基于 PI 控制器的太阳能追日系统的设计与仿真

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A

引言

随着可持续新能源的发展，国家对光伏等新能源的重视提升到了新的高度[1]。但由于目前大部分的光伏系统属于固定系统，不能随太阳位置的持续变化而改变角度，从而使得太阳能板垂直接收到光照的时间有限，太阳能的利用率很低。如何提高光伏系统的太阳能利用率，则成为我们要考虑的一个重要问题。本设计通过对太阳能追日系统进行建模，采用 PI 控制器对其随太阳位置变化而进行角度控制，延长太阳光直射太阳能板的时间，从而达到提高太阳能利用率的目的[2][3][4]。

1 太阳能追日系统的建模

太阳能追日系统可以分为两个部分，如图 1 所示，一部分为太阳能电池板部分，第二部分为带动太阳能电池板旋转的电机部分。下面分别对这两部分进行建模。

1.1 太阳能电池板

太阳能电池板的转动属于机械旋转运动，根据牛顿第二定律[5] [6]，则有下式成立：

1.2 电机部分

电机部分的建模根据基尔霍夫定律：给定电压减去反电动势减去内阻电压等于电感电压[7][8]：

T=K_gK_ti

至此，太阳能追日系统的数学模型建立完成。

2 太阳能追日系统仿真模型

将太阳能电池板旋转部分的数学模型（1）整理后，在 Matlab 仿真软件的Simulink 模块中建立仿真模型[9]如图 1 所示：

图1 太阳能板仿真模型

同理，可以根据（2）式建构电机的仿真模型，如图 2 所示：

图2 电机仿真模型

将图1 和图 2 两个图连到一起，并进行封装，得到太阳能追日系统总仿真模型，如图 3 所示：

给该系统输入一个单位阶跃输入后可以看出，虽然系统输出可以跟随输入的变化而变化，但系统的调节时间太长，大概在 700s 左右，不满足太阳能追日系统对实时性的要求。要想对其进行改进，则可以通过增加控制器的方式进行设计

[7][8]。

3 PI 控制器

本案中，要提高太阳能的利用率，就需要太阳能追日系统具有较好的快速性和准确性，实现的方法是将比例和积分两种控制结合起来，构成比例积分（PI）控制器，既解决了快速性问题，又消除了系统静差，满足了准确性的要求。

调节适当的PI 参数后，可以得到看到系统的阶跃响应曲线系统在6s 左右基本达到稳定，系统的快速性和准确性较之前到了很大的提升。

图3 太阳能追日系统仿真模型

4 结论

本文通过对普通太阳能追日系统添加 PI 控制器的方法，来提升系统追日的快速性和准确性。首先对普通太阳能追日系统进行了建模仿真，然后为该系统添加了 PI 控制器，分别分析了在没有 PI 控制器下的追日系统的性能和添加了 PI控制器的系统性能，可以提高太阳对太阳能板的直射时间，从而大大提高太阳能的利用率。

参考文献

[1]国际电工委员会.IEC 61511-1～3 Functional Safety-Safety instrumented systems for the process industry sector[S]. Geneve： Bureau Central de la Commission Electro-technique International. 2017.

International Electrotechnical Commission. IEC 61511-1 ～ 3 Functional Safety-Safety instrumented systems for the process industry sector[S]. Geneve： Bureau Central de la Commission Electro-technique International. 2017.

[2]何燕阳.太阳能电池板追日自动跟踪方案的研究[J].蚌埠学院学报，2015， 4（6）：1⁃5. He Yanyang. Research on solar panel tracking system[J].Journal of Bengbu College， 2015， 4（6）：1-5.

[3]赵永鑫.基于单片机的光伏追日系统设计[J].现代电子技术，2021，44：125. Zhao Yongxin. The design of solar tracking system based on single-chip microcomputer [ J ] . Modern Electronics， 2021，44：125.

[4]王瑜，傅明星.太阳能光伏追踪控制系统的研究[J].机械工程与自动化， 2015（5）：159-161. Wang Yu， Fu Mingxing. Research on photovoltaics tracking control system [ J ] . Mechanical Engineering and automation， 2015（5） ： 159-161.

[5]陈巧玲.工科大学物理（上册）[M].北京：清华大学出版社，2021 Chen Qiaoling. University of Engineering Physics （Volume I）[M ] . Beijing： Tsinghua University Press， 2021

[6]陈信义.大学物理教程（第 3 版）[M].北京：清华大学出版社，2021 Chen Xinyi. College Physics （3rd edition）[M] . Beijing： Tsinghua University Press， 2021

[7]汤天浩.电机与拖动基础[M].机械工业出版社，2022，9-10 Tang Tianhao. Motor and drag foundation [M] . China Machine Press， September 10，2022

[8]刘锦波.电机与拖动（第 2 版）[M].北京：清华大学出版社，2015 Liu Jinbo. Motor and drag （2nd edition）[M] . Beijing： Tsinghua University Press， 2015