[科普中国]-定日镜阵列控制器-

定日镜阵列控制器是指根据中央控制系统（MCS)的指令要求，协调聚光场中各个定日镜工作的控制设备。

定义根据中央控制系统（MCS)的指令要求，协调聚光场中各个定日镜工作的控制设备。

组成定日镜阵列控制器主要是由反射镜面、支撑装置、传动装置、跟踪装置以及控制器组成；控制器采用DSP处理器；跟踪装置采用视日跟踪，由视日运动轨迹软件计算太阳的高度角和方位角，作为电机驱动部分的输入；DSP处理器控制步进电机1和步进电机2，步进电机1控制反射镜的水平运动，步进电机2控制反射镜的垂直运动；DSP处理器经过光耦隔离和逆变器处理后能够直接驱动电机；传动装置包括整流滤波模块和电流传感器模块；以实现通过对太阳的跟踪，并且将阳光精确的反射到某一固定位置；能够使光伏电池的接收率大大的提高，从而能有效的、更充分的利用太阳能资源，拓宽了太阳能的应用领域。

定日镜控制器功能需求定日镜的控制系统实际上是一个双轴跟踪系统。由当前镜场所需要的状态，控制定日镜镜面到达指定的位置。在定日镜实际运行中，镜场对定日镜有多种控制状态与功能需求：

1、首先需要有能全自动精确跟踪太阳运动轨迹的功能，其控制要求在将在后面详述；

2、在安装、机械加工时以及长期运行后，由于地基沉降、机械变形等所带来的累计误差是需要进行外部校正的，这就要求定日镜有自动校准功能;

3、镜面长期暴露在外，积满的尘土会严重影响入射光线的反射效率，必须要定期的清洗因此要求定日镜能自动进入清洗时的位置状态;

4、在一天日落以后，定日镜要回到初始位置，以便第二天能快速跟踪到太阳以及防止夜间可能出现的天气情况等，因此要求定日镜有自动归位状态。

控制方案的设计该方法分为如下几个步骤:首先由天文学公式，在已知当地准确的时间和经纬度的条件下，通过天文学计算获得太阳入射光线的方位角与高度角;然后再根据定日镜与集热器的相对位置关系，计算求得将光线反射到集热器的定日镜镜面理想法线角度:最后由控制系统根据计算结果，驱动电机对镜架机械支撑系统的转角进行调整，使得镜面达到该位置。

该方法是一种开环控制系统。控制时只是根据数学计算设定了镜面的角度，并没有对镜面的实际位置进行检测和反馈调整，使用中容易受到标定精度、地基沉降、机架变形和累积误差等因素的影响。

针对该方法的弊端，为了对镜面的实际位置进行检测和反馈调整，需要在镜面上安装角度传感器，将其反馈信号与给定目标角度进行比较，进而对跟踪偏差进行校正，从而形成闭环控制。

另外，为了能直接检测太阳入射光的高度角与方位角，可以在镜场中安装高精度的太阳入射光线检测仪，将其数据通过网络广播给定日镜控制器。由于地球离太阳较远，而且地球直径较小，可以认为太阳光线是从同一个方向入射到镜场中的，因此镜场中只需安装1台检测仪，提高检测精度的同时，也有效的降低了镜场成本。

定日镜定日镜（heliostat）指将太阳或其他天体的光线反射到固定方向的光学装置，又称定星镜。作用与定天镜类似，但采用一块平面镜置于赤道式装置中，可作赤纬方向的移动。

当镜面以周日运动的速度作跟踪运动时，太阳光或星光被反射到极轴方向，然后直接或经辅助平面镜反射入固定的望远镜。与定天镜相比，它的主要优点是不用导轨，结构简单紧凑。光线入射角在跟踪过程中变化很小，一天以内仪器偏振近于常数，有利于太阳表面磁场横向分量的测量。主要缺点是反射天区（即视场）以周日速度旋转，观测有视面天体时，需补偿这种视场旋转。此外，由于冬季太阳光入射角较大，因此对镜面精度的要求比定天镜更高。美国基特峰天文台的太阳塔，采用的口径二米的定日镜，是世界上最大的。它还用于观测恒星和行星的光谱。1

研究目的镜场中定日镜的控制问题有其与众不同的特点:难点是反射镜的数量多且物理位置比较分散，使得控制系统的回路规模大，且电缆布置成本较高。优点是各个反射镜控制回路的功能雷同，且单个镜子的控制任务比较简单，又使得系统存在简化的可能性。近年来随着嵌入式控制技术和网络通讯技术的发展，为定日镜镜场的自动控制，提供了一种新的思路和手段。在这种系统中，可以为每个反射镜安装一套低成本的嵌入式控制器，用于实现基本的镜架运动控制功能，该控制器可直接安装在现场的镜架上。各个镜架的控制器再通过工业通讯总线连接在一起，每个控制器通过网络获得当前的太阳方位、准确时间、天气情况和其它指挥指令，独立实现单个镜子的太阳跟踪控制功能。

采用这种方式后，重复性强但运算量巨大的底层控制任务（镜面角度计算、电机速度控制、方位角检测等），被大量的嵌入式控制器分担，有效的降低了DCS系统负荷；现场设备和DCS之间的信号传输采用通讯网络，使得电缆铺设成本大幅下降，在有些应用实例中可以降到1%以下；由于嵌入式控制器可以在现场完成信号的采集和控制指令的输出功能，所以对DCS系统I/O卡件的需求也大幅度下降，有效降低了DCS系统的规模和成本。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学