Dvoosni Kontroler za Pracenje Sunca baziran na mrezi fuzzy pravila i astronomskim godisnjim podacima

U ovom primeru imamo, inteligentno pracenje Sunca bazirano na fuzzy logickoj kontroli, da

bi maksimalno povecali solarnu energiju skupljenu od strane fotonaponskih solarnih

panela.Unutrasnja zakljucivacka fuzzy logika masine je projektovana sa IF - THEN pravilima i

poseduje inteligentno znanje ljudskog uma koje se dobija iz astronomskog godisnjeg kalendara sa

podacima. Informacija u sklopu fuzzy pravila je prenesena kroz neuronsku mrezu, da pronadje

fuzzy informaciju o sezonskom i dnevnom kretanju. Nasuprot tradicionalnim sistemima za

pracenje sunca, ovaj predlog ukljucuje znanje o solarnom kretanju.Zbog toga, ova kontrolna sema

moze da dostigne optimalnu poziciju panela,i bude upravna na Sunceve zrake,bez ikakvih

senzora za pracenje Sunca. Eksperimentalni rezultati potvrdjuju nas predlog kontrole pracenja

Sunca,koristeci ekseprimentalni prototit sa dva stepena slobode.

Jasno je da se efikasnost solarnih panela moze povecati ,u smislu sistema za solarno

pracenje ,tako da se odrzi pogodan ugao, priblizno 90°, izmedju panela i suncevih zraka. Zbog

ovog razloga je predlozeno nekoliko sistema, koji su konstruisani od rucnih do automatskih

mehanizama. Takodje problem mehanizama za solarno pracenje nije nov . Nedavno su se

pojavile nove tehnike i tehnologije, koje su sugerisale da se novi nacini mogu pronaci u vidu

intelignetnih mehatronickih sistema.

Posto je maksimalni iznos solarne energije, koju prikupi kolektor, vezan sa preciznoscu

pracenja Sunceve pozicije, tada visoko precizni kontroler suncevog pracenja dolazi u obzir.

Prethodnih godina,bilo je predlozeno nekoliko sema da se poboljsaju sistemi za pracenje, kao sto

je sema za pracenje putanje Sunca ,bazirana na kontroli orjantacije i nagiba kretanja. Ove seme

ukljucuju optimizaciju nagiba i orjentaciju uglova solarnog kolektora, koristeci informacije o

geografskoj sirini ,matematicke modele, i algoritme pracenja. Da bi automatski podesili nagib i

orjentciju ugla u smislu pozicije Sunca, u polju inzenjerskog proucavanja i kontrole ,su

predlozeni neki pristupi koji na bazi kontrole pokreta i obrade signala koriste informacije koje

dolaze sa elektronskog uredjaja. Nedavno , neke od najvaznijih i najistaknutijih sema u solarnim

aplikacijama, su uvedene u polje vestacke inteligencije, sto ukljucuje : sistem za pracenje sunca

koristeci fuzzy kontrolisani svetlosni senzor, temperaturu ambijenta i varijacije elektricnog

opterecenja, fuzzy algoritme da povezu domace aparate na elektricnu mrezu ili na fotonaponski

panel,predvidjanje i procenu suncevog zracenja,i hibridne sisteme koji koriste solarnu energiju sa

tehnologijom baziranom na genetskim algoritmima.

Takodje, postoje razliciti pristupi bazirani na inteligentnim tehnikama. Ljudsko znanje je

objasnjeno kao informacija koja dolazi sa senzora i elektronskog kola. Ali postoji i generacija

ljudske inteligencije pre mnogo godina, u astronomskim i fizickim istrazivanjima sto moze da

bude mocna alatka bazirana na ljudskom umu. Na primer, prednost integracije izmedju fuzzy

logike i neuronskih mreza,koja se zove neuro-fuzzy, je u ucecim sposobnostima neuronskih

mreza i da bude kao covek, sto znaci da razume fuzzy logiku. Zato ova sema govori da covekovo

znanje moze biti opisano ne samo elektronskim uredjajima, vec i u astronomskim godisnjim

informacijama sadrzanim u bazama podataka i naucnom znanju ,koje moze biti veoma mocna

umna alatka. Nedavno,proizveden je kontroler koji ima slicne principe kao neuro-fizzy tehnika,

zvan Fuzzy Rules Emulaed Network ili FREN, i primenjen je za kontrolu razlicitih nelinearnih

pogona. Ova struktura je jednostavna i dozvoljava inicijalnu promenu i selekciju mreznih

parametara. Prateci If-Then pravila, slicna ljudskim culima, astronomske informacija mogu biti

sadrzane u fuzzy sistem. Ovo povoljno stanje oznacava da ovaj algoritam moze da se koristi u

aplikacijama solarne energije.

KONTROLER PRACENJA BAZIRAN NA FRENU i astronomskim godisnjim kalendarskim podacima

A. Solarni put baziran na Astronomskim godisnjim podacima

Postoji veliki broj nebeskih kordinatnih sistema koje mi mozemo da iskoristimo da bi videli

poziciju nebeskog tela u nebeskoj sferi. Jedan od njih je ekvatorski koordinatni sistem Slika 1.

Ovaj sistem je veoma slican koordinatnom sistemu sa geografskom sirinom i duzinom, i koristi se

da odredi poziciju na Zemljinoj povrsini. LInije na mapi Zemlje koje idu severno ili juzno od

Ekvatora,su linije duzine a kada su projektovane ka nebu ,onda postaju linije penjanja Linije na

mapi Zemlje koje idu u pravcu istok-zapad ,paralelno sa Ekvatorom su linije sirine, a kada se

projektuju ka nebu,one postaju linije deklinacije. Deklinacija radi na povrsini nebeske sfere

slicno kao i sirina na povrsini Zemljine sfere. Za posmatraca na sfernoj hemisferi,kada je

deklinacija Sunca x a sirina posmatraca L, visina popodnevnog Sunca je = 90 - L +x, kao sto je

pokazano na slici 2.

Pored toga, ugaono pomeranje Sunca od Istoka ka Zapadu je od velike vaznosti u smislu

procene ugaonog pomeranja ,dok Zemlja rotira oko svoje ose, Slika 3. U ovom radu je

razmotreno 15 stepeni po satu.

Slika 1. Ekvatorski koordinatni sistem

Slika 2. Visina Sunca zavisi od njegove deklinacije

Astronomski godisnji podaci su tabele koje primarno sadrze kordinate nebeeskih tela i

sastavljene su za svaku godinu sa dodacima u kojima sadrze tabele sa podacima o pomracenju

Sunca i Meseca,koji su bazirani na matematickim teorijama kretanja tela u solarnom sistemu, na

principu metode nebeske mehanike. Astronomski godisnji podaci su korisceni u

nauci ,tehnologiji, astronomiji, geodeziji,kartografiji i u geofizickim istrazivanjima kao i u

racunanju putanja vestackih satelita i slobodnim probama,kao i u ispitivanju kretanja. Oni su

takodje korisceni za resavanje problema navigacije na moru, vazduhu i u prostoru. U ovom radu,

astronomski godisnji podaci su korisceni za konstrukciju sistema baziranih na znanju, u smislu

odredjivanja uglova solarne dekinacije.

Razvoj vestackog kontrolera

Razmatrajuci informacije o kojima smo govorili,maksimalna kolicina energije, transformisana

od strane fotonaponske solarna celije, je ostvarena kada se su suncevi zraci odrzali pravac

normalan na povrsinu panela, kao na Slici 4.. Da bi se odrzalo ovo stanje potrebno je kontrolisati

nagib φ i orjentaciju ugla ψ, za odgovarajuce sezonsko i dnevnom kretanje ,respektivno. Opseg

vrednosti ovog ugla,varira od zemlje do zemlje, ali ova informacija se moze lako dobiti iz

astronomskih godisnjih kalendarskih podataka svake zemlje. U zavisnosti od potrebe,

projektovali smo kontroler baziran na IF-THEN pravilima,za kontrolisanje parametara nagiba i

orjentacije, da bi povecalikolicinu solarne energije koja je prikupljena fotonaposnkim sistemom.

Slika 3. Ugaono pomeranje Sunca u pravcu Istok / Zapad

Prvo, predstavljamo fuzzy zakljucni sistem, za odgovarajuca sezonska kretanja , baziran na IF

- THEN pravilima. Neka , δ ∈ R+ , budu dani tokom godine predstavljeni pozitivnim realnim

brojevima, a neka ,φ ∈ R , budu sezonska kretanja ,u skladu sa realnim brojevima, koja se

postizu sistemom preko servomotora.Za svaki δ ulaz ,imamo jedan φ izlaz, i svako fuzzy IF-

THEN pravilo moze biti zapisano kao:

Pravilo i : IF(AKO) je δ = Ai, THEN (ONDA) je φi = fi (µAi);

gde pravilo i = 1,2...n ukazuje da IF δ pripada fuzzy skupu Ai sa odgovarajucom vrednoscu

µAi ,THEN (Onda) fuzzy vrednost izlaza ovog pravila, oznacenog sa φi, je jednaka fi (µAi). Kada

se sva pravla izvrse,izlaz φ je izracunat pomocu defuzzikacione seme.

Slika 4. Maksimalna kolicina energije sakupljena, kada je pranac Suncevih zraka upravan na povrsinu panela . Nagib i orjentacija ugla se kontrolisu.

Sada se nastavlja sa slicnim predstavljanjem fuzzy zakljucivackog sistema , odgovarajuceg

dnevnog kretanja, takodje po fuzzy IF THEN pravilima, Neka ζ ∈ R+ budu sati tokom dana

,predstavljeni pozitivnim realnim brojevima,a neka ψ ∈ R ,budu dnevna kretanja,na skali

brojeva, koji se ostvaruju preko sistema servomotora. Zbog toga,za svaki ulaz ζ, postoji

odgovarajuci izlaz ψ , i svako fuzzy IF THEN pravilo moze da se napise kao:

Pravilo j : If (AKO) je ζ = Bj ,THEN (Onda) je ψj = gj (µBj) ,

gde pravilo j= 1,2,....k ukazuje da IF(ako) ζ pripada fuzzy skupu Bj sa odgovarajucim

vrednostima µBj ,THEN (onda) fuzzy vrednosti izlaza ovog pravila, oznacenog sa ψ j ,su jednake

vrednostima gj(µBj). Na isti nacin, posle obrade svih pravila, izalaz ψ je izracunat.

Kontroler za pracenje Sunca po obe koridnate se sastoji od dva FREN kontrolera, o

sezonskom kretanju i o dnevnom kretanju. Ova kontrola je izvedena i bazirana na fuzzy pravilima

o kojima se govorilo iznad,i njegova struktura moze biti objasnjena u sklopu 5 slojeva, sto je

pokazano na Slici 5. i Slici 6 ,za sezonska i dnevna kretanja, respektivno. Kao sto se moze

primetiti, FREN ima jednostavnu strukturu, koja je sposobna da prenosi ljudsko znanje o putu

suncevih zraka tokom godine i tokom dana( iz astronomskih godisnjih podataka) ,bazirano na

fuzzy pravilima ubacenim u mrezu. Funkcija svakog sloja ce biti opisana u nastavku:

Sloj 1. Zove se sezonski i dnevni ulazni sloj, za svaki FREN respektivno. U ovom sloju oba

ulaza δ i ζ se salju direktno sledecem sloju,i zbog toga nema nikakvog preracunavanja u njemu.

Sloj 2. Ovaj se zove sloj clanova funkcije. Svaki clan u ovom sloju ima odgovarajucu

clansku funkciju koja je gausova, linearna ili sign matematicka funkcija,koja odgovara jednom

lingvistickom nivou (negativan ili pozitivan) . Neki primeri su na Slici 10. i Slici 12. .Izlaz

vrednosti i-tog i j-og clana svakog FRENa je izracunat sa Ai = µAi(δ) i Bj = µBj (ζ),za svaki ulaz

δ za dane, i za svaki ulaz ulaz ζ za sate,respektivno.

Sloj 3. Zove se sloj linearne vaznosti. U ovom sloju svaki clan je povezan direktno iz

prethodnog clana tako da imamo n i k clanova u ovom sloju za svaki FREN respekivno. Izlaz u i-

tom clanu ,u sezonskom FRENu, je izracunat kao:

φi = βi µAj (δ),

a izlaz j-og clana ,za dnevni FREN izracunat je kao:

ψj=χj µBj (ζ),

gde parametri βi i µAi (δ) odgovaraju i-tom clanu, a parametri χj i µBj (ζ) odgovaraju j-tom

clanu,dok parametri βi i χj predstavljaju nagib linearne posledice, koje odgovaraju svakom FREN

kontroleru (Slike 11. i 13.) .

Slike 5. i 6. Struktura sezonskog i dnevnog kretanja FREN kontrolera,respektivno

Sloj 4. Ovaj sloj se zove pozicija izlaza. Kao sto se vidi na slikama 5 i 6 ,struktura ovog sloja

je slicna izlaznom sloju vestacke neuronske mreze,sa tezinama koje su jednake ovim jedinicama.

Tako izlaz generisan od strane FREN kontrolera, za sezonsku poziciju, racuna se kao:

φ = ∑i=1

n

φi=BT H ,

Gde je vektor B = (β1, β2.... βi )T i vektor H = ( A1,A2,...Ai)T. Konacno izlaz ψ generisan od

strane FREN kontrolera, za dnevnu poziciju, je izracunata kao:

ψ¿∑j=1

n

ψ i=ΛT O

gde je Λ = (χ1, χ2.... χj )T a vektor O = (B1,B2,...Bj) T .

Ovo razlaganje na 4 sloja dozvoljava projektantima da podese inicijalne vednosti neuronske

mreze intuitivno. Kada se izvrsi predlozeno pracenje Sunca po obe kordinate pomocu FREN

kontrolera, kontrola dobija oba ulaza δ i ζ , koji odgovaraju danu tokom godine i casu tokom

dana, respektivno. Odmah posle toga, nominalni kontrolni signali φ i ψ , zeljene pozicije, se

izracunavaju kontrolerom.

Experiment

Da bi se izumeo kontrolera, u labaratoriji je proizveden i integrisan jedan experimentalni

prototip baziran na DYNAMIXEL AX 12 motoru preko ROBOTIS inc Drajevra i korisnicki

interfejs je programiran preko MatLaba. Prototip za pracenje Sunca preko obe koridinate ,se

sastoji od dva stepena slobode da bi kontrolisao nagib i orjenaticju ugla kao na Slici 7. Program

cita vreme i datum iz kompijutera u smislu da generise odgovarajuci ulaz kontrolnom algoritmu.

kao na slici 8. Ova informacija je transformisana u stepene pomocu inteligentnog kontolera i

poslata je servomotoru za podesavanje pozicije solarne celije.Podesavanje pozicije solarne celije

je automatski podeseno online, kada i realno vreme i dan variraju. Na slici 9 ,experimentalna

metodologija je sumirana na sledeci nacin :

1. Vreme na satu (realno vreme ) (sati /minuti /sekunde) i datum (godina /mesec /dan) ,su

procitani sa racunara,i konvertovani u sate i dane respektivno.

2. Nagib i orjentacija pozicije je izracunata od strane kontrolera da bi se pozicionirala solarna

celija normalno na pravac suncevih zraka.

3. Sistem prati sunce, podesavajuci ugaonu poziciju motora, koje se vrsi preko fuzzy

zakljucivackog sistema.

Slika 7. Prototip za solarno dvo-osno pracenje

Takodje matematicki, postoje veze izmedju nagiba i orjentacije ugla, dana u godini, i vremena

na satu ; matematicki model bi trebao biti definisan za svaku zemlju zato sto ove relacije variraju

od zemlje do zemlje. Na drugoj strani, podaci bazirani na astronomskim godisnjim podacima

mogu da se koriste za svaku zemlju ,ali prakticno, ovo moze biti jako tezak zadatak, i zahteva

visoke troskove da bi se izvrsila kontrola pozicije. Pored toga ,u ovim zapisima, solarna putanja

je opisana velikim intervalom izmedju uzoraka podataka za svaki skup parametara (φ i ψ,datum ,

cas) ,sto znaci nekompletnu informaciju o celom vremenu vektora u prostoru.

Tabela 1. Matematicko predstavljanje za sezonsko kretanje bazirano na lingvistickim nivoima

Slika 8. Kontrolni sistem FREN strukture za kontrolu sezonskog i dnevnog kretanja ,gde d oznacava zeljenu poziciju

Koristeci predlozenu kontrolnu semu, za odrzavanje normalnog pravca celije u odnosu na

suncevu svetlost,omogucava se formalni matematicki opis. Fuzzy aproksimacioni model jedino

treba opseg nagibnog ugla (φmin i φmax ) i opseg ugla orjentacije (ψmin i ψmax),koji se mogu dobiti

iz astronomskih godisnjih podataka svake zemlje. Ovaj pristup je mnogo jefitniji u smisu mekog

racunarstva.

Ova sezonska kretanja mogu biti definisana na osnovu sledecih fuzzy pravila:

gde JF,MA,MJ,JA,SO, i ND oznacavaju Januar-Februar,Mart-Apriil,Maj-Jun,Jul-

Avgust,Septembar-Oktobar i Novembar-Decembar lingisticki nivo ,respektivno. Na drugoj strani,

RB,RM,RS,FS,FM,FB oznacavaju "Povratni pravac sa veilkim uglom","Povratni pravac sa

srednjim uglom","Povratni pravac sa malim uglom", "Poslat pravac sa malim uglom", "Poslat

Slika 9. Algoritam eksperimentalne metodologije

pravac sa srednjim uglom","Povratni pravac sa velikim uglom", respektinvo. Ovi funkcijski

clanovi su pokazani na slici 10, gde su pravila izvrsena.

Kada se sva pravila izvrse, ostar izlaz φ je izracunat na osnovu odgovarajuce linearne

posledice (LCs ) pomocu defuzzikacije, kao sto je prikazano na slici 11. Na osnovu podataka iz

astronomskog godisnjeg kalendara, inicijalno podesavanje parametara β je dato kao β1=48 , β2=

30, β3= 15, β4=15, β5=30 , β6=48. Matematicki prikaz MFova i LCova po lingvistickim nivoima je

prikazan u Tabeli 1.

Slika 10. Podesavanje Clanova funkcije (MCs) dvoosnog kontrolera za solarno

pracenje ,za δ izabran u ulaznom opsegu od 0-365 dana

Slika 11. Podesavanje linearne posledice (LCs) dvoosnog kontrolera za solarno pracenje, za φ izabrano u izlaznom opsegu 0 - 47.1 stepena, u zavisnosti od astronomskih podataka

Na slican nacin saznajemo i dnevna kretanja, na osnovu sledecih fuzzy prvila:

gde m,n,a,L,M i S oznacavaju odgovarajuci jutarnja, podnevna,poslepodnevna, velika ,srednja

i mala,respektinvo. MFs funkcija clanica,je prikazana na slici 12,gde su sva pravila izvrsena.

Posle izvrsavanja svih pravila, ostri izlaz ψ je izracunat na osnovu odgovarajuce linearne

posledice (LC) pomocu defuzikacije, kao sto je prikazano na slici 13. Na osnovu astronomskih

godisnjih podataka , inicijalno podesavanje parametaara χ je dato kao χ1= 60, χ2= 100, χ3= 180.

Matematicko predstavljanje MFa i LCa po lingvistickim nivoima pokazano je u tabeli 2.

Kao sto se moze primetiti, podesavanje MFa i LCa je oznaceno po informacijama koje dolaze

iz astronomskih godisnjih podataka, i opsezi (φmin i φmax ) i (ψmin i ψmax) se mogu lako promeniti

Tabela 2. Matematicko predstavljanje za dnevna kretanja bazirano na lingvistickim nivoima

Tabela 3. Informacije o Meksiku iz astronomskog godisnjeg kalendara

u zavinststi od lokacije zemlje. Ovaj pristup nam dozvoljava da ubacimo znanje u kontroler

bazirano na kombinaciji fuzzi logike i astronomskih merenja.

Experimentalni rezulati

Da bi se ilustrovalo izvodjenje predlozene inteligentne kontrolne seme za pozicioniranje

solarne celije, izvrsen je ovaj eksperiment. Kontrolni algoritam je napravljen na osnovu prototipa

odozo sa Slike 7. Ulazi i izlazi kontrolera su oznaceni u zavisnosti od astronomskih godisnjih

podataka za Meksiko(28), i sumirani su u tabeli 3. Na osnovu ova 4 parametra (δ, ζ, φ, ψ) ,upravljanje automtski izracunaca i podesava poziciju sa ciljem da se postigne normalni

pravac na povrsinu panela.

Experimentalni rezultati su procenjeni i uporedjeni sa podacima iz baze podataka

astronomskih godisnjih kalendara. Rezultati sezonskih kretanja (nagibni ugao) su prikazani na

Slici 14. Kao sto se moze primetiti, dobar dogovor je pronadjen izmedju baze podataka i

experimenta. Za svaki dan u godini (ulazi),kontrola je sposobna da izracuna odgovarajuci izlazni

ugao φ .

Rezultati denvnih kretanja su prikazani na Slici 15. Na ovoj slici je prikazan napredak

izlaznog ugla za svaki odgovarajuci ulaz baziran na realnom vremenu. Moze se videti da je

kontroler precizan tokom ovog kretanja, cija je aproksimacija prava linija.

Slika 12. i 13. : Podesavanje clanice funkcije dvoosnog sistema za solarno pracenje ,za ζ izabrano u ulaznom opsegu od 7.00 - 19.00 h; Podesavanje linearne posledice dvoosnog sistema za solarno

pracenje ,za ψ izabrano u izlaznom opsegu od 0 - 180 stepeni,u zavisnosti od astronomskih podataka

Ova aproksimacija bazirana na fuzzy pravilima i astronomskim informacijama , sa prakticne

tacke gledista, predstavlja pogodan i bitan pristup,zato sto sistem za solarno pracenje ne zahteva

nikakav elektronski uredjaj (senzor svetlosti, GPS tragac itd) za slanje relativne pozicije sunca ka

kontroleru.

Slika . Nagib ugla φ izracunat predlozenim kontrolerom, i uporedjenim sa uglom dobijenim iz astronomskih godisnjih podataka

Slika . Orjentacija ugla izracunatog predlozenim kontrolerom i uporedjenim sa uglom dobijenim iz podataka o astronmskog godisnjeg kalenadara

Zakljucak

U ovom radu , predstavljen je kontroler za solarno pracenje preko obe koordinate. Srz ovog

kontrolnog sistema je baziran na fuzzy pravilima napravljenim na osnovu podataka iz

astronomskih godisnjih kalendara. Ova sema automatski podesva nagib i orjentaciju

ugla,uzimajuci u obzir dan u godini i realno vreme. Fleksibilna struktura njegovog nacina rada

dozvoljava da se koristi u zavistnosti od lokacije zemlje,tako sto modifikuje maksimalni i

minimalni opseg vrednosti za ψ i φ. Ovde je od vaznosi primetiti to da kontrola ne zahteva bilo

kakvu informaciju sa senzorskog uredjaja,koji je povezan sa pozicijom sunca, zato sto

inteligentna struktura bazirana na fuzzy masini dozvoljava da se aproksimira ili zakljuci lokacija

Sunca. Inteligentni algoritam je realizovan u prakticnom prototipu sa dva stepena slobode.

Experimentalni podaci demonstriraju efikasnost i prave jasnu potencijalnu karakteristiku

predloga. Na kraju, zakljucujemo da predlozeni kontroler moze lako da se realizuje u stvarnim

aplikacijama, bez ikakvog senzora za pracenje sunca i bio bi veoma jeftin.