空间太阳能电站演示系统软件设计

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随着能源危机日趋突出,人们迫切需要一种新型清洁能源来替代传统化石燃料。空间太阳能电站(SSPS-Space Solar Power Station)正是在这种背景下出现的一种绿色能源系统,其将空间太阳能转化为电能,再以微波形式将能量传回地面,可作为未来实现能源可持续化发展的途径之一。为了验证空间太阳能电站的可行性,本项目组以OMEGA(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array)方案为依托,搭建了空间太阳能电站演示系统。在实验验证过程中,需要将聚光器平台牵引至55m高空进行太阳能收集,并通过发射天线将微波能量发射到地面接收天线。本文针对演示系统中各部分的控制和测量问题,研发了一套空间太阳能电站演示系统软件平台,以保障演示系统安全稳定运行,本文主要工作内容如下:首先,介绍了空间太阳能电站演示系统的总体架构及其组成,系统包括索系支撑子系统、空中子系统(由聚光器平台、线馈源、AB轴平台及发射天线组成)、地面接收与转换子系统和总控室。根据软件需求分析将软件工作任务划分为升降运动控制、跟日运动控制、AB轴平台控制、微波功率测量、线馈源温度测量等功能模块,给出了各功能模块的设计方案。其次,针对聚光器平台升降运动和跟日运动控制模块的控制理论进行研究,构建了聚光器索系支撑系统的运动学模型、动力学模型以及跟日运动模型。从运动学和动力学两方面对索系支撑系统进行分析,建立了系统机构的运动学模型和动力学模型,为升降运动的位姿控制和轨迹规划奠定基础;在建立跟日运动模型时,首先分析了太阳位置计算方法,确定出太阳运行轨迹,然后对索系支撑系统进行静力分析,再结合聚光器法线对准太阳时机构的几何约束关系,建立了跟日运动模型。然后,完成了软件平台各功能模块的设计开发。主要包括:制定了软件平台与各硬件设备之间的通信协议;基于轨迹规划和运动控制实现了聚光器平台升降运动;根据模型计算和速度控制实现了聚光器平台跟日运动;完成了AB轴平台控制功能,实现对发射天线的指向调整(简称机调);根据微波功率测量方案,实现了对接收天线表面微波功率测量;采用多线程技术实现了线馈源温度测量。最后,对轨迹规划算法、太阳位置算法、跟日运动模型进行仿真验证。同时,在实际SSPS演示系统中,对软件平台各功能模块进行综合测试。测试结果表明,软件各功能模块满足项目设计要求,为空间太阳能电站的进一步研究打下良好的基础。
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