太阳光纤光导系统非稳态机理分析和柔顺控制建模

光纤光导系统是一种健康、节能的绿色照明模式，由于现有控制策略对长时域光流平滑控制机理分析不够深入，控制系统存在突变、畸变等非稳态现象，成为光导照明系统走向成熟的瓶颈。.本研究针对光导系统控制中的非稳态问题，提出利用柔顺性跟踪控制策略进行光导系统的光流平滑输出调控研究，深入探讨控制系统中执行环节的小尺寸非线性、强耦合问题，阐明系统多尺度控制过程中的非稳态机理，揭示系统非稳定状态与光流矢量场时空分布间的内在关联，基于长时域光流平滑控制原则，筛选合理光学参量并建立目标函数和约束函数，建立柔顺性系统控制方法，在此基础上建立一套能评估非线性、强耦合控制品质的并联机构式光导系统并进行试验研究。该项研究将为光导系统设计提供一种柔顺性控制科学思路，对太阳能高倍聚焦、照明等领域的研究产生一定程度的促进作用。

从先验信息的角度，项目开发出高精度的太阳跟踪柔顺性控制方法体系，在开发出的2500倍太阳聚焦光纤传输样机上获得成功验证。.样机包括并联驱动机构、菲涅尔透镜、塑料光纤、数字式光纤太阳定位器和控制电路。样机的并联机构使得系统扁平化，支持7×7的透镜阵列的同步太阳跟踪。数字式光纤太阳定位器利用光纤采集、传输聚焦光斑的高密度辐照能流，实现透镜与光敏元件的空间独立，从而实现可直接探测高倍聚焦辐照能流，实现对聚焦光斑的直接位置检测。可对625倍的聚焦太阳光直接标定，输出纯数字信号，可减少AD转换误差。聚焦光斑的位置分辨率优于0.1°。.柔顺性控制算法包含有天文公式粗调、光敏精细定位和预测控制三个模式。为了降低计算复杂度和计算量，采用精度为2度的天文公式，可确保在多云天气时跟踪误差小于光敏精细定位模式的阈值。光敏精细定位采用项目开发的数字式光纤太阳定位器精确捕获太阳，用于窄视野的精细太阳定位。预测控制模式为柔顺性控制方法的核心，基于计算出的太阳轨迹运动趋势，并利用对传动系统的非线性数据模型，控制透镜与太阳法线向量同步转动，以此获得超过光敏定位分辨率的柔顺跟踪效果。项目开发了控制电路和程序，通过对三个模式的信息融合，实现了大视场快速、窄视场精确、同步跟踪的三种性能的无缝兼容。 .样机对地下室进行了自然光传输照明实验。第一代样机光导系统的照明传输效率为34%-42%之间，且大部分时间内处于38%-40%范围，接近理论极限（42%）。大部分时间误差小于0.06°，超过光敏定位的分辨率极限（0.1°），实现了柔性控制，输出光通量的波动小于10%，成功达到项目既定目标。基于实验数据，确认了光纤光导系统的照度分布呈现圆锥形，光发散角取决于光纤全反射临界角，给出了相应的数学表达。第二代样机三分之二功率输出状态下，室外70klux照度时，可为10m外4.2m×8.6m地下室提供122lux的平均照度。项目开发出的柔顺性控制方法，在大型楼宇中庭采光照明工程中获得推广。.本项目开发的柔顺性控制策略可用于太阳光传输照明领域，也可用于塔式、碟式聚光热发电的定日镜控制。