基于自整定模糊-PID控制的直流无刷电机调速系统设计【说明书论文开题报告外文翻译】
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毕 业 设 计 （ 论 文 ） 设计 (论文 )题目 ： 基于自整定模糊 PID 控制 的直流电机调速系统设计 学生姓名： 严紫光 指导教师： 刘旭明 二级学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 14 电气（ 1） 学 号： 1404102011 提交日期： 2017年 5 月 13 日 答辩日期： 2017年 5 月 19日 金陵科技学院学士学位论文 目录 I目 录 摘 要 . III Abstract . IV 第一章 绪论 . 6 1.1 前言 . 6 1.2 传统控制器的缺点 . 6 1.3 模糊 PID 控制基本概念 . 7 1.4 模糊 PID 控制的发展趋势 . 7 1.5 PID 的电机调速系统控制 . 8 1.6 本文的研究内容 . 8 第二章 系统控制原理 . 9 2.1 模糊控制基本原理 . 9 2.2 模糊自整定 PID控制原理 . 10 2.3 直流电动机数学模型 . 11 第三章 控制算法设计 . 13 3.1 传统 PID 控制器的数学模型 . 13 3.2 模糊自整定 PID控制器数学模型建立 . 13 3.2.1 模糊自整定 PID规则建立 . 13 3.2.2 模糊自整定 PID控制器的数学模型 . 15 第四章 MATLAB/Simulink 系统仿真 . 19 4.1 仿真平台介绍 . 19 4.2 参数自整定模糊 PID控制器仿真设计 . 19 4.2.1 模糊控制器结构设计 . 19 4.2.2 模糊控制器模糊语言变量设计 . 19 4.2.3 语言值选择及隶属函数设计 . 21 4.2.4 模糊规则集的设定 . 27 4.2.5 确定量化因子 . 34 4.2.6 系统 Simulink 模型的建立与仿真分析 . 34 金陵科技学院学士学位论文 目录 II 第五章 系统 硬 件设计 . 38 5.1 系统控制流程图 . 38 第六章 结论 . 39 参考文献 . 40 附录 . 41 附录一：整套电路图 . 41 1、主电路图 . 41 2、故障部分电路图 . 42 3、控制部分电路图 . 43 4、主电路端子接线图 . 44 5、控制电路端子接线图 . 45 附录二：程序 . 46 致 谢 . 47 金陵科技学院学士学位论文 摘要 III 基于自整定模糊 PID控制的直流电机调速系统设计 摘 要 在当今全球都在努力推动工业发展步入工业 4.0时代的大背景下，工业自动化程度越来越高，同时也使得工业控制系统的控制对象和环境变得更为复杂多变，这也同时意味着对控制算法有了更苛刻的要求。 目前，常规 PID控制算法，由于算法简洁、可靠性好和稳定性高等特点，常常在工业控制中得到使用，常规 PID控制通常应用在线性的和能建立确切的数学模型的实例系统中。然而在现代面对复杂多变的控制对象和环 境，常规 PID控制并不能完全的完成系统设定的控制要求，而且在现实的工业场合，传统 PID参数调整方法比较复杂，调整出的参数往往性能不佳，难以应付复杂多变的工业控制环境。为了适应现代工业控制的需求就要不断用新的控制算法与传统的控制算进行融合，取长补短。模糊控制技术作为智能控制才出现的一种控制方式，不需要被控对象的精确数学表达形式，而是基于人类的思维以及工程经验，用转化的言语规则去描述控制。这就避免了工业现场中遇到复杂、非线性和难以建立精确数学模型的状况。模糊控制的特点刚好弥补了传统 PID控制的弱点。 本文依据模 糊控制和传统 PID控制各自的特点，参考对应的优缺点，完成模糊自整定PID控制器的设计。然后在传统 PID控制器基础上，依据前期集成的规则库实施模糊 推理，完成 PID参数的实时自整定。同时为了考究算法的可靠性，本文以一定的数学模型作为控制对象，并在 MATLAB/Simulink仿真环境中结合不同的控制器和算对整个系统进行控制仿真，并对控制结果进行比较分析。为了进一步证实模糊自整定 PID控制的可行性，同时又以直流无刷电机调速为实例，结合模糊自整定 PID控制算法完成实现电机调速系统的硬件和软件等相关工作，这样就可以更 直观的看到模糊自整定 PID控制器 的调节效果。 关键词： 模糊控制； PID；参数自整定；模糊自整定 PID控制；仿真；直流无刷电机 金陵科技学院学士学位论文 Abstract IV Design of DC Motor Speed Regulating System Based on Self-tuning Fuzzy PID Control Abstract Under the background of the global efforts to promote industrial development into the era of Industry 4.0, industrial automation has become more and more advanced. At the same time, the control objects and environment of industrial control systems have become more complex and changeable, which also means that There are more stringent requirements for control algorithms. At present, the conventional PID control algorithm is often used in industrial control due to its advantages such as simple algorithm, good reliability, and high stability. Conventional PID control is usually applied in linear and can establish an exact mathematical model of the example system. However, in the face of complex and varied control objects and environments in the modern day, conventional PID control can not completely complete the control requirements set by the system, and in the real industrial situation, the traditional PID parameter adjustment method is more complex, and the adjusted parameters are often performance. Poor, it is difficult to cope with the complex and ever-changing industrial control environment. In order to adapt to the needs of modern industrial control, new control algorithms and traditional control algorithms must be constantly blended to complement each other. Fuzzy control technology as a control method that only appears in intelligent control, does not require the exact mathematical expression form of the controlled object, but based on human thinking and engineering experience, using the transformed speech rules to describe the control. This avoids the complex, non-linear and difficult to establish accurate mathematical models encountered in the industrial field. The characteristics of fuzzy control just make up for the weakness of traditional PID control. This article based on the characteristics of fuzzy control and traditional PID control, refer to the corresponding advantages and disadvantages, complete the design of fuzzy self-tuning PID controller. Then based on the traditional PID controller, based on the pre-integrated rule base, the implementation of mode inference, complete the real-time self-tuning of PID parameters. At the same time, in order to study the reliability of the algorithm, this article uses a certain 金陵科技学院学士学位论文 Abstract V mathematical model as the control object, and combines the different controllers and calculations in the MATLAB/Simulink simulation environment to carry out the control simulation of the entire system, and the control results are compared and analyzed. In order to further prove the feasibility of fuzzy self-tuning PID control, the brushless DC motor speed regulation is taken as an example, and the fuzzy self-tuning PID control algorithm is used to complete the hardware and software related work of the motor speed control system, so that it can be more intuitive See the tuning effect of the fuzzy self-tuning PID controller. Key words: fuzzy control; PID; parameter auto-tuning; fuzzy auto-tuning PID control; simulation; brushless DC motor金陵科技学院学士学位论文 第 一 章 绪论 6第一章 绪论 1.1 前言 直流电动机的应用历史悠久，由于其具有许多优良特性，所以在各类电力拖动自动控制系统中得到了广泛应用。但在直流电动机闭环调速系统中，大多采用结构简单、性能稳定的常规 PID 控制技术。 直流电动机是一个典型的非线性的被控对象，并且其拖动的负载中，含有弹性或间隙等非线性因素，使得线性固定参数的 PID 调节器在应用中存在很多缺陷，导致控制系统的稳定性、快速性和准确性控制指标常常顾此失彼，难以使系统在各种情况下都能够保持设计时的性能指标，系统的鲁棒性较差。 模糊自整定 PID 控制比传统的 PID 控制和单纯的模糊控制更能达到实际的要求，更能发挥各自的优点，是一种既继承了传统 PID稳态精度高又吸纳了智能控制鲁棒性强的算法。它具有反应速度更快、过渡时间短、超调量小、精确度高等特点。此外，模糊自整定 PID控制能够随着被控对象参数的变化而调整和改变控制参数，实现控制参数的在线自主调整，从而满足不同的环境和工作状况。 随着 控制理论和电力电子技术的发展，世界各国均已经生产许多驱动直流电机的驱动设备，但在这些已经批量生产的驱动设备中对直流电机的调速思想一般都是基于经典 PID控制器设计的；国内外的许多专家也已经对直流电机的智能控制策略做了不少研究，但一般是通过仿真实验。在新的集成有先进算法的驱动设备还没有面世和现场对控制要求亟待解决之际， 本文将做两件事情，一是用仿真软件验证模糊自整定 PID 算法控制 器比传统 PID控制器更具有优良的特性 ；二是用 S7-200 PLC、工控机、 6RA70 数字式直流调速控制器，直流电动机组成调速系统，将模糊 自整定 PID 算法在 S7-200 PLC 中实现。 本课题以无刷直流电机作为研究对象，电机的转速为被控制量，选择位置传感器作为控制系统的执行机构，使用模糊 PID 控制算法程序，合理的整定 PID 控制参数，使之取得良好的控制效果。 1.2 传统控制器的缺点 随着时代的发展，自动控制对象变的越来越复杂，而人们对控制系统的性能要求却不断提高。一个复杂的系统，主要表现为系统的多个输入变量与多个输出变量间的强 耦合 性、被控对象参数的改变以及系统结构的不确定性与严重非线性。因此，传统控制理论中，以往基于精确的系统数学模型，然后设 计控制系统结构的方法，在实际应用中不再方便，主要表现在以下几个方面： （ 1）实际的复杂系统由于非线性、时变性、不确定性和等原因，所以很难获得十分精确的数学模型。 （ 2）研究这些系统时，必须首先提出并遵循一些苛刻的线性化的假设，而这些假设金陵科技学院学士学位论文 第 一 章 绪论 7在应用中往往与实际不相吻合。 （ 3）对于某些复杂的以及包含不确定性的控制过程，人们根本无法用传统数学模型来表示，没有办法解决建模问题。 （ 4）为了满足不断提高的控制性能，传统控制系统需要设计的非常复杂，从而增加了设备的投入和控制环节，降低了系统的可靠性。 以上种种情况，正如 L.A.Zadeh教授在其著名的“不相容原理”中所指出的：“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力降低，当达到一定阈值时，复杂性和精确性将相互排斥”。也就是说，在具有多变量、非线性、时变等特征 的 复杂大系统中，系统的复杂性与控制结果的精确性之间已经形成了尖锐的矛盾。对于这类复杂的被控系统，如果还是采用传统的控制方法，显得非常吃力。 一些学者通过对自适应、自学习控制思想进行研究，从操作者和专家的控制实际中得到了一些启发，提出了对系统进行智能控制的思想，开始把人工智能技术引入到控制过程中，实现控制系统的智 能化，其核心思想是让控制系统采用仿人智能的思想来控制决策，迫使控制系统朝着期望的目标逼近。 1.3 模糊 PID 控制基本概念 随着技术的发展，模糊控制理论和模糊技术成为最广泛最有前景的应用分支之一。模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的数学模型而能够利用专家已有的经验对系统进行建模。与传统的 PID 控制方式相比，它适合解决一些难以建立精确数学模型、非线性、大滞后和时变的复杂过程的问题，因此得到了很好的发展，尤其是在工业控制、电力系统等领域中解决了许多实际性的问题，引起了越来越多的工程技术人员的兴趣。但是经过深入研究，会发现基本模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度低等弊病。而且用的最多的二维输入的模糊控制器是 PI 或 PD 型控制器，会出现过渡过程品质不好或不能消除稳态误差的问题。 因此，在许多情况下，将模糊控制和 PID 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊 控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又具有 PID 控制 精度高的特点。把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对 PID参数的最佳整定，实现模糊 PID 控制。 1.4 模糊 PID 控制的发展趋势 模糊控制的发展大致有以下几个方向。 复合模糊控制。复合模糊控制是继续研究模糊控制和 PID 控制算法、变节构控制器等相结合的控制方法，以此达到较高的控制精度。它比单用模糊控制和单用 PID 控制均具有更好的控制性能。 自适应模糊控制。自适应模糊控制能自动地对模糊控制规则进 行修改和完善，以提金陵科技学院学士学位论文 第 一 章 绪论 8高控制系统的性能。它具有自适应、自学习的能力，对于那些具有非线性、大时滞、高阶次的复杂系统，有着更好的控制效果。 各种智能优化算法相结合的模糊控制。各种智能优化算法（如遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等）能够对模糊控制规则进行动态寻优，故能在线修改模糊控制规则，改善系统的控制品质。 专家模糊控制。专家模糊控制是将专家系统技术与模糊控制相结合的产物。引入专家系统可进一步提高模糊控制的智能水平 ,专家模糊控制保持了基于规则的方法和模糊集处理带来的灵活性，同时又把专家系统技术的知识表达方 法结合进来，能处理更广泛的控制问题。 神经模糊控制。模糊控制规则和隶属函数的获取与确定是模糊控制中的“瓶颈”问题。神经模糊控制是基于神经网络的模糊控制方法，该方法利用神经网络的学习能力，来获取并修正模糊控制规则和隶属函数。 多变量模糊控制。多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量，它适用于多变量控制系统。多变量耦合和“维数灾”问题是多变量模糊控制需要解决的关键问题。 1.5 PID 的电机调速系统控制 针对采用传统 PID 控制的直流无刷电机调速系统存在的控制精度较低，控制效果不佳的问题，设计了以 STM8S 单片机为核心芯片基于自整定模糊 PID 控制的直流无刷电机调速系统。 在分析直流无刷电机的基本工作原理的基础上，采用 3 个霍尔传感器来检测转子的位置信号并将位置信号转化为电信号，通过模糊自整定 PID 控制与改变 PWM 波的占空比来控制功率 MOSFET 管的导通与关闭。在 Matlab/Simulink 平台上，分别对采用常规 PID 控制和采用模糊自整定 PID 控制的直流无刷电机调速系统进行了仿真。此外，还设计了系统的硬件电路和软件实现方法，并进行了调试和实验。研究结果表明，采用模糊自整定 PID控制，系统的超调量小，控制效果更好 。该直流无刷电机的调速系统可以稳定、可靠运行，响应快，成本低，能够满足使用要求。 1.6 本 文 的研究 内容 （ 1） 深入 理解 课题研究的背景 ， 理解传统控制器的缺点并 提出模糊 PID 控制的基本概念，简单介绍其发展方向。 （ 2） 深入理解参数自整定模糊 PID控制的基本原理以及直流电机调速的基本原理。 （ 3） 设计一种参数自整定模糊 PID控制器并 把 传统 PID控制器放在同一 Simulink系统中进行模型的搭建，并仿真分析结果，对比两种控制器的控制性能 。 （ 4） 将参数自整定模糊 PID 控制器与直流电机调速系统相结合，提出合理的实物设计方案。 （ 5） 合理选用各电气元件的型号，完成实物的搭建并进行调试，得出结果。 金陵科技学院学士学位论文 第二章 系统控制原理 9第二章 系统 控制 原理 2.1 模糊控制基本原理 模糊控制建立在模糊数学理论基础之上，是一种基于规则判断的智能控制方法，它的理论方法以及实现技术都和传统的控制理论和技术有着较大的区别。模糊控制虽然是一种比较新型的智能控制方式，但是也要遵循一定的规律和法则，即模糊控制也应该具有一种与之相对应的控制机制和作用原理。模糊控制理论在实际应用的核心主要在于模糊控制器的设计和实现，即模糊控制的控制机理主要是通过模糊控制器来体现的，模糊控制器的思想根本上是来自于人们在生产实践 中对被控对象的控制。模糊控制器对被控对象的控制过程依据的是人类自身的模糊控制经验或意念，并直观地表现为模糊控制语句形式的描述：模糊控制语句，含有人类对于控制环境的模糊检测和对被控制对象的一些模糊命令。 模糊数学 1965 年首先由美国加州大学的 L.A.Zadeh教授提出，后来经过逐渐完善，最终成为模糊控制的理论基础。模糊控制过程是一种基于模糊逻辑的算法，它的原理是，在控制过程中，首先对被控对象的状态进行模糊化，使之变为用人类自身语言描述的一些模糊量，之后根据专家和操作者制定的语言控制规则，通过相应的模糊推理，得 到系统输出控制量的模糊值，最后在解模糊化模块中，将控制量的模糊值重新转换为系统执行器能够执行的精确控制量，从而在控制中发挥作用。 模糊控制的系统结构如图 2.1 所示。 r模 糊 化 模 糊 推 理 解 模 糊 化 被 控 对 象cu数 据 库 规 则 库e模 糊 控 制 器_图 2.1 模糊控制系统结构图 由图 2.1 可以看出，模糊控制器一般由以下 4 个部分组成。 （ 1）模糊化模块。模糊化模块的作用就是将精确的输入值转换为模糊的语言值，其设计步骤实际上就是在论域中定义语言变量的过程。为了提高实时性，模糊控制器常常以控制规则查询表的形式出现。该表反映了通过模糊控制算法来求出的模糊控制器输入量以及输出量在给定离散点上的对应关系。为了能够比较方便地产生控制规则查询表，通常的做法是把语言变量的论域定义为有限整数的离散论域。 （ 2）知识库。知识库是由数据库和规则库两个部分组成。数据库包括了模糊变量的模糊取值范围和隶属度函数的定义。规则库中主要是由模糊语言制定的一些控制规则，主毕 业 设 计 （ 论 文 ）设 计 (论 文 )题 目 ： 基 于 PLC 的 光 伏 自 动 跟 踪 设 计学 生 姓 名 ： 汪 浩 东 指 导 教 师 ： 周 洪二 级 学 院 ： 机 电 工 程 学 院 专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 ： 14电 气 2班 学 号 ： 1404102058提 交 日 期 ： 年 月 日 答 辩 日 期 ： 年 月 日基 于 PLC 的 光 伏 自 动 跟 踪 设 计摘 要二十一世纪初，化石能源仍是人们生活和工业制作的基础，其带来的能源枯竭和环境污染却愈发成为困扰的问题。能源的可再生与清洁性越来越成为各个国家发展的首选，太阳能就是包含了这些优点的一种。目前，光伏发电技术在全世界已经普遍，然而由于受到众多外部因素的影响，往往不能满足高效运作，而且大规模的铺设器材不仅不能提高效率，还花费高。为了弥补低效率，满足工程需要，光伏自动跟踪设计成为这次设计的主题。本次设计的主题是基于PLC的光伏自动跟踪系统。在此系统中，主控制器选用三菱脉冲输出PLC，角度传感器模块利用光敏电阻和电压比较器给控制器信号来调动步进电机驱动模块。设计还考虑到防风，当风速到达一定程度，通过主控制器PLC将太阳能板处于水平。同时利用MCGS来进行手动控制与自动之间的切换与参数监控。本文简述了此次设计中用到的各个模块的功能和编写的PLC应用程序，同时展示了通过实践完成的实物。关 键 词 ： PLC；自动跟踪；太阳能；步进电机Design of pv automatic tracking based on PLCAbstractAt the beginning of the 21st century, fossil energy is still the foundation of peoples life andindustrial production. The energy exhaustion and environmental pollution caused by it areincreasingly becoming a problem.The renewable and clean energy of energy is becoming thefirst choice for the development of various countries. Solar energy is one of these advantages.Atpresent, the photovoltaic technology in the world have generally, but due to the influence ofmany external factors, often can not meet the most efficient, not only fail to improve efficiency,and the laying of large-scale equipment has high cost.In order to make up for the low efficiencyand meet the engineering needs, the pv automatic tracking design becomes the theme of thisdesign.The theme of this design is based on PLCs photovoltaic automatic tracking system.In thissystem, the main controller USES the mitsubishi pulse output PLC, and the Angle sensor moduleUSES the photosensitive resistor and the voltage comparator to move the stepper motor drivemodule to the controller signal.The design also takes into consideration the wind protection,when the wind speed reaches a certain extent, the solar panel is at the level through the maincontroller PLC.At the same time, MCGS is used for manual control and automatic switching andparameter monitoring.In this paper, the functions of various modules used in this design and the PLC applicationare described.It also shows the physical objects through practice.Key Words： PLC;Automatic tracking;The solar energy;Stepper motor第 一 章 绪 论1.1 课 题 背 景目 前 ， 石 油 、 天 然 气 、 煤 炭 等 矿 产 资 源 仍 然 是 大 多 数 国 家 的 主 要 能 源 。 这 个 化 石 能 源存 在 诸 多 弊 端 ， 如 燃 烧 后 的 污 染 严 重 ， 不 可 再 生 性 和 耗 竭 性 。 能 源 已 逐 渐 成 为 各 国 经 济 发展 的 绊 脚 石 。 与 此 同 时 ， 燃 烧 化 石 燃 料 继 续 产 生 二 氧 化 碳 ， 增 加 大 气 中 的 二 氧 化 碳 浓 度 ，打 击 生 态 环 境 ， 并 使 地 球 变 暖 。 随 着 人 类 社 会 的 发 展 ， 人 们 对 生 态 环 境 的 要 求 越 来 越 高 。开 发 利 用 新 能 源 对 促 进 社 会 文 明 进 步 、 经 济 发 展 和 人 民 生 活 的 改 善 具 有 重 要 意 义 。 越 来 越多 的 国 家 开 始 探 索 新 能 源 替 代 品 ， 积 极 开 展 新 能 源 和 可 再 生 清 洁 能 源 的 研 究 与 开 发 。图 1.1 世 界 能 源 消 费 结 构新 能 源 包 括 太 阳 能 、 风 能 、 潮 汐 能 等 ， 具 有 很 大 的 发 展 潜 力 、 清 洁 、 无 污 染 ， 其 中 大部 分 可 再 生 能 源 ， 开 发 成 本 低 。 其 中 ， 太 阳 能 是 最 容 易 获 取 和 最 有 希 望 的 可 再 生 能 源 之 一 ，并 已 成 为 国 家 高 度 重 视 的 一 个 能 源 。 此 外 ， 中 国 有 大 部 分 地 区 太 阳 能 资 源 丰 富 ， 资 源 优 势明 显 。 太 阳 能 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。随 着 太 阳 能 的 明 显 优 势 的 体 现 ， 越 来 越 多 的 国 家 开 始 重 视 太 阳 能 的 开 发 利 用 ， 开 始 探索 太 阳 能 的 使 用 。 太 阳 能 的 未 来 被 人 类 所 考 虑 。 也 因 此 太 阳 能 光 伏 发 电 发 展 迅 速 。 本 设 计就 是 探 索 如 何 提 高 太 阳 能 的 利 用 率 ， 使 我 们 对 太 阳 能 追 踪 有 更 深 刻 的 认 识 。1.2 国 内 外 发 展 现 状太 阳 能 的 利 用 在 首 先 在 西 方 国 家 得 到 了 极 大 的 发 展 ， 并 很 快 成 熟 。 中 国 国 内 的 光 伏 产业 发 展 较 晚 ， 但 近 年 来 也 发 展 迅 速 。 在 如 何 提 高 太 阳 能 利 用 率 的 问 题 上 ， 国 内 外 都 遇 到 了重 大 问 题 ， 同 时 成 为 制 约 太 阳 能 利 用 的 难 题 。为 了 利 用 太 阳 能 ， 我 们 的 传 统 方 法 是 把 太 阳 能 电 池 板 固 定 起 来 ， 面 朝 上 收 集 阳 光 。 然而 ， 太 阳 每 天 时 时 刻 刻 都 在 运 动 ， 我 们 不 能 保 证 太 阳 光 总 是 垂 直 照 射 太 阳 能 板 ， 所 以 我 们不 能 有 效 地 收 集 阳 光 ， 这 大 大 影 响 了 太 阳 能 的 转 换 率 。 为 了 满 足 实 际 工 程 的 需 要 ， 太 阳 能资 源 得 到 了 有 效 的 收 集 ， 国 内 外 对 太 阳 能 跟 踪 方 法 的 研 究 也 开 始 了 。目 前 国 内 外 太 阳 能 跟 踪 主 要 有 三 种 方 法 ： 光 电 跟 踪 、 视 日 跟 踪 、 光 电 跟 踪 和 视 日 跟 踪相 结 合 。 每 种 跟 踪 方 法 各 有 优 缺 点 。 光 电 跟 踪 法 是 一 种 闭 环 随 机 系 统 ， 具 有 结 构 简 单 、 灵敏 度 高 、 易 受 外 界 因 素 影 响 等 优 点 。 视 日 轨 迹 跟 踪 方 法 是 一 种 开 环 跟 踪 系 统 。 其 优 点 是 跟踪 不 受 外 界 环 境 的 影 响 ， 具 有 较 高 的 可 靠 性 。 缺 点 是 在 跟 踪 太 阳 的 过 程 中 容 易 出 错 。 光 电跟 踪 与 视 日 跟 踪 相 互 切 换 的 跟 踪 方 式 是 前 两 种 方 法 的 结 合 。 在 一 定 程 度 上 解 决 了 外 界 环 境影 响 下 追 逐 光 线 的 缺 点 ， 但 不 能 很 好 地 解 决 跟 踪 误 差 问 题 。1.3 国 内 外 发 展 前 景从 技 术 上 讲 ， 国 内 外 光 伏 产 业 已 经 逐 渐 成 熟 ， 人 类 充 分 利 用 了 阳 光 的 清 洁 能 源 ， 解 决了 能 源 短 缺 的 问 题 。 从 成 本 角 度 看 ， 国 内 外 光 伏 产 业 的 成 本 正 在 下 降 。 成 本 的 逐 步 降 低 带来 了 光 伏 产 业 的 快 速 发 展 。 低 成 本 使 用 这 种 新 能 源 大 大 便 利 了 世 界 各 地 的 公 民 ， 促 进 了 世界 经 济 的 发 展 。 在 市 场 方 面 ， 中 国 的 太 阳 能 资 源 丰 富 ， 其 光 伏 安 装 性 能 强 。 它 已 经 成 为 有史 以 来 最 大 的 光 伏 市 场 。 国 内 光 伏 产 业 将 进 入 高 潮 。第 二 章 系 统 总 体 设 计 方 案 与 说 明2.1 系 统 总 体 设 计 方 案本 次 设 计 是 基 于 三 菱 PLC的 硬 件 电 路 设 计 ， 首 先 进 行 硬 件 器 材 的 选 择 ， 设 计 出 硬 件 电路 图 ， 之 后 进 行 软 件 部 分 的 PLC编 程 与 仿 真 ， 最 后 进 行 实 物 制 作 与 调 试 。本 次 设 计 是 基 于 三 菱 PLC的 光 伏 自 动 追 踪 系 统 的 设 计 。 本 系 统 设 计 以 三 菱 晶 体 管 输 出PLC 作 为 主 控 制 器 ， 还 包 括 追 光 模 块 ， 步 进 电 机 驱 动 模 块 ， MCGS 模 块 和 风 速 传 感 器 模 块与 模 数 转 换 模 块 。 在 设 计 太 阳 能 板 自 动 追 光 模 块 时 ， 用 光 敏 电 阻 和 电 压 比 较 器 组 成 的 传 感器 电 路 检 测 太 阳 角 度 ， 然 后 由 三 菱 PLC 控 制 步 进 电 机 驱 动 模 块 做 到 实 时 追 踪 。 系 统 还 考 虑到 环 境 的 因 素 ， 设 计 了 防 风 应 急 措 施 ， 由 风 速 传 感 器 经 过 三 菱 PLC 的 模 数 转 换 模 块 将 电 压转 换 成 数 字 量 传 给 PLC， 当 风 速 达 到 一 定 的 程 度 ， 三 菱 PLC 动 作 将 太 阳 能 板 水 平 放 置 ， 以达 到 防 风 效 果 。 此 外 ， 本 次 设 计 用 MCGS 来 控 制 手 动 和 自 动 及 其 显 示 一 定 的 参 数 。本 设 计 方 案 如 下 ：（ 1） 系 统 采 用 三 菱 晶 体 管 输 出 PLC 作 为 主 要 控 制 部 件 。（ 2） 追 光 模 块 由 四 个 光 敏 电 阻 以 及 LM339 电 压 比 较 器 组 成 ， 四 个 光 敏 电 阻 分 别 代 表着 东 、 南 、 西 、 北 四 个 方 向 ， 通 过 光 敏 电 阻 在 不 同 光 照 下 变 换 的 电 阻 和 两 两 电 压 的 比 较 ，从 而 准 确 地 追 踪 太 阳 光 的 方 向 。（ 3） 步 进 电 机 驱 动 模 块 作 为 控 制 部 分 ， 由 M542 步 进 电 机 驱 动 器 和 42 四 线 步 进 电 机组 成 。 两 个 步 进 电 机 分 别 带 动 太 阳 能 板 的 上 下 左 右 转 动 ， 以 达 到 多 角 度 转 动 的 效 果 。 步 进电 机 驱 动 器 用 来 接 受 主 控 制 器 的 控 制 信 号 ， 从 而 驱 动 步 进 电 机 电 机 转 动 。（ 4） 风 速 传 感 器 模 块 通 过 检 测 时 刻 的 风 速 ， 利 用 三 菱 PLC 的 4AD 模 数 转 换 ， 将 传 感器 自 身 转 换 的 电 压 转 换 成 数 字 量 传 送 给 主 控 制 器 PLC， 最 后 经 过 PLC 内 部 的 数 值 比 较 ， 断定 此 时 的 风 速 是 否 达 到 一 定 的 危 险 程 度 ， 是 否 需 要 启 动 防 风 系 统 。（ 5） MCGS组 态 的 设 计 用 来 切 换 自 动 与 手 动 ， 并 检 测 一 定 的 数 据 。2.2 系 统 工 作 框 图图 2.1 系 统 工 作 框 图系 统 工 作 框 图 如 图 2.1 所 示 。 本 次 设 计 是 基 于 PLC 的 光 伏 自 动 追 踪 系 统 的 设 计 。 本 系统 设 计 以 三 菱 晶 体 管 输 出 PLC 作 为 主 控 制 器 ， 还 包 括 光 敏 电 阻 传 感 器 模 块 ， 步 进 电 机 驱 动模
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