專利名稱：太陽能追光電力能源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提出了一種太陽能追光電力能源系統(tǒng)，可以應(yīng)用到太陽能發(fā) 電、電力能源、自動控制、人工智能等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在能源緊缺的二十一世紀(jì)，太陽能的利用逐漸被廣大人們所重視。如何 有效采集和利用太陽能成為熱點話題。目前世界上太陽能采集系統(tǒng)主要采用 的是機械的單方向式采集。主要用于偏遠地區(qū)家庭儲能供電、路燈供電等。 該采集方式一般不包含任何智能控制系統(tǒng)，太陽能板隨意擺放在朝陽位置， 一年四季不會改變。
一天內(nèi)只有少部分時間段采集太陽能效率達到最高(太
陽光入射方向與太陽能板垂直)，而其余時間均低效運轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)簡單是該太陽 能采集系統(tǒng)的優(yōu)點，但是該系統(tǒng)效率低下，投入與獲得不能達到正比，利益 無法最大化。
對于現(xiàn)在市場上具有一定智能控制功能的太陽能采集系統(tǒng)，其控制算法 較簡單，不能有效地減少電機在太陽能采集時的誤操作，電能浪費較大。由 于沒有對采集信號進行有效的處理，電機運轉(zhuǎn)易抖動，沒有在一定程度上保 護電機，降低了電機壽命與系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時甚至燒毀整個系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有太陽能采集系統(tǒng)的上述缺陷，提供了一 種太陽能追光控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以對周圍光信息進行實時采集，判斷光強 最大位置，并使用人工智能算法控制一維電機與二維電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，分 別實現(xiàn)太陽能板水平面一維旋轉(zhuǎn)以及豎直面二維旋轉(zhuǎn)，使太陽光垂直入射至 太陽能板，實現(xiàn)太陽能的實時高效采集。解決了傳統(tǒng)單方向式采集的低效運 轉(zhuǎn)問題。能夠減少電機在太陽能采集時的誤操作，降低電機運轉(zhuǎn)時的抖動問 題，解決了低速運行時電機堵轉(zhuǎn)問題，和增加了過壓保護機制，在一定程度
上既保護了電機，又可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行，從而提高了整個追光系統(tǒng) 的綜合性能和穩(wěn)定性。為太陽能采集系統(tǒng)應(yīng)用于實際工程，特別是對人工智 能應(yīng)用領(lǐng)域，提供解決方案和有效幫助，更好的滿足實際應(yīng)用的需求。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。本系統(tǒng)主要包括
有信號采集處理電路1、 CPU控制電路2、電機驅(qū)動電路3、鍵盤顯示電路4
和電源電路5;其中
信號采集處理電路1包括有多傳感器接入電路1. 1、信號增強電路1. 2;
多傳感器接入電路1.1的輸入端與/支傳感器&…S,的輸出端相連接，接 收范圍為0 ^^電壓待測信號，「_為輸入電壓峰值，其中<^..^，/ + 1"是 水平方向部署的傳感器，S,+,…S,是豎直平面部署的傳感器，為保證控制精度 取P8， /-) = 2。多傳感器接入電路L1的輸入端將傳感器S,…S,所采集的信 號4…4接入;多傳感器接入電路1. 1的輸出端與信號增強電路1.2相連接， 把采集到的模擬信號進行放大、除噪處理，處理結(jié)果為4,'…A/;
信號增強電路1. 2輸出端與CPU控制電路2中的A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1的輸 入端相連接，將4,'…《,'送入CPU控制電路2中；
CPU控制電路2包括有A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1、運算處理模塊2. 2、 D/A轉(zhuǎn)換 模塊2.3、 P麗波生成模塊2.4;
CPU控制電路2的A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1與信號采集處理電路1的信號增強電 路1.2的輸出端相連接，接收信號增強電路1.2處理后的模擬量電壓值；A/D 轉(zhuǎn)換模塊2. 1將接收到的模擬量電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量/iV，…/iV,; A/D轉(zhuǎn)換模塊 2. 1的輸出與運算處理模塊2. 2相連接，將轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量送至運算處理模 塊2.2;
運算處理模塊2. 2的輸入與A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1的輸出相連接，根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換模塊2. 1轉(zhuǎn)換的信號計算出實際的電壓值，存儲于CPU控制電路2的RAM 中，并送至鍵盤顯示電路3中的顯示部分顯示；通過對一維及二維各方向輸
入信號的比較運算，輸出數(shù)字信號至D/A轉(zhuǎn)換模塊2.3;
D/A轉(zhuǎn)換模塊2. 3的輸入與運算處理模塊2. 2運算處理完成的輸出相連 接，接收運算處理模塊2. 2輸出的數(shù)字信號OLT,…C^/t; ， D/A轉(zhuǎn)換模塊2. 3的 輸出端與P麗波生成模塊2. 4的輸入端相連接；
P麗波生成模塊2. 4將從D/A轉(zhuǎn)換模塊2. 3接收到的模擬信號4;…4^,'轉(zhuǎn) 化為用以控制電機的等比例占空比的P麗波信號4w…4w,; PWM波生成模塊 2. 4的輸出與電機驅(qū)動電路3相連接，將電機控制信號輸出至電機驅(qū)動電路3 用于驅(qū)動電機；
電機驅(qū)動電路3的輸入端與CPU控制電路2中P麗波生成模塊2. 4相連 接，接收P麗波控制信號；輸出端與一維電機、二維電機的控制信號輸入端 相連接，分別控制一維電機以及二維電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
鍵盤顯示電路4通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路2 相連接，鍵盤顯示電路4中的顯示部分用于顯示A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1實時轉(zhuǎn)換 的結(jié)果；鍵盤顯示電路4中的鍵盤通過鍵盤顯示控制芯片與CPU控制電路2 相連接；
電源電路5為以上各電路提供電源。
信號采集處理電路1所接收到的信號，^…&為分布在一個與水平面平行 的圓盤四周的光電傳感器，光電傳感器對稱的分布在圓盤四周，感光面與圓 周切線平行，實時采集系統(tǒng)周圍光信息等待處理；^+,…&為分布與豎直平面 即二維追光平面平行的圓周四周的光電傳感器， 一般取兩個。其中上方傳感 器感光面與太陽能板夾角"朝上，下方傳感器感光面與太陽能板夾角"朝下， 其中0</<45，以保證感應(yīng)信號有所差別以待處理，擴大敏感區(qū)。
2.裝置工作流程
CPU控制電路2通過信號采集處理電路l讀取傳感器《…S/采集到的光電 信號并對其進行如下處理其中S…^是水平平面部署的傳感器，《…S是
豎直平面部署的傳感器；
運用平滑網(wǎng)絡(luò)多階伺服控制方法，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化配置、輸入平 滑化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、多階映射輸出5個核心步驟構(gòu)成 步驟l，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置
參數(shù)分為兩類配置的參數(shù)只需在系統(tǒng)第一次運行前輸入一次即可，系 統(tǒng)運行后其值不發(fā)生改變；初始化的參數(shù)是在系統(tǒng)上電運行后，由程序?qū)⑵?賦值，系統(tǒng)運行后其值會被程序改變；
配置訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)M^"(.):即為適應(yīng)各種復(fù)雜或無預(yù)先控制經(jīng)驗的情況
x(l，l) … x("，l)
而從環(huán)境中提取的訓(xùn)練樣本，M,ra, (.)為一矩陣
琳&) … 順
，每
一行表示一個訓(xùn)練樣本。其中變量。表示一共有"個傳感器的輸入數(shù)據(jù)，x(W) 表示第6個訓(xùn)練樣本中第/個的傳感器的輸入數(shù)據(jù)，其中/ = 1，2,—,"，而 "U-;w，， w表示一共有"個訓(xùn)練樣本，跟據(jù)實際設(shè)計要求設(shè)定訓(xùn)練樣本個數(shù)， 此系統(tǒng)中取訓(xùn)練樣本個數(shù)"=50， y(6)表示第6個訓(xùn)練樣本的目標(biāo)值，在系統(tǒng)第 一次運行前，通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)將M,一(.)存入Flash 的空間，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤 進行修改，如果M^(.)己經(jīng)輸入過并無需修改，則可跳過這一步；
配置經(jīng)驗權(quán)值表『(.)即以前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的各個權(quán)值關(guān)系， 如果存在經(jīng)驗權(quán)值表『(.)，則只需在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸 入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，如果不存在經(jīng)驗權(quán)值 表『(.)，則可通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練得出并保存，配置『(.)后，由 系統(tǒng)軟件判斷決定是否加載，『(.)可通過控制器上的鍵盤對其進行修改；
配置訓(xùn)練次數(shù)最大值r :r是標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)的參數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計要
求設(shè)定，只需在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)
運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤對其進行修改;
配置網(wǎng)絡(luò)收斂閾值w: w是標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)收斂程度的參數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計要求 設(shè)定，用于判定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)是否收斂，只需在系統(tǒng)第一次運行前 通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變， 但可通過控制器上的鍵盤進行修改；
配置多階映射參數(shù)各參數(shù)取值根據(jù)實際設(shè)計要求人工設(shè)定，％_和 -X^為截止區(qū)的啟動閾值，用于消除電機運轉(zhuǎn)時的抖動問題，義 。_,和-% 。
。, 為最小電壓啟動區(qū)的線性閾值，用于解決低速運行時電機堵轉(zhuǎn)問題，義_和 -^_為正常工作區(qū)的飽和閾值，用于過壓保護，it為映射系數(shù)，反映系統(tǒng)工 作狀態(tài)位于正常工作區(qū)中的輸入輸出信號之間的映射關(guān)系，以上各參數(shù)只需 在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不 發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤進行修改；
步驟2，輸入平滑化
將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的信號/iV,通過低通濾波的方法處理，除去跳變點噪聲，得
到輸入信號的中間狀態(tài)量/y:，再經(jīng)過歸一化方法處理，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入
步驟3，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算
如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有以前系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的經(jīng)驗權(quán)值表可以加載，則跳轉(zhuǎn)
到步驟5 (神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練)；
如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有以前系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的經(jīng)驗權(quán)值表可以加載，則加載經(jīng)
驗權(quán)值表；
給出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號/7V,"，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向計算，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的輸出(9f/7;;
步驟4，多階映射輸出
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前向計算的輸出oc/7;通過如下映射關(guān)系，其中ot/j;即為式中的
x， OL7;'即為式中的;;，得到輸出控制量的中間狀態(tài)量OL7;'，再經(jīng)過反歸-
化方法處理，得到最終的控制量Of/7;;
<formula>formula see original document page 9</formula>
義自和-義自為截至區(qū)的啟動閾值，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號x位于imin和 -x^之間時，輸出多階映射信號y-0，這是為了防止在正反轉(zhuǎn)臨界點處發(fā)生
的頻繁換向抖動；
A。"和-義"。_,為最小電壓啟動區(qū)的線性閾值，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號x位 于y謹(jǐn)和A。"(或-z^和-z"腳。,)之間時，輸出多階映射信號"議咖域
少=-^min)，這里議mm和-議^為用恒定的電壓代替電機驅(qū)動信號較小時的
電壓，這是為了防止小輸出時電機堵轉(zhuǎn)和提高響應(yīng)速度；
y,和-I隨為正常工作區(qū)的飽和閾值，當(dāng)X位于A。"和義隨(或-^ax和
-L自,)之間時，輸出多階映射信號J^&，即進行線性映射；
當(dāng)x大于X隨(或x小于-X隨)時，多階映射信號"議隨(或"-議J，
這里議_是多階映射信號的飽和值，這是為了限幅，通過限制電壓最大值防
止各種情況造成的電機燒毀；
對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的控制量的中間狀態(tài)量Of/7;'再經(jīng)過反歸一化方法處理， 得到最終的控制量Ot/7; ，CPU控制電路將該控制量轉(zhuǎn)化為用于驅(qū)動電機的P麗 波信號輸出給電機驅(qū)動電路3;控制一維電機和二維電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
步驟5:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
從Flash中讀取訓(xùn)練樣本M,(.)，使用最速下降法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，
訓(xùn)練完成后保存權(quán)值表到Flash中，跳轉(zhuǎn)到步驟3。 本實用新型的有益效果
1) 本實用新型對電機控制信號作了多階映射的處理，最大程度上考慮到 了電機的各種工作狀態(tài)，盡可能的使其在整個控制過程中均處于最佳工作狀 態(tài)，同時也將能耗降到了最低。能夠減少電機在太陽能采集時的誤操作，降 低電機運轉(zhuǎn)時的抖動問題，解決了低速運行時電機堵轉(zhuǎn)問題，和增加了過壓 保護機制，在一定程度上既保護了電機，又可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行，從 而提高了整個追光系統(tǒng)的綜合性能和穩(wěn)定性。
2) 本實用新型首次將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于太陽能追光電力能源系統(tǒng)中，
通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身對先驗經(jīng)驗的學(xué)習(xí)利用，最大程度上的繼承了以往工 程師的控制經(jīng)驗，同時運用其自適應(yīng)功能，進一步提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能 力，最終使得整套系統(tǒng)可以獨立的應(yīng)付各種復(fù)雜的控制環(huán)境。
3) 本實用新型的系統(tǒng)傳感器布位具有獨創(chuàng)性，能夠?qū)崟r采集最有利于追 光控制的光強信息，通過一維、二維光強信息的處理，實現(xiàn)追光路徑的最優(yōu) 化，具有反應(yīng)靈敏、可靠性高的特點。


圖1太陽能追光電力能源系統(tǒng)電路模塊連接圖
圖2 —維傳感器布位原理圖
圖3 二維傳感器布位原理圖
圖4多階映射函數(shù)圖
圖5太陽能追光電力能源系統(tǒng)工作流程圖
圖中1、信號采集處理電路，2、 CPU控制電路，3、電機驅(qū)動電路，4、 鍵盤顯示電路，5、電源電路，6、上方傳感器，7、太陽能板，8、下方傳感器。
具體實施方式
本實施例首先對太陽能追光電力能源系統(tǒng)的硬件裝置實例進行詳細描
述，接下來對該系統(tǒng)和方法完整的實施過程進行詳細描述。 1.太陽能追光電力能源系統(tǒng)的硬件裝置實例 本實施例的硬件電路，主要包括有信號采集處理電路l、 CPU控制電路2、
電機驅(qū)動電路3、鍵盤顯示電路4和電源電路5五個核心部分組成，見附圖1。
傳感器布位的問題 一維傳感器布位原理
首先考慮信息采集模塊的設(shè)計。因為這直接決定了采集四周光強信息的 效率及準(zhǔn)確性。對光信息采集問題進行了數(shù)學(xué)建模
只考慮傳感器布位所在平面上的光強分布，并假設(shè)光電傳感器的感光范
圍為180度，整個系統(tǒng)需要在360度的范圍內(nèi)接收信號，傳感器需分布在一
圓盤四周。
本系統(tǒng)需要傳感器在同一時間內(nèi)得到盡量多的信息送給單片機進行處 理。而單片機的處理能力與管腳都是有限的，所以傳感器的數(shù)量也要有一定 限制。
本系統(tǒng)采用由8個傳感器均勻分布組成的八向傳感布位。系統(tǒng)采光情況 如附圖2所示。
(0) 區(qū)盲區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的信號傳感器無法接收到。
(1) 區(qū)有l(wèi)個傳感器可以接收到此信號。
(2) 區(qū)有2個傳感器可以接收到信號，是比較理想的區(qū)域。
(3) 區(qū)有3個傳感器可以接收到信號，是比較理想的區(qū)域。
通過附圖2可以看出，8個傳感器可以極大的減少(0)區(qū)與(1)區(qū)所占空間 (只在傳感器附近的很小范圍內(nèi))，增加(2)區(qū)與(3)區(qū)所占空間，增加采集的 信號，利于單片機的處理與程序的最優(yōu)化。而且8位信號也是單片機管腳可 以分配的。
因此本系統(tǒng)采用上述的傳感器八向采光定位設(shè)計。
二維傳感器布位原理
只考慮傳感器布位所在平面上的光強分布，并假設(shè)光電傳感器的感光范 圍為180度。
上方傳感器感光面與太陽能板夾角7為0度~45度角朝上，下方傳感器感 光面與太陽能板夾角y為0度 45度角朝下，以保證感應(yīng)信號有所差別以待處 理，擴大敏感區(qū)。設(shè)計如附圖3所示。
(0) 區(qū)盲區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的信號傳感器無法接收到。
(1) 區(qū)有一個傳感器可以接收到此信號。
(2) 區(qū)有兩個傳感器可以接收到信號。
當(dāng)光源在偏上方時。假設(shè)光源發(fā)出的光到達兩傳感器沒有衰減。則通過 角度計算可知
上方傳感器接收的光強為垂直于其感光面的光強(設(shè)總光強為L)
下方傳感器接收的光強為 L2=L*sinP
因為a〉P，所以sina〉 sinP，則Ll〉 L2，上方傳感器接收到的信號 大于下方傳感器接收到的信號。這種差異可以有效地提供給單片機使之進行 判斷運算。由以上分析可知，這種設(shè)計是高效可用的，本系統(tǒng)采取了這種設(shè) 計。
當(dāng)光源在偏上位置時，上方傳感器接收到的信號大于下方傳感器接收到 的信號。這種差異可以有效地提供給單片機使之進行判斷運算。由以上分析 可知，這種設(shè)計是高效可用的，本系統(tǒng)采取了這種設(shè)計。
信號采集處理電路l，見附圖1.1，作用是將光電傳感器采集的輸入信號 接入，處理成為CPU控制電路2中A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1可以處理的信號形式。 信號處理電路1有10個復(fù)用的模擬信號輸入接口，可以作為多傳感器接入電 路1. 1的輸入(接入0 500mV待測信號)。信號處理電路1有一個輸出接口， 輸出電壓0 5V，輸出給A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1。 多傳感器接入電路1.1有10個模擬信號接口，與0 500mV待測信號 ^…4,相連接，輸出接在信號增強電路1.2的輸入上，即后級運算放大器的 輸入管腳。
信號增強電路1. 2使用324運算放大器放大光電池電壓，正比例電路倍 數(shù)調(diào)至3. 5倍，即光電池輸出0. IV電壓，經(jīng)324后放大為0. 35V。為了調(diào)整 光電池參數(shù)使之在同一水平上，給每個光電池并上IOO千歐的電阻。
CPU控制電路2使用功能比較強大的C8051F020單片機，C8051F020具有 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25MIPS)， 1位 (C8051F020/1)或IO位(C8051F022/3)、 100 ksps的8通道ADC，帶PGA 和模擬多路開關(guān)，8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)，兩 個12位DAC， 64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352 (4096+256)字 節(jié)的片內(nèi)R細，5個通用的16位定時器100腳TQFP封裝。
由于C8051F020單片機內(nèi)己經(jīng)集合了 A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1、運算處理模塊 2. 2和D/A轉(zhuǎn)換模塊2. 3，并通過軟件可以實現(xiàn)P麗波生成模塊2. 4的功能， 所以不再另行設(shè)計硬件電路以實現(xiàn)其功能。
電機驅(qū)動電路3使用驅(qū)動芯片L298。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步 進電機的專用芯片，利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機，這種方法有一 系列的優(yōu)點。每一組P麗波用來控制一個電機的速度，而另外2個I/O 口可 以控制電機的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也很簡單， 一個芯片內(nèi)包含有8 個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性。但驅(qū)動電流只能達到2A，要增加電流 可用2片并聯(lián)或選用類似的大電流的芯片，還有一點是電壓限制，298最高電 壓只能用到40V。安全電壓一般在36V左右。
鍵盤顯示電路4使用了 2X16字符LCD顯示器，其可顯示的字符較多， 易于單片機控制，方便用戶觀看。
電源電路5使用線性穩(wěn)壓元件，先經(jīng)過整流濾波電路，即所謂的整流橋, 將交流電壓轉(zhuǎn)化為支流電壓，然后經(jīng)過濾波電容后進入7805、 7812、 7912，
輸出恒壓。
在設(shè)計電路時注意以下參數(shù)計算
輸出電壓平均值1'2"2
電容的耐壓值^'17^72 (波動范圍為正負10%)
二極管的選擇
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2.太陽能追光電力能源系統(tǒng)和方法完整的實施過程 系統(tǒng)運行流程圖與信號流圖見附圖5
1) 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理
步驟(一)通過多傳感器接入電路1. 1將10支傳感器S,…S,。采集到的模
擬信號4,…4,。輸出給信號增強電路1.2，其中4,…《8是一維方向部署的傳 感器Us接收到的信號，4,,..《,。是二維方向部署的傳感器59.^,。接收到的
信號；
步驟(二)信號增強電路1. 2將接收到的模擬信號《,…《,。進行放大增強
處理，輸出為A/D轉(zhuǎn)換模塊2.1可讀的模擬信號4^'…4,。'；
步驟(三)A/D轉(zhuǎn)換模塊2. 1接收到信號增強電路1. 2處理完成的模擬信 號4,'…4h/，將其進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出為運算處理模塊2.2可以處理的數(shù)字
數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理完成；
2) 運用平滑網(wǎng)絡(luò)多階伺服控制方法，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化配置、輸入 平滑化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、多階映射輸出5個核心步驟構(gòu)成
步驟(一)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置
參數(shù)分為兩類配置的參數(shù)只需在系統(tǒng)第一次運行前輸入一次即可，系
統(tǒng)運行后其值不發(fā)生改變；初始化的參數(shù)是在系統(tǒng)上電運行后，由程序?qū)⑵?賦值，系統(tǒng)運行后其值會被程序改變；
配置訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)M^(.):即為適應(yīng)各種復(fù)雜或無預(yù)先控制經(jīng)驗的情況
'jc(i,i)… :Ki)-
而從環(huán)境中提取的訓(xùn)練樣本，M⑩(.)為一矩陣
琳6)… 順
，每
一行表示一個訓(xùn)練樣本。其中變量"表示一共有"個傳感器的輸入數(shù)據(jù)，x(/,6)
表示第6個訓(xùn)練樣本中第/個的傳感器的輸入數(shù)據(jù)，其中^1,2,…，"，而 6=U..; ，， w表示一共有w個訓(xùn)練樣本，跟據(jù)實際設(shè)計要求設(shè)定訓(xùn)練樣本個數(shù)， 此系統(tǒng)中取訓(xùn)練樣本個數(shù)"=50， "6)表示第6個訓(xùn)練樣本的目標(biāo)值，在系統(tǒng)第 一次運行前，通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)將M,一(.)存入Flash 的空間，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤 進行修改，如果M一(.)已經(jīng)輸入過并無需修改，則可跳過這一步；
配置經(jīng)驗權(quán)值表『(.)即以前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的各個權(quán)值關(guān)系， 如果存在經(jīng)驗權(quán)值表『(.)，則只需在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸 入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，如果不存在經(jīng)驗權(quán)值 表PT(.)，則可通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練得出并保存，配置『(.)后，由 系統(tǒng)軟件判斷決定是否加載，『(.)可通過控制器上的鍵盤對其進行修改；
配置訓(xùn)練次數(shù)最大值r :r是標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)的參數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計要 求設(shè)定，本系統(tǒng)中取7 = 1000，只需在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤 輸入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上 的鍵盤對其進行修改；
配置網(wǎng)絡(luò)收斂閾值w: w是標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)收斂程度的參數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計要求
設(shè)定，用于判定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)是否收斂，這里取^ = 0.010，只需在系 統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)運行后其值不發(fā)生
程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤進行修改；
配置多階映射參數(shù)各參數(shù)取值根據(jù)實際設(shè)計要求人工設(shè)定，Xmijn-Xm,n 為截止區(qū)的啟動閾值，用于消除電機運轉(zhuǎn)時的抖動問題，本系統(tǒng)中?。?=0.5， A,。,和-A。，，為最小電壓啟動區(qū)的線性閾值，本系統(tǒng)中取義 _,=3.5，用于
解決低速運行時電機堵轉(zhuǎn)問題，1_和-z^為正常工作區(qū)的飽和閾值，本系
統(tǒng)中取^_=12，用于過壓保護，yt為映射系數(shù)，本系統(tǒng)中取* = 1，反映系統(tǒng) 工作狀態(tài)位于正常工作區(qū)中的輸入輸出信號之間的映射關(guān)系，以上各參數(shù)只 需在系統(tǒng)第一次運行前通過控制器上的鍵盤輸入一次即可，系統(tǒng)運行后其值 不發(fā)生程序運行而改變，但可通過控制器上的鍵盤進行修改； 步驟(二)輸入平滑化
第①步將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的信號/iV,…/^。通過低通濾波的方法處理，除去跳
變點噪聲，得到輸入信號的中間狀態(tài)量w;…/M。，修正原則是如果a寸刻的
電壓值W,(O與之前或之后的"個時刻電壓值平均值的差值的絕對值，大于"寸 刻之前或之后w個時刻電壓值之間差值絕對值的平均值，需要修正，即
取<formula>formula see original document page 16</formula>
式(1)中，卜"表示時刻/之前7個時刻，則取(卜^表示采樣時刻卜;7時
的電壓值，取(o是,時刻的電壓值，碼(卜/7-1)表示卜"-i時刻的電壓值；" 是界定強度，取值范圍為0% 100%，這里取《 = 30%;
式(2)中，取(O是Z時刻的電壓值，則/iV,( + 77)表示采樣時刻"/7時的
電壓值，/W,("/7 + l)表示f + 7 + l時刻的電壓值，a是界定強度，取值范圍為 0% 100%，這里取a = 30% ;
如果Z時刻的電壓值/AUO滿足(！)式或(2)式，則修正為
/Ar;(0=/iV'( —"風(fēng)("D;其中，/W,(卜l)為卜l時刻的電壓值，/iV,("l)為"l 時刻的電壓值，(0為f時刻經(jīng)修正的電壓信號；
第②步再經(jīng)過歸一化方法處理，操作結(jié)果為=
其中，/乂:'W為經(jīng)過歸一化的電壓信號，/iVmax為允許輸入電壓信號的最 大值，取/iVmax-255;
步驟(三)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算
如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有以前系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的經(jīng)驗權(quán)值表可以加載，則跳轉(zhuǎn) 到步驟(五)(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練)；
如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有以前系統(tǒng)訓(xùn)練后存儲的經(jīng)驗權(quán)值表可以加載，則加載經(jīng) 驗權(quán)值表；
給出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號W;'，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向計算，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的輸出0t/r;這里V-l,2;
步驟(四)，多階映射輸出
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前向計算的輸出通過如下映射關(guān)系，其中C^r/即為式中的
x， 0"《即為式中的少，得到輸出控制量的中間狀態(tài)量0"7;';
<formula>formula see original document page 18</formula>
yrain和-Xm,n為截至區(qū)的啟動閾值，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號;c位于Xmm和 -X^之間時，輸出多階映射信號;;=0，這是為了防止在正反轉(zhuǎn)臨界點處發(fā)生 的頻繁換向抖動；
^—,和-義,，。^為最小電壓啟動區(qū)的線性閾值，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號x位
于義畫和^。卿，(或-義師和_^—)之間時，輸出多階映射信號"議關(guān)域 y = -Wmin)，這里議^和-議^為用恒定的電壓代替電機驅(qū)動信號較小時的 電壓，這是為了防止小輸出時電機堵轉(zhuǎn)和提高響應(yīng)速度；
義隨和-"m狀為正常工作區(qū)的飽和閾值，當(dāng)x位于A讓,和^隨(或-X隨和 之間時，輸出多階映射信號^-"，即進行線性映射；
當(dāng)X大于X隨(或X小于-X隨)時，多階映射信號"議隨(或"-議J， 這里議_是多階映射信號的飽和值，這是為了限幅，通過限制電壓最大值防
止各種情況造成的電機燒毀；
再經(jīng)過反歸一化方法處理，得到最終的控制量067;，操作結(jié)果為 06^=6>f/r7:X(^， y為逆歸一化系數(shù)，這里取y"3; 步驟(五)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
從Flash中讀取訓(xùn)練樣本M,(.)，使用最速下降法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練， 訓(xùn)練完成后保存權(quán)值表到Flash中，跳轉(zhuǎn)到步驟(三)。 3)電機轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)
步驟(一)D/A轉(zhuǎn)換模塊2. 3接收運算處理模塊2. 2處理完成的數(shù)字信號 OLT,…0"7;，將其進行D/A轉(zhuǎn)換，輸出為P麗波生成模塊2.4可以處理的模
步驟(二) P麗波生成模塊2. 4將接收到的模擬信號4"…4^'按電壓大
小線性轉(zhuǎn)化為一定占空比的用于驅(qū)動電機的P麗波信號4^…4w,2輸出給電機
驅(qū)動電路3;
步驟(三)電機驅(qū)動電路3通過接收到的P麗波信號4w,控制一維電機轉(zhuǎn)
速和轉(zhuǎn)向，通過接收到的P麗波信號之,2控制二維電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
電機轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)完成。返回l)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理的步驟(一)。
權(quán)利要求1.太陽能追光電力能源系統(tǒng)，其特征在于包括有信號采集處理電路(1)、CPU控制電路(2)、電機驅(qū)動電路(3)、鍵盤顯示電路(4)和電源電路(5)；其中所述的信號采集處理電路(1)包括有多傳感器接入電路(1.1)和信號增強電路(1.2)；多傳感器接入電路(1.1)的輸入端與i支傳感器S1…Si的輸出端相連接，其中的S1…Sj是水平平面部署的傳感器，j+1≤i；Sj+1…Si是豎直平面部署的傳感器；多傳感器接入電路(1.1)的輸出端與信號增強電路(1.2)相連接；所述的CPU控制電路(2)包括有A/D轉(zhuǎn)換模塊(2.1)、運算處理模塊(2.2)、D/A轉(zhuǎn)換模塊(2.3)和PWM波生成模塊(2.4)；CPU控制電路(2)的A/D轉(zhuǎn)換模塊(2.1)與信號采集處理電路(1)的信號增強電路(1.2)的輸出相連接；A/D轉(zhuǎn)換模塊(2.1)的輸出與運算處理模塊(2.2)相連接；運算處理模塊(2.2)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊(2.1)轉(zhuǎn)換的信號計算出實際的電壓值，存儲于CPU控制電路(2)的RAM中，并送至鍵盤顯示電路(3)中的顯示部分顯示；D/A轉(zhuǎn)換模塊(2. 3)的輸入與運算處理模塊(2.2)的輸出端相連接，D/A轉(zhuǎn)換模塊(2.3)的輸出端與PWM波生成模塊(2.4)的輸入端相連接，PWM波生成模塊(2.4)將從D/A轉(zhuǎn)換模塊(2.3)接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為用以控制電機的等比例占空比的PWM波信號；PWM波生成模塊(2.4)的輸出與電機驅(qū)動電路(3)相連接，將電機控制信號輸出至電機驅(qū)動電路(3)用于驅(qū)動電機；電機驅(qū)動電路(3)的輸出端分別與一維電機、二維電機的控制信號輸入端相連接，分別控制一維電機以及二維電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，所述的一維電機為驅(qū)動水平布置的傳感器的電機，二維電機為驅(qū)動豎直布置的傳感器的電機；鍵盤顯示電路(4)通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路(2)相連接，鍵盤顯示電路(4)中的顯示部分用于顯示A/D轉(zhuǎn)換模塊(2.1)實時轉(zhuǎn)換的結(jié)果；鍵盤顯示電路(4)中的鍵盤通過鍵盤顯示控制芯片與CPU控制電路(2)相連接；電源電路(5)為以上各電路提供電源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l中所述的太陽能追光電力能源系統(tǒng)，其特征在于所述的 光電傳感器《…S/沿水平圓盤的圓周均勻分布，每個光電傳感器的感光面都與 圓周切線平行；所述的S^…S,沿豎直平面內(nèi)的圓周均勻分布。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能追光電力能源系統(tǒng)，其特征在于所述的水 平布置的光電傳感器的個數(shù)J)8且豎直平面內(nèi)布置的光電傳感器的個數(shù)為2;豎直平面內(nèi)的上方傳感器(6)和下方傳感器(8)的感光面與太陽能板(7) 的夾角均為y，0<y<45° 。
專利摘要本實用新型提出了一種太陽能追光電力能源系統(tǒng)，可以應(yīng)用到太陽能發(fā)電、電力能源、自動控制、人工智能等領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括有信號采集處理電路(1)、CPU控制電路(2)、電機驅(qū)動電路(3)、鍵盤顯示電路(4)和電源電路(5)。該系統(tǒng)及多傳感器布局可以太陽能板實時轉(zhuǎn)至最佳采光點，高效采能儲能。平滑網(wǎng)絡(luò)多階伺服控制方法，能夠解決電機換向時的抖動問題、低速運行時電機堵轉(zhuǎn)問題和各種情況導(dǎo)致的過壓電機燒毀問題。本實用新型特別提高了太陽能系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和智能化程度。
文檔編號G05D3/00GK201199676SQ20082008001
公開日2009年2月25日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者于人杰, 劉經(jīng)緯, 渝 曾, 蕾 楊, 甄博然, 邱曉飛, 陳思承 申請人:北京工業(yè)大學(xué)