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 ( K_p = 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