Построение системы управления процессом ориентации панели солнечной батареи в среде динамического моделирования технических систем SimInTech
Автор: Л.А. Михайленко, В.В. Устименко, А.В. Чубарь
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Инновации космической отрасли
Статья в выпуске: 3, 2020 года.
Бесплатный доступ
Энергетическая эффективность панелей солнечных батарей во многом определяется точностью их ориентации на Солнце. В статье представлены результаты разработки системы программного управления процессом ориентации панели солнечной батареи в зависимости от географического расположения и календарной даты. Модель системы реализована в среде динамического моделирования технических систем SimInTech и включает модель комплекса электромеханических устройств ориентации панели солнечной батареи, дискретный ПИД-регулятор и блок программного управления, которые реализованы на основе типовых блоков и субмоделей SimInTech. Система ориентации панели позволяет изменять координаты азимута и места, определяющие ориентацию панели в трехмерном пространстве и управлять ими по заданной программе. Система реализована как пакет проектов, взаимодействующих через общую базу сигналов, которая обеспечивает обмен информацией между проектами, делая модель системы гибкой и универсальной. Результат работы системы управления представлен в 3D модуле визуального редактора, который позволяет наглядно отследить результаты управления и эффективность использования оборудования. Для подтверждения показателей качества управления ориентацией панели солнечной батареи производится расчет процента получаемой энергетической мощности.
Панель солнечной батареи, система управления, динамическое моделирование, SimInTech, 3D визуализация
Короткий адрес: https://sciup.org/14117450
IDR: 14117450 | DOI: 10.26732/j.st.2020.3.06
Текст статьи Построение системы управления процессом ориентации панели солнечной батареи в среде динамического моделирования технических систем SimInTech
Космическая индустрия может показаться на первый взгляд чем-то отдаленным и недоступным, однако большая часть населения даже не предполагает как ежедневно встречает космические технологии, которые применяются в бытовых вещах и используются каждый день. Например, это выражается в использовании современных источников электроэнергии на основе солнечных батарей.
Актуальность использования современных источников электроэнергии связано со стремительной скоростью исчерпывания традиционных ресурсов и ужесточению требований экологии. Дефицит и ограниченность ресурсов постепенно приводят к переходу к альтернативным источникам энергии, которые возобновляемы, а главное экологичны.
Преобразование солнечной энергии является одним из перспективных и активно развиваемых направлений [1], так как солнечная энергия широкодоступна, практически безгранична и не загрязняет окружающую среду. Важность такого перехода трактуется несколькими фундаментальными аспектами:
-
• Экология. Относительно продолжительное время основным фактором загрязнения окружающей среды является использование традиционных источников энергии. Их применение, с большей долей вероятности, может привести в будущем к необратимым последствиям и нанести колоссальный удар по экологии планеты.
-
• Экономика. Благодаря стремительному развитию энергетической отрасли в настоящее время наблюдается тенденция уравнивания стоимости энергии, производимой альтернативными источниками относительно энергии, производимой традиционными источниками [2].
-
• Политика. Стоит отметить, что альтернативные источники энергии обладают практически
неограниченным запасом, чего не скажешь о традиционных источниках. С данной точки зрения вполне справедливо полагать, что страны, которые в полной мере освоили или в ближайшее время освоят технологии добычи энергии альтернативным способом, в будущем будут являться лидерами «энергетической гонки», тем самым диктуя собственные условия и цены на мировом рынке.
Россия на данной стадии развития значительно отстает в этом направлении, но постепенно политика в области возобновляемых источников изменяется. За 2014–2016 годы введено более 130 МВт новой мощности возобновляемых источников энергии, где преимущество имеют солнечные электростанции. В 2017 году введено еще более 140 МВт – больше,чем за предыдущие два года, из них более 100 МВт приходится на солнечные, а 35 МВт – ветровые электростанции. Россия делает ставку не только на освоение передовых технологий, но и на развитие компетенций с целью дальнейшего экспорта высокотехнологичной продукции [3].
1. Постановка задачи
Повышение эффективности солнечной электроэнергетики связано, в частности, с автоматизацией процесса ориентации панелей солнечных батарей наземных гелеоэлектростанций. В данной статье рассматривается именно эта цель.
Из всех существующих программных комплексов для разработки системы управления ориентацией солнечной батареи выбор был сделан в пользу российского аналога зарубежных моделирующих программ – прикладного программного пакета SimInTech . По характеристикам данный вариант подобен иностранным программам, таким как Simulink , SumSim и др. Практичный редактор структурных схем, эффективные численные методы, встроенный язык программирования и широкая библиотека типовых блоков – позволяют осуществить модели практически любой степени сложности [4–7].
Моделирование в среде SimInTech процесса ориентации панели солнечной батарей реализуется на основе четырех моделей: модели управления положением Солнца, модели ориентации панели солнечной батареи, модели системы управления и модуля визуализации 3D, которые взаимодействуют друг с другом через единую базу сигналов (риc. 1). Каждая из моделей реализована в виде отдельного проекта SimInTech , объединенных в пакет (риc. 2). Такая организация дает возможность построения различных алгоритмов управления с учетом влияния параметров отдельных элементов системы и окружающей среды. 179

Рис. 1. Структура взаимодействия моделей
Панель солнечной батареи любой наземной гелеоэлектростанции имеет определенные географические координаты по отношению к экватору, а, следовательно, по отношению к текущему положению Солнца на земном горизонте. Система ориентации панели, включающая комплекс электромеханических устройств, позволяет изменять азимут и координаты места, определяющие ориентацию панели в трехмерном пространстве в автоматическом режиме с целью наилучшей ее ориентации на Солнце [8; 9].

Рис. 2. Реализация пакета в системе динамического моделирования SimInTech
Регулируемыми выходными данными являются единицы измерения углов азимута (изменяющийся в диапазоне от -90 до 90 градусов) и места (изменяющийся в диапазоне от 0 до 90 градусов). Управляющими координатами являются сигналы управления электроприводами в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Движение панели солнечной батареи осуществляется благодаря сигналам, которые проходят через субмодель «Контроль», далее на исполнительные электродвигатели, где и происходит изменение положения панели в горизонтальной и 180 вертикальной плоскостях.
2. Построение модели
Реализованная в среде SimInTech модель ориентации панели солнечной батареи состоит из опорно-поворотной системы (рис. 3), которая включает в себя три субмодели: «Контроль» и «Каналы ориентации» по осям X и Y .
Субмодель «Контроль» подразумевает получение выходного сигнала из суммирования положительного и отрицательного сигнала, которые проходят блок «Ограничитель», благодаря свойству устанавливается пороговый минимум и максимум сигнала.
Вторая и третья субмодель «Канал ориентации» обеспечивают подсистему наведения установки на Солнце (рис. 4) в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Для получения необходимой точности и качества изменения положения объекта необходимо включить на вход системы дискретный ПИД-регулятор. Цель использования регулятора – получение точного управляющего сигнала. Элемент
Том 4
«дискретный ПИД-регулятор» является субмоделью, в которой используется стандартный блок SimInTech «Дискретный ПИД-регулятор». Период квантования задан равным 1 [10].
По получившемуся графику (рис. 6) можно сделать вывод, что переходный процесс исходной системы – колебательный с большим процентом перерегулирования. В связи с плохим качеством переходного процесса, а также с целью приведения графика к монотонности, был оптимизирован ПИД-регулятор (рис. 5).
Установим необходимые параметры:
-
• время расчета – 100 с;
-
• допустимое перерегулирование – 11 %.
В результате оптимизации вектор из трех коэффициентов (составляющих) направляется в блок Запись в список сигналов , откуда вычисленные значения перенаправляются в дискретный ПИД-регулятор, изменяя его параметры. В блоке Оптимизация заданы следующие свойства: абсолютная точность подбора значений выходов – 0,001, начальное приближение выходов блока – 0, минимальное значение выходов блока – 0.
В результате использования ПИД-регулятора и настройки его коэффициентов ( Kp = 0,2; K i = 1,1243072·10 -289 ; K d = 2.1219958·10 -314 ) переходный процесс (рис. 6) системы автоматического управления приобрел следующие характеристики: перерегулирование – 0 %, ошибка – 0 %, время переходного процесса – 17 с., колебательность отсутствует.
В качестве основных внешних возмущающих воздействий выступают текущие координаты Солнца, определяющие его текущее положение по отношению к панели солнечной батареи.

■ НопмнП
1 И ^ 1 График
Угол }тла¥ относительно оси ¥ (от -90 до 90град)

со осн л [от и до ♦ 30 град]
График vrnaX отноаттельно оси X (от 0 до +90град)
Рис. 3. Модель ориентации панели солнечной батареи

Канал ориентации □о cat Y [от -90 до 90град)

Рис. 4. Структурная схема механической подсистемы ориентации
Модель солнечного объекта отображает принцип перемещения объекта по заданной траектории (рис. 7). Схема определяет основные функциональные части изделия, их назначения и взаимосвязи между ними.
Субмодель «Управление положением Солнца» содержит в себе схему управления приводом движения (рис. 8). Аналогично предыдущей модели на вход поступают задающие сигналы управления, что приводит в действие необхо-

Рис. 5. Схема оптимизации параметров регулятора
димые ключи для продолжения пути сигналов. Поступающие сигналы объединяются в одну точку, которая создает необходимую траекторию движения.
При запуске проекта из стороннего фай-
Схема состоит из модулей:
• список сигналов, подаваемых на вход;
ла осуществляется загрузка следующих данных: точка восхода и захода Солнца. В данной работе в качестве стороннего файла использовался файл Excel . Написанная программа в скрипте (рис. 9) позволяет читать и загружать в базу данных не-

Рис. 6. График переходного процесса привода до/после оптимизации ПИД-регулятора
Данные загружаются в две переменные (точка восхода, точка захода), последующая загрузка приводит к перезаписи данных в переменной. Загрузка переменных позволяет регулировать работу ключей: подъем и спуск объекта. Завершающим шагом работы схемы является передача данных в модуль визуального 3D проектирования.
Основной задачей 3D-модуля является наглядная демонстрация ориентации панели солнечной батареи. Опираясь на основные функции, написанные в скрипте проекта (рис. 10) солнечная батарея, получая данные о траектории движения Солнца, производит своевременно необходимый поворот и угол наклона (рис. 11).
Для оценки эффективности управления в модели производится расчет процента получаемой энергетической мощности при текущем поло- жении панели солнечной батареи. Расчет организован в блоке программирования, где выполнена формула расчета (рис. 12).
Входными данными для определения процента получаемой мощности является сигнал

Рис. 7. Модель управления положением Солнца
(оСМИЧЕскиЕ
АППАРАТЫ И
Том 4


Рис. 8. Модель движения Солнца
initialization id = excelcreateobject;
excelopendocument(id, afilename);
row_count = excelgetrowcount(id, 1);
col_count = excelgetcolcount(id, 1);
Param_Sunrise = excelgettext(id, 1, ParamNum, 1) Param_Sunset= excelgettext(id, 1, Param_Num, 2); excelquit(id, True);
end;

Рис. 9. Программный код чтения из файла/содержимое файла
^ Скрипт страницы : Главная страница: 0:\Институт\ВКР\Прое1стИТОГ\Проект14.04\ЗО.рг1
Файл Правка Поиск Расчёт Справка d № I М » IS И Ь I ^ Й | Рл ^в | Я ^ Е И Е о I yv

Rsol=0.5
Xpos=10;
Xposl = 0;
Yposl = 1.5;
Zposl = 0;
wid = 0.2;
Obj2 = viewer3dplotsphere(WinID, Rsol, Xsol, Ysol, Zsol);
Viewer3DSetTexture(WinID, Obj2, "VKR/1.jpg");
Viewer3DSetWindowSize(WinID, 1000, 600);
Viewer3DSetWindowPosition(WinID, 600, 130);
Viewer3DSetCameraTarget(WinlD, Obj2);
viewer3dsetcameraposition(WinID, -5, 5, 5);
viewer3dsetcolor(WinID, Obj2, 65535);
Objl = viewer3dplotparallelepiped(WinID, len, hei, wid, Xpos, Ypos, Zpos);
Viewer3DSetTexture(WinID, Objl, "VKR/2.jpg");
Viewer3DSetCameraTarget(WinlD, Obj1);
Viewer3dsetcolor(WinID, Objl, 12632256);
Viewer3dsetposition(WinID,0bjl, Xposl, Yposl, Zposl);
Viewer3dsetturn(WinID, Objl, Contrl_FiYl);
Viewer3dsetroll(WinID, Objl, Contrl_FiZl);
Viewer3dsetpitch(WinID, Objl, Contrl_FiXl);
viewer3dsetposition(WinID, Obj2, -Xpos+3D_red, 3D_blue, 3D_green);
Viewer3DSetEulerAngles(WinID, Obj2, 0, 0, time*10);
о состоянии угла наклона панели солнечной батареи (рис. 13).
Заключение
В программной среде SimInTech из типовых блоков реализована модель системы управления процессом ориентации панели солнечной батареи, построенная на основе моделей комплекса электромеханических устройств с оптимизирован- ными настройками ПИД-регуляторов и траектории движения Солнца. Система автоматического управления обеспечивает программное управление углами азимута и места панели в автоматическом режиме с целью наилучшей ее ориентации на Солнце в зависимости от географического положения и календарной даты. Подключен модуль 3D визуализации текущей ориентации панели относительно Солнца и контроль эффективности использования солнечной энергии.

Рис. 11. Создание объекта «Солнце»

i (input Contrl_FiXl;
output p; begin
■ percent=tg((ABS(90- Contrl_FiXl)))/sin((ABS(90- Contrl_FiXl)));
-
• x=l/percent;
-
• p= x*100;
Рис. 12. Субмодель реализации расчета процента мощности от угла наклона панели солнечной батареи в среде моделирования SimInTech

Рис. 13. Эффективность панели солнечной батареи

№ 3 (33) 2020
Том 4
Список литературы Построение системы управления процессом ориентации панели солнечной батареи в среде динамического моделирования технических систем SimInTech
- Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения: 07.09.2020).
- Солодков М. В., Елфимова Ю. В. Развитие солнечной энергетики как фактор экономической безопасности России [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-solnechnoy-energetiki-kak-faktorekonomicheskoy-bezopasnosti-rossii/viewer (дата обращения: 25.04.2020).
- Ратнер С. В. Стоимостной анализ развития солнечной энергетики в мире и ее перспективы для России // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Экономические науки. 2014. № 3 (197). С. 90–97.
- Карташов Б. А., Щекатуров А. М., Шабаев Е. А., Козлов О. С. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech. М. : ДМК Пресс, 2017. 424 с.
- Справочная система SimInTech [Электронный ресурс]. URL: https://help.simintech.ru/#o_simintech/o_simintech.html (дата обращения: 15.02.2020).
- Мызникова В. А., Устименко В. В., Чубарь А. В. Построение нечетких регуляторов для систем управления автономных объектов в среде SimInTech // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3. № 1. С. 22–27. doi: 10.26732/2618-7957-2019-1-22-27.
- Чубарь А. В., Пожаркова И. Н., Устименко В. В. Построение алгоритмов управления термовакуумными испытаниями в среде SimInTech // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3. № 3. С. 149–154. doi: 10.26732/2618-7957-2019-3-149-154.
- Аржанов К. В. Двухкоординатная система наведения солнечных батарей на Солнце // Известия Томского политехнического университета. 2014. Т. 324. № 4. С. 139–146.
- Китаева М. В., Юрченко А. В., Охорзина А. В., Скороходов А. В. Автономная система слежения за солнцем для солнечной энергосистемы // Ползуновский вестник. 2011. № 3/1. С. 196–199.
- Пид регулирование пид регулятор на практических примерах [Электронный ресурс]. URL: https://trubymaster.ru/pid-regulirovanie-pid-reguljator-na-prakticheskih (дата обращения: 18.05.2020).