【摘要】:太阳能是可再生能源之一,光伏发电是利用太阳能的方式之一。提高太阳能接收效率的最好方法是太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直的自动跟踪技术。跟踪精度及稳定性是评价跟踪好坏的主要条件。由于跟踪系统具有非常大的采光面,是一个转动惯量大的低速系统,角度调整是靠机械装置的传动机构完成,使得输出输入有偏差,影响太阳能跟踪伺服系统的跟踪精度。因此,研究太阳能跟踪伺服系统的非线性和有云层遮挡的闭环跟踪控制,对提高伺服系统的跟踪精度,具有重要的意义。本论文首先论述了太阳能跟踪的基本理论,以基于三相混合式步进电机的双轴跟踪伺服系统为研究对象,分析影响跟踪稳定性和精度的因素,其主要包括混合式步进电机自身的非线性和执行机构的摩擦非线性。执行电机的非线性主要指其在运行过程中存在失步问题,对此问题提出解决方案,采用闭环控制的轴线定向空间矢量控制细分方法,采用滑模观测器的变结构控制代替机械传感器,估计转子的位置和速度,从而完成电机的无位置传感器控制,检测到的速度或位置信号反馈至控制电路,控制相应的功率器件通断。仿真验证所选择方法的合理性,解决失步问题。对于跟踪控制系统的机械装置而言,摩擦非线性是主要因素。摩擦扰动对伺服执行机构的低速性能有很大影响,引起系统运行不稳定,产生低速抖动或爬行。由于太阳能跟踪伺服系统多数情况下工作在户外,环境变化大,采用不基于摩擦模型的补偿方法,建立考虑摩擦扰动的跟踪伺服系统数学模型,采用滑模扰动观测器和滑模控制器复合控制来补偿伺服系统的摩擦扰动,并且用李雅普诺夫函数证明系统稳定性,仿真验证算法的有效性,实现摩擦的补偿。为了保证在云遮挡的天气中采用视日运行轨迹跟踪与图像处理的双模式跟踪闭环控制的运行精度和可靠性,提出一种提取太阳质心的算法。去除太阳图像中雾霾的方法采用中值滤波的快速暗通道去雾法,并进行指数增强,使用快速最大稳定特征区域(MSER)提取算法提取太阳区域,最后计算出太阳质心。实验验证所提的算法适用于复杂的天气条件,在雾霾天气下能够较为准确地提取太阳质心,保证了闭环跟踪控制的跟踪精度。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM615

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