太阳能电池板角度控制系统技术领域
本发明涉及空气调节领域，尤其涉及一种太阳能电池板角度控制系统。
背景技术
随着世界能源危机的日益加重和环境的不断恶化，人们普遍意识到应该使用可再生型清
洁能源来替代传统的化石能源。其中太阳能、风能等可再生清洁能源，也是新能源技术领域
中运用得比较多和成熟的。
太阳能作为清洁能源的一种，使用地域广泛，技术较为成熟，已经被广泛用于各种领域，
其中较多的是光伏太阳能发电和热管技术。但是，太阳能也面临着不集中、受天气影响大、
地域、时间因素突出等诸多问题。为了使太阳能的转化效率达到最大，就要将阳光垂直照射
到太阳能电池板上。因此，势必要采取相应的措施，使得太阳能电池板能随着阳光的直射角
度变化而转动，持续保证阳光垂直射到太阳能电池板上。
目前，市场上的太阳能跟踪装置，或者是单轴转动，或者是双轴转动，都不能很好地随
着时间和季节的变化而变化。虽然在现有技术中已经能通过光感元器件来确定阳光的入射角，
从而控制太阳能电池板的转向，但是其成本偏高，控制程序和机械结构复杂，不易实现，且
受环境影响因素较大。特别是对于多云、阴雨的天气，阳光或是直接照射，或是透过云层，
让现有的控制和光感元器件很难识别。对于仅通过光强或者光感电流/电压来识别的系统，控
制器件会“误以为”太阳已经改变了角度，需要调整；且因为天气原因，这样的调整会多次
反复出现，导致整个控制系统反复做出修正指令，会对机械造成一定程度的影响。以上情况
表明：市场需要一种更易受控制，受环境因素影响较小，调整方便，成本较低，控制精度较
高，机械化程度和程序复杂性较小的新型太阳能电池板转向控制系统。
现有技术中采用光感元件的太阳能跟踪装置的不足之处有：1、控制呆板。对于没有光感
元件的系统，往往不能很好地根据实际的光照强度作出有效的反应，只能依据记忆芯片中的
既定规则进行调整太阳能电池板的角度。2、受环境因素太大。对于有光感元件的系统，虽然
能有效保证电池板的转角与入射光一致，但是在阴雨、多云、沙尘暴等天气下，或者周围有
强光源存在时，都不能有效识别光线强度，致使作出错误调整。3、成本较高，安装不易。对
于这些系统，需要根据具体的安装环境来配合既定的程序，或者需要远离干扰源，这些都限
制了采用光感元件的太阳能跟踪装置的使用范围。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种太阳能电池板角度控制系统，使得太阳能电池板角
度控制系统在没有光感元件时，仍能够实现角度调整的精确控制。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池板角度控制系统，
包括：检测模块，获取当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运
算出功率的衰减量以及衰减量的变化量；模糊控制模块，以功率的衰减量以及衰减量的变化
量为输入变量，按预定模糊控制规则计算太阳能电池板的角度调节值；角度调节模块，根据
太阳能电池板的角度调节值，调节太阳能电池板的水平角度调节部件或垂直角度调节部件转
动预定角度。
进一步地，模糊控制模块包括：规则库，包含多个预定模糊控制规则；转换单元，以功
率的衰减量以及衰减量的变化量为输入变量，对输入变量进行模糊化处理，形成与功率的衰
减量对应的第一模糊推理子集以及与衰减量的变化量对应的第二模糊推理子集；模糊推理单
元，根据所述预设模糊控制规则，对第一模糊推理子集以及第二模糊推理子集进行模糊推理
逻辑运算，得出模糊推理控制子集；解模糊单元，将模糊推理控制子集解模糊后，获得太阳
能电池板的角度调节值。
进一步地，转换单元采用以下公式对输入变量进行模糊化处理，获得输入变量在第一模
糊推理子集或者第二模糊推理子集中的映射值n：
n = N , N k · P · x ≥ N N k · P · x , | N k · P · x | < N - N , N k · P · x ≤ - N , ]]>
其中，N为输入变量和输出变量的模糊论域限定值，当输入变量为功率衰减量时取3，输
入变量为功率衰减量的变化量时取2；P为太阳能电池板额定功率值；k为误差比例因子，当
输入变量为功率的衰减量时取0.2，输入变量为功率衰减量的变化量时取0.1；x为输入变量的
值。
进一步地，解模糊单元采用平均值法对模糊推理控制子集进行模糊判定获得模糊控制值，
并根据模糊控制值通过比例变换获得太阳能电池板的角度调节值。
进一步地，通过下式对模糊控制值进行比例变换：
θ = 15 , 7.5 · n ≥ 15 7.5 · n , | 7.5 · n | < 15 - 15 , 7.5 · n ≤ - 15 , ]]>
其中，θ为太阳能电池板的角度调节值，n为模糊控制值。
进一步地，模糊控制模块还包括：模糊规则生成单元，用于记录调整状态下的参数调节
值，根据参数调节值生成可用的模糊控制规则，并存储至规则库中。
进一步地，模糊规则生成单元包括：参数判断单元，用于记录参数调节值，判断参数调
节值对应的当前的太阳能电池板的输出功率值是否大于最近一次记录的输出功率值，当判断
结果为是时，生成第一模糊控制规则；规则验证单元，以功率的衰减量以及衰减量的变化量
为输入变量，判断第一模糊控制规则是否多次出现，当第一模糊控制规则多次出现，则判断
第一模糊控制规则为可用的模糊控制规则；规则添加单元，添加可用的模糊控制规则至规则
库。
进一步地，规则添加单元还用于：判断可用的模糊控制规则与规则库中的预定模糊控制
规则是否存在矛盾；当可用的模糊控制规则与规则库中的预定模糊控制规则矛盾时，将规则
库中的预定模糊控制规则替换为可用的模糊控制规则。
进一步地，规则添加单元还用于：当可用规则为多个且存在矛盾时，分别以功率的衰减
量以及衰减量的变化量为输入变量，计算多个可用的模糊控制规则的强度，其中，每个可用
的模糊控制规则的强度为输入变量在每个可用规则对应的第一模糊推理子集映射值、第二模
糊推理子集中的映射值以及模糊控制值的乘积；将强度值最大的可用的模糊控制规则添加至
规则库。
应用本发明的技术方案，通过设置模糊控制模块，根据预定的模糊控制规则，利用太阳
能电池板的输出功率值获得太阳能电池板的角度调节值，控制精度较高，从而可以而在太阳
能电池板上没有设置感光元件时，仍能够实现角度调整的精确控制。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面
将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及
其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制系统的原理示意图；
图2示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制系统的模糊控制模块原理示意图；
图3示出了根据本发明实施例的模糊控制模块数据处理流程图；
图4示出了根据本发明实施例太阳能电池板角度控制系统的模糊规则生成单元的原理示
意图；以及
图5示出了根据本发明实施例太阳能电池板角度控制系统的模糊规则生成单元的数据处
理流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖
的多种不同方式实施。
图1示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制系统的原理示意图。如图1所示，
太阳能电池板角度控制系统包括：检测模块10，获取当前的太阳能电池板的输出功率值与最
近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量ΔP以及衰减量的变化量dΔP/dt；模糊控制
模块30，以功率的衰减量ΔP以及衰减量的变化量dΔP/dt为输入变量，按预定模糊控制规则
计算太阳能电池板的角度调节值；角度调节模块50，根据太阳能电池板的角度调节值，调节
太阳能电池板的水平角度调节部件或垂直角度调节部件转动预定角度。
在本实施例中，通过设置模糊控制模块30，根据预定的模糊控制规则，就可以利用太阳
能电池板的输出功率值获得太阳能电池板的角度调节值，控制精度较高。并且输入量与感光
元件相关性较低，就可以而在太阳能电池板上没有设置感光元件时，仍能够实现角度调整的
精确控制。
下面将详细介绍每个模块的结构。
图2示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制系统的模糊控制模块原理示意图。
如图2所示，模糊控制模块30包括：规则库31，包含多个预定模糊控制规则；转换单元33，
以功率的衰减量ΔP以及衰减量的变化量dΔP/dt为输入变量，对输入变量进行模糊化处理，
形成与功率的衰减量ΔP对应的第一模糊推理子集，与衰减量的变化量dΔP/dt对应的第二模
糊推理子集；模糊推理单元35，根据预设的模糊控制规则，对第一模糊推理子集以及第二模
糊推理子集进行模糊推理逻辑运算，得出模糊推理控制子集；解模糊单元37，将模糊推理控
制子集解模糊后，获得太阳能电池板的角度调节值。
即在本实施例的模糊控制模块30中，以模糊控制算法为主体，输入变量为太阳能电池板
的功率变化值ΔP以及功率变化率dΔP/dt，输出变量为太阳能电池板的水平调节角度和垂直
调节角度θ，其中水平角度调节和垂直角度调节交替进行。
以本实施例中采用采用三角形隶属度函数对输入变量进行模糊化处理为例，下面详细介
绍模糊控制模块30中各个单元的处理流程。
图3示出了根据本发明实施例的模糊控制模块数据处理流程图。如图3所示，结合太阳
能电池板使用的实际情况，在转换单元33中，将输入变量ΔP的模糊子集，即第一模糊推理
子集设定为{NB，NM，NS，ZERO，PS，PM，PB}，模糊论域为[-3，3]，则根据模糊论域对
第一模糊推理子集进行量化后，得出第一模糊子集为{-3，-2，-1，0，1，2，3}；dΔP/dt的模
糊子集，即第二模糊推理子集设定为{NB，NS，ZERO，PS，PB}，模糊论域为[-2，2]，则其
根据模糊论域对第二模糊推理子集进行量化后，得出第二模糊子集为{-2，-1，0，1，2}。
其中，NB为“负大”，NM为“负中”，NS为“负小”，ZERO为“零”，PS为“正小”，
PM为“正中”，PB为“正大”，以下相同。
同时，在转换单元33中，由于采用三角形隶属度函数对输入变量进行模糊化处理，功率
变化值以及功率变化率与太阳能板的额定输出功率值呈线性关系，因此在模糊化输入变量之
前，需要根据太阳能电池板的具体规格对其进行比例变换，再映射到相应的模糊子集中，得
出输入变量在第一模糊推理子集或者第二模糊推理子集中的隶属度，也就是输入变量在第一
模糊推理子集或者第二模糊推理子集中的映射值n。
具体地，采用如式(1)所示的变换公式进行变换：
n = N , N k · P · x ≥ N N k · P · x , | N k · P · x | < N - N , N k · P · x ≤ - N - - - ( 1 ) ]]>
式中，N为输入变量和输出变量的模糊论域限定值，当输入变量为功率衰减量ΔP时取3，
输入变量为功率衰减量的变化量dΔP/dt时取2；P为太阳能电池板额定功率值；k为误差比例
因子，当输入变量为功率的衰减量ΔP时取0.2，输入变量为功率衰减量的变化量dΔP/dt时取
0.1；x为输入变量的值。
当获得输入变量在第一模糊推理子集或者第二模糊推理子集中的映射值n后，模糊推理
单元35根据规则库31中的预定模糊控制规则，如图3中示出的“模糊规则1”、“模糊规则2”
等对第一模糊推理子集以及第二模糊推理子集进行模糊推理逻辑运算，就可以得出模糊推理
控制子集，即图3中示出的“输出1”、“输出2”、“输出3”等。
在本实施例中，预定模糊控制规则是在大量的实验的基础上，通过将人工调节太阳能电
池板的数据进行记录和整理后形成的。一般使用IF……AND……THEN……语句进行描述，(在
一个采样周期内)，即如果“在条件A”与“在条件B”下，则“结果C”。
例如，在本实施例中可以采用以下模糊控制规则预定模糊控制规则：
①如果ΔP为正大或负大或零，则角度保持不变；
②如果ΔP为正中，并且dΔP/dt为负大或负小，则角度调整为正小；
③如果ΔP为正中，并且dΔP/dt为零或正大或正小，则角度调整为正大；
④如果ΔP为正小，并且dΔP/dt为负小或负大，则角度调整为零；
⑤如果ΔP为正小，并且dΔP/dt为零，则角度调整为正小；
⑥如果ΔP为正小，并且dΔP/dt为正大或正小，则角度调整为零；
⑦如果ΔP为负小，并且dΔP/dt为正大，则角度调整为正小；
⑧如果ΔP为负小，并且dΔP/dt为正小或零，则角度调整为正大；
⑨如果ΔP为负小，并且dΔP/dt为负小或负大，则角度调整为负小；
⑩如果ΔP为负中，并且dΔP/dt为正大或正小或零，则角度调整为正小；
(11)如果ΔP为负中，并且dΔP/dt为负大或负小，则角度调整为负大。
整理成表格形式见下表：
则根据上述预定模糊控制规则，对第一模糊推理子集以及第二模糊推理子集进行模糊推
理逻辑运算，就可以得出模糊推理控制子集。
然后，解模糊单元37对模糊推理控制子集进行模糊判决，即合成后进行清晰化处理，获
得模糊控制值，将模糊控制值比例变换就可以获得太阳能电池板的角度调节值。
例如，在本实施例中，解模糊方法采用最大隶属度平均值法。即采用平均值法对模
糊推理控制子集进行模糊判定获得模糊控制值，并根据模糊控制值通过比例变换获得太阳能
电池板的角度调节值。其中，输出变量为太阳能电池板的水平或垂直调整角度，物理论域为
[-15°，15°]，将输出变量的模糊子集设定为{NB，NS，ZERO，PS，PB}，模糊论域为[-2，
2]。
由于模糊论域与物理论域存在一定的线性关系，因此得出输出变量的模糊论域值之后，
需要通过比例变换得到实际的角度控制量。
例如，可以采用式(2)作为变换公式：
θ = 15 , 7.5 · n ≥ 15 7.5 · n , | 7.5 · n | < 15 - 15 , 7.5 · n ≤ - 15 - - - ( 2 ) ]]>
式中，θ——太阳能电池板角度调整值，n——输出变量模糊论域值。
下面以一个具体地调整过程为例，简单介绍本实施例中的模糊控制模块的处理过程。
以太阳能板额定功率200W计算，假设上个采样时刻数据：P1＝120W，ΔP1＝8W；当前
采样时刻数据：P2＝135W，则功率变化ΔP＝P2-P1＝15W，离散化的功率变化率dΔP/dt为ΔP-
ΔP1＝7W。将ΔP与dΔP/dt的值代入式(1)后得到n＝-1.125。从而可以得到ΔP模糊化后映
射到第一模糊子集中的PS和PM上，且映射值PS(15)＝0.875，PM(15)＝0.125；相似地，
可以得出，dΔP/dt模糊化后映射到模糊子集ZERO和PS上，ZERO(7)＝0.7，PS(7)＝0.3；
对照模糊控制规则表，可见此输入变量可以激活以下三条模糊规则：
③如果ΔP为正中，并且dΔP/dt为零或正大或正中，则角度调整为正大。
⑤如果ΔP为正小，并且dΔP/dt为零，则角度调整为正小。
⑥如果ΔP为正小，并且dΔP/dt为正大或正小，则角度调整为零。
然后将每条模糊规则得出的输出量按照最大隶属度——平均值法进行清晰化，得出输出
变量在模糊论域中的清晰值为0，再将此值经过比例变换转变成实际控制量，得出实际控制量
为零。
因此，在一个采样周期内功率增加15W时，太阳能电池板不会进行角度调整。从实际控
制经验来看，额定功率为200W的太阳能电池板在功率发生15W的波动时，基本可以认为是
属于正常的波动，不需要对太阳能板角度进行调整。因此可以认为本次自动控制是合理有效
的。
在控制系统使用初期，可以按照上述规则进行控制。但在使用过程中，由于太阳能电池
板的安装角度和地区不同，实际的控制效果可能有所不同。
因此，为了获得较佳的控制效果，在本实施例中，模糊控制模块还包括：模糊规则生成
单元39，用于记录调整状态下的参数调节值，根据参数调节值生成可用的模糊控制规则，并
存储至规则库中。此时，用户可以通过手动调节的方法，将太阳能板调节到更加合理的角度，
系统会自动记录手动调节的过程和各项参数，并自动生成客户化模糊规则，客户化模糊规则
不会立即生效，需要经过验证和筛选的过程才能成为正式的模糊控制规则。
图4示出了根据本发明实施例太阳能电池板角度控制系统的模糊规则生成单元的原理示
意图。如图4所示，模糊规则生成单元39主要包括：参数判断单元391，用于记录调整状态
下的参数调节值，判断参数调节值对应的当前的太阳能电池板的输出功率值是否大于最近一
次记录的输出功率值，当判断结果为是时，生成第一模糊控制规则，即客户化模糊规则；规
则验证单元393，以功率的衰减量ΔP以及衰减量的变化量dΔP/dt为输入变量，判断第一模
糊控制规则是否多次出现，当第一模糊控制规则多次出现，则判断第一模糊控制规则为可用
的模糊控制规则，；规则添加单元395，添加可用的模糊控制规则至规则库，成为规则库中正
式的模糊控制规则。
其中，规则添加单元395还用于：判断可用的模糊控制规则与规则库中的预定模糊控制
规则是否存在矛盾；当可用的模糊控制规则与规则库中的预定模糊控制规则矛盾时，将规则
库中的预定模糊控制规则替换为可用规则。
当可用规则为多个且存在矛盾时，规则添加单元还用于：分别以功率的衰减量ΔP以及衰
减量的变化量dΔP/dt为输入变量，计算多个可用的模糊控制规则的强度，其中，每个可用的
模糊控制规则的强度为输入变量在每个可用的模糊控制规则对应的第一模糊推理子集映射
值、第二模糊推理子集中的映射值以及模糊控制值的乘积，即将这些规则用隶属度相乘的方
法进行强度计算，就可以得出每条语句的强度；然后，将强度值最大的可用的模糊控制规则
添加至规则库。
图5示出了根据本发明实施例太阳能电池板角度控制系统的模糊规则生成单元的数据处
理流程图。
其中，在本实施例中，步骤S401至步骤S409由参数判断单元391实现，步骤S410至步
骤S413由规则验证单元393实现，步骤S414至步骤S421由规则添加单元395实现。
如图5所示，模糊规则生成单元39的处理过程包括：
S401，手动操作。
具体地，用户可以手动调节太阳能电池板角度。
S402，记录数据。
即系统记录用户操作过程，记录时刻、功率变化、功率变化率，转动角度等数据。
S403，判断操作后功率是否增大。是则转至步骤S404，否则转至步骤S405。
S404，计算调整前后的ΔP以及dΔP/dt。
S405，删除此次数据。
S406，比例变换。
S407，按最大隶属度法模糊化。
S408，生成客户化模糊规则。
S409，计算强度。具体地，通过计算输入变量在该规则对应的第一模糊推理子集映射值、
第二模糊推理子集中的映射值以及模糊控制值的乘积获得该规则的强度。
在步骤S403至步骤S409中，如果手动调整后功率值增大，则说明此次手动调整是成功
的。将采集到的数据，用最大隶属度的方法将各变量模糊化，映射到相应的模糊子集中，再
生成客户化模糊规则，即第一模糊控制规则，同时计算出此规则的强度。
S410，判断是否重复出现3次。是则转至步骤S412，否则转至步骤S411。
S411，保存此规则但不起作用。
S412，升级为可用规则。
S413，计算平均强度。
在步骤S410至步骤S413中，主要实现对客户化模糊规则的验证。通过判定规则重复的
次数验证规则的可用性，如果一条客户化规则重复出现3次，则认为此规则是可用的模糊控
制规则。同时计算出此规则的平均强度(即三个重复规则强度的算术平均值)。虽然在本实施
例中提到的判断依据为重复3次，但该次数也可以根据用户的需要设定为其他的重复次数。
S414，判断是否与初始规则矛盾。是则转至步骤S416，否则转至步骤S415。
S415，删除可用规则。
S416，取代初始规则。
S417，判断是否与其他可用规则矛盾。是则转至步骤S419，否则转至步骤S418。
S418，升级为正式规则。
S419，比较平均强度。
S420，平均强度较大者称为正式规则。
即在步骤S414至S420中，主要实现对可用规则的删选。如果可用的模糊控制规则与规
则库中的预定模糊控制规则，即初始规则，在条件相同时结果不同，则意味着两个规则存在
矛盾，则保留可用规则，删除规则。如果两条可用的模糊控制中一条规则与另一规则存在矛
盾，则通过比较平均强度的方法，保留平均强度较大的规则。如果可用的模糊控制规则与规
则库中的预定模糊控制规则重复，则清除此可用的模糊控制规则。
S421，结束。将可用的模糊控制规则存储至规则库31中。
下面以一个用户调整的调整过程为例，简单介绍本实施例中的模糊控制模块的处理过程。
以太阳能板额定功率200W计算，假设某个时刻t0，开始进行手动调整，调整前倒数第
二次功率采样值为113W，调整前最后一次功率采样值为130W，调整开始后第一次采样功率为
158W，调整完成后第一次采样功率为172W，调整角度为负向10度，则可以计算出调整时，
ΔP＝158W-130W＝28W，dΔP/dt＝ΔP-(130W-113W)＝11W，由于调整后功率比调整前功率大，
因此可以认为此次调整是合理有效的，可以生成第一模糊控制规则，即客户化模糊规则。
将ΔP和dΔP/dt进行比例变换后，映射到模糊论域中，然后根据隶属度函数计算在各个
模糊子集中的隶属度，可以得出ΔP在模糊论域中的值为2.1，分别对应两个模糊子集：PB(2.1)
＝0.1，PM(2.1)＝0.9，隶属度最大的子集为PM，因此将ΔP模糊化为正中，即PM；同法，
可以得出dΔP/dt分别对应两个模糊子集：PB＝0.1，PS＝0.9，隶属度最大的子集为PS，因此将
dΔP/dt模糊化为正小。输出变量为-10度，进行比例变换映射到模糊论域后为-1.33，在两个
模糊子集中的隶属度分别为：NB＝0.33，NS＝0.67，按照最大隶属度原则，将输出量模糊化为
负小(NS)，因此可以得出以下模糊规则：
(*)如果ΔP为正中，并且dΔP/dt为正小，则角度调整为负小。
同时可以计算出此规则的强度为0.9*0.9*0.67＝0.5427。
如果规则(*)重复出现3次，则说明规则(*)是经人为经验验证合理的规则，此时将
规则(*)升级为可用的模糊控制规则。如果规则(*)重复出现的次数不超过3次，则可认
为此规则是具有偶然性的规则，不作处理。
下面讨论规则(*)升级为可用的模糊控制规则的情况，由于此规则与初始规则3相互矛
盾，因此需用规则(*)取代规则3，此时规则(*)升级为正式规则。
如果此时有另一条可用的模糊控制规则——规则(#)，与规则(*)发生矛盾，则需对比
两者的平均强度，取较大者作为正式规则保留。
即在本实施例中，通过模糊规则生成单元39实现模糊规则的自整定，能够使控制策略的
适应性和智能性大大增强。同时，人工的自整定功能使得人参与到控制策略的制定中，但是
又不需要相应的编程知识
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
通过设置模糊控制模块，根据预定的模糊控制规则，利用太阳能电池板的输出功率值获
得太阳能电池板的角度调节值，控制精度较高，从而可以而在太阳能电池板上没有设置感光
元件时，仍能够实现角度调整的精确控制。
同时，本发明根据采样周期内太阳能电池板实际产生的功率值来判断其是否达到最大转
化效率，采用新型模糊控制，具有较高的精度。
并且，由于本发明的控制系统具有自整定功能，具有更广泛的使用范围，减少环境等对
其的影响。人工的自整定功能使得人参与到控制策略的制定中，但是又不需要相应的编程知
识。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员
来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等
同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。