一种基于线性自抗扰控制器的光伏板旋转定位控制方法与流程

本发明涉及定位控制的领域，具体涉及一种基于线性自抗扰控制器的光伏板旋转定位控制方法。

背景技术：

太阳能的使用是人类对可再生资源利用的重要方面之一。如何使光伏板旋转对准太阳,成为太阳能利用的重要课题。现有的跟踪方法主要有压差式、控放式、光敏传感式、视日运动轨迹跟踪式等，而无论采用何种跟踪方法，光伏板旋转定位控制器的设计是其中的核心技术之一。由于现代控制策略对系统模型普遍存在较强依赖性，因此研究一种无需精确建立系统模型的控制理论算法，从而全面提高光伏板旋转定位系统的跟踪控制性能，具有重要的理论和实际意义。

目前，已在光伏板旋转定位系统上实现的控制方法:pi控制、模糊控制等。然而，在光伏板旋转定位系统会受外在干扰等因素影响，如随机方向且大小不定的自然风的干扰，对光伏旋转定位系统的抗扰性能提出更高的要求。因此，本发明采用一种具有抗扰动性能的自抗扰控制器(adrc,activedisturbancerejectioncontroller)对这样存在强干扰和不确定性的光伏板旋转定位系统实现跟踪控制，并使系统具有良好的跟踪性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于线性自抗扰控制器的光伏板旋转定位控制方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于线性自抗扰控制器的光伏板旋转定位控制方法，采用光伏板旋转定位控制系统来控制光伏板旋转定位系统，该光伏板旋转定位控制系统主要由线性自抗扰控制器、传感检测机构、驱动电路与直流电机组成；通过天文算法实现对光伏板东西方向转角、南北方向斜角的计算，结合倾角传感器测量的角度反馈，实现光伏板旋转定位。

更进一步的，所述的线性自抗扰控制器(ladrc)具有抗扰动性能的三阶线性自抗扰控制，利用扩张状态观测器(eso)在估计系统状态的同时，对系统的总和扰动(包括未建模动态以及外界干扰)进行估计，并利用得到的估计值对跟踪控制系统进行前馈补偿，进而设计线性反馈控制律实现光伏板旋转定位系统的跟踪控制；线性自抗扰控制器包括三部分：

第一部分设计线性跟踪微分器(ltd)，安排过渡过程，将设定的参考信号平滑化防止产生超调。给定信号θ^*作为参考输入，经过跟踪微分器获得参考角度θ^*的过渡值v1、一阶导v2、二阶导v3，并作为控制律的一部分，其形式为：

式中，r为可调节的跟踪微分器的快速因子，所设计的ltd不仅可以获得v1、v2、v3,还具有一定的滤波功能；

第二部分为线性扩张状态观测器(leso)，目的是为了得到光伏板旋转倾角θ的跟踪值z1，一阶导z2，二阶导z3与总和扰动zθ，其中倾角的跟踪值z1，一阶导z2，二阶导z3作为控制律的一部分，zθ作为系统总和扰动实时估计；设计的线性扩张状态观测器形式为:

线性扩张状态观测器的特征方程为:

s⁴+β01s³+β02s²+β03s+β04

w称为观测器带宽，w根据系统带宽的要求确定或在线整定；

第三部分为控制律，其形式如下:

式中，k1,k2,k3为控制器增益，它们的符号以构成负反馈为准。

更进一步的，所述的直流电机模型描述如下：

式中，δ—转子输出转角(rad)，ω—转子速度(rad/s)，ia—电枢电流(a)，v—端电压(v)，a—反负载机械常数，b—小的负电枢电流系数，r—电枢阻抗(ω)，l—电枢感抗(h)，t(t)—负载转矩(n/m)，j—转子的转动惯量(kg/m²)，f—摩擦力(n)，转化为状态方程为：

y＝x1

式中：

k2＝a/j,k3＝b/j,k4＝-1/j,k5＝-a/l,

k6＝-b/l,k7＝-r/l,k8＝-1/l.。

本发明的有益效果为：

1、本发明的adrc吸收现代控制理论成果，采取了pid误差反馈控制的核心理念，其最突出的特征就是把作用于被控对象的所有不确定因素作用都归结为总和扰动，并用对象的输入输出数据对其进行估计并给予补偿，进而将控制对象变为普通的积分串联型系统，实现动态系统的反馈线性化。

2、本发明具有算法简单、抗干扰能力强，无需建立系统精确模型等特点。

3、本发明在获取系统的阶次先验知识的基础上，通过设计相应阶次的线性自抗扰控制器，并进行数值仿真验证了所设计方法的有效性和优越性，使得系统具有良好的跟踪性能和抗扰动性能。

4、本发明对光伏板旋转定位系统这样的无法建立精确模型且存在随机扰动的对象能够实现有效的跟踪控制。

附图说明

图1为本发明的光伏板旋转定位控制系统结构流程示意图。

图2为本发明的光伏板件东西方向的运动轨迹图。

图3为本发明的基于三阶ladrc的光伏板旋转定位控制系统结构流程示意图。

图4为本发明的倾角轨迹曲线图。

图5为本发明的补偿前与补偿后的控制量图。

图6为本发明的总和扰动图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

如附图所示，这种基于线性自抗扰控制器的光伏板旋转定位控制方法，主要包括如下步骤：

1)、问题描述：太阳电池阵列吸收太阳辐射的多少与太阳辐射入射光线和阵列法向之间夹角即入射角δθ有关，通过天文算法实现对光伏板东西方向转角、南北方向斜角的计算，在此基础上结合倾角传感器测量的角度反馈，使得所设计的跟踪控制算法控制电机的正反转，实现光伏板旋转定位，光伏板旋转定位控制系统结构如附图1所示，其主要由控制器、传感检测机构、驱动电路与电机等组成。它的基本原理是：当有太阳辐射时，将经过方位计算或传感器检测得到的太阳位置信息作为给定值，与传动机构中的太阳电池阵列的位置信息进行比较，其偏差值送给跟踪控制器，控制器利用得到偏差信号进行算法上的处理后驱动电机与机械传动，控制太阳电池阵列随着太阳位置的变化而变化跟踪角度，从而达到跟踪的目的。

自动追光过程中，光伏板件东西方向的运动轨迹依据附图2变化。光伏板旋转定位系统跟踪范围，在夜间或大风期间处于安全模式(即放平状态)。

直流电机模型描述如下：

式中，δ—转子输出转角(rad)，ω—转子速度(rad/s)，ia—电枢电流(a)，v—端电压(v)，a—反负载机械常数，b—小的负电枢电流系数，r—电枢阻抗(ω)，l—电枢感抗(h)，t(t)—负载转矩(n/m)，j—转子的转动惯量(kg/m2)，f—摩擦力(n)，将其转化为以下状态方程得

y＝x1

式中：

k2＝a/j,k3＝b/j,k4＝-1/j,k5＝-a/l,

k6＝-b/l,k7＝-r/l,k8＝-1/l.

2)、线性自抗扰控制器(ladrc)设计：

由于光伏板旋转定位控制系统的倾角传感器测量传感器的限制，除了倾角的状态实时可测外，其他状态不可测和外界干扰(不定向的风力等因素)的存在，因此设计具有抗扰动性能的三阶线性自抗扰控制(ladrc)实现对光伏板旋转定位系统的控制，其基本原理是利用扩张状态观测器(eso)在估计系统状态的同时，对系统的总和扰动(包括未建模动态以及外界干扰)进行估计，并利用得到的估计值对跟踪控制系统进行前馈补偿，进而设计线性反馈控制律实现光伏板旋转定位系统的跟踪控制。基于三阶ladrc的光伏板旋转定位控制系统结构如附图3所示。

设计的线性自抗扰控制器包括三部分。第一部分设计线性跟踪微分器(ltd)，安排过渡过程，将设定的参考信号平滑化防止产生超调。给定信号θ^*作为参考输入，经过跟踪微分器获得参考角度θ^*的过渡值v1、一阶导v2、二阶导v3，并作为控制律的一部分，其形式为：

式中，r为可调节的跟踪微分器的快速因子，所设计的ltd不仅可以获得v1、v2、v3,还具有一定的滤波功能。

第二部分为线性扩张状态观测器(leso)，目的是为了得到光伏板旋转倾角θ的跟踪值z1，一阶导z2，二阶导z3与总和扰动zθ，其中倾角的跟踪值z1，一阶导z2，二阶导z3作为控制律的一部分，zθ作为系统总和扰动实时估计。设计的线性扩张状态观测器形式为:

求得线性扩张状态观测器的特征方程为:

s⁴+β01s³+β02s²+β03s+β04

改写为理想特征方程(s+w)⁴,于是把参数β01,β02,β03,β04配置成4w,6w²,4w³,w⁴形式,w称为观测器带宽，其中w根据系统带宽的要求确定或在线整定，一般情况下w的适应范围很宽，因此比较容易调整出合适的w。

由上述分析可写：

第三部分为控制律，其形式如下:

式中，k1,k2,k3为控制器增益，它们的符号以构成负反馈为准。

3)、仿真验证：通过一个仿真例子来检验所提出的控制器的可行性。采用的直流电机参数为110v，1800rpm，2.5hp电机，r＝1ω，l＝0.046h，f＝0.008n，j＝0.093kg/m2，a＝0.57，b＝-0.01，tl＝aω²,a＝0.00028，并将系统进行近似处理，取采样周期h＝0.005s，采用的自抗扰控制器参数如下

注：r决定系统跟踪目标的快慢,根据系统响应的快慢需求预先调试得到；b0近似为系统稳定时控制输入的放大系数的近似值。整个调参过程中需要调节的只有k1,k2,k3这3个量，它们的符号以构成负反馈为准，由pid调参原则，使得系统响应最优。

如附图4所示，本发明采用pid方法与ladrc方法比较，本发明方法较pid方法具有更好的跟踪控制性能。在系统稳定运行的第15小时引入一个干扰，控制的倾角迅速回正，跟踪变化曲线如附图4中子图所示，补偿前与补偿后的控制量曲线如附图5所示，以及对总和扰动的估计值如附图6所示，表明本发明方法使得系统具有良好的响应和抗扰动性能，ladrc方法能实现对光伏板旋转定位系统很好地跟踪控制。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。