一种定日镜光路闭环控制系统及方法
阅读说明：本技术 一种定日镜光路闭环控制系统及方法 (Heliostat light path closed-loop control system and method ) 是由 陈煜达 陈昊 孙楠 沈平 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种定日镜光路闭环控制系统及方法,包括光斑感应器、定日镜转动控制器和计算单元；所述光斑感应器固定在定日镜上,随目标定日镜反射面转动而同步转动；所述计算单元用于计算太阳光斑实际位置与期望位置的偏差或者计算太阳像实际位置与期望位置的偏差；所述定日镜转动控制器固定在目标定日镜上；所述计算单元与所述定日镜转动控制器之间、所述定日镜转动控制器与所述光斑感应器之间进行数据交换。本发明利用光路反射原理通过控制入射光指向或反射光指向实现定日镜姿态的实时控制,有效解决了开环控制方式中不能基于光路反馈实时修正定日镜姿态的问题,实现了一种高精度、高效率的、实时的定日镜光路闭环控制系统。(The invention discloses a heliostat light path closed-loop control system and a heliostat light path closed-loop control method, wherein the heliostat light path closed-loop control system comprises a light spot sensor, a heliostat rotation controller and a calculation unit; the light spot sensor is fixed on the heliostat and synchronously rotates along with the rotation of the reflecting surface of the target heliostat; the calculating unit is used for calculating the deviation between the actual position of the solar facula and the expected position or calculating the deviation between the actual position of the solar image and the expected position; the heliostat rotation controller is fixed on a target heliostat; and data exchange is carried out between the computing unit and the heliostat rotation controller and between the heliostat rotation controller and the light spot sensor. The heliostat attitude real-time control method realizes real-time control of the attitude of the heliostat by controlling the direction of incident light or the direction of reflected light by utilizing the principle of light path reflection, effectively solves the problem that the attitude of the heliostat cannot be corrected in real time based on light path feedback in an open-loop control mode, and realizes a high-precision, high-efficiency and real-time heliostat light path closed-loop control system.)
技术领域
本发明属于太阳能光热发电技术领域，具体涉及一种塔式太阳能中定日镜光路闭环控制系统及方法。
背景技术
作为塔式太阳能光热发电站的核心部件，定日镜的功能是将照射至其表面的太阳光反射至目标吸热器区域。由于太阳随时间不断改变位置，所以定日镜需要拥有足够的控制精度才能保证反射光的指向精度满足设计要求，即经定日镜反射的太阳光能够持续地、准确地照射至目标吸热器区域，从而保证吸热器区域太阳光能量的汇聚效率和太阳能光热发电站的工作效率。
现有的定日镜控制方式是基于开环控制，其核心是定日镜的运动模型。先通过标定白板和图像采集器等方法以迭代的方式校正获得定日镜运动模型，再根据太阳位置的计算结果和定日镜运动模型预估定日镜所需的运营信息，即生成包括时间、转角的运营表，最后定日镜传动控制机构根据运营表控制定日镜进行转动。
定日镜开环控制方法存在以下问题：1)需要很长的调试时间。开环控制方法依赖于定日镜运动模型，通过对运动模型的校正保证控制精度。常规的运动模型校正方法为标定白板法，即在不同时间段将目标定日镜的太阳光斑反射至目标标定白板区域，再通过图像采集系统分析图像确定反射光斑中心的实际位置，最后基于时间信息和反射光斑中心位置求解目标定日镜的运动模型。另一种定日镜运动模型校正方法是在定日镜上安装随定日镜转动而转动的图像采集系统，该图像采集系统以太阳或其它有一定亮度的天体为目标，基于目标中心在像平面的位置与像平面中心的偏差求解目标定日镜的运动模型。无论采用何种定日镜运动模型校正，都需要很长的调试时间不断对运动模型进行迭代修正。只有当修正后的运动模型精度满足设计要求时，预估的定日镜运营信息与实际运营情况的偏差才能满足设计要求，定日镜开环控制的精度才能够得到有效保障。2)无法获得实时反馈。现有开环控制方法依赖于运动模型预估定日镜的运营信息，并对定日镜进行基于顺序作用的单方向控制，即定日镜在实际转动过程中只按照预估的运营表进行转动，无法对定日镜实际姿态的准确性进行反馈，从而不具备自动纠偏能力。由于运动模型是对定日镜实际运行情况的抽象归纳，所得预估结果只是接近实际情况，而不能完全表征实际情况，所以基于运动模型控制定日镜所处的姿态会与实际目标姿态存在一定偏差。由于没有实时反馈，定日镜也无法对一些异常情况进行处理，如行程范围部分区域存在模型无法修正的不理想性、风造成的面形改变等。3)机械传动机构性能指标要求较高。为了保证开环控制的精度和稳定性，定日镜机械传动机构需要具有较高的性能指标要求，包括重复性精度要求、转动一致性要求等。如果性能指标较差时，即重复性精度、转动一致性等性能参数较差时，定日镜转动会表现出无明显规律性，导致运动模型无法准确描述定日镜的实际转动情况，使得开环控制状态下的定日镜姿态不可控。这也会影响吸热器区域太阳光能量的汇聚效率，甚至由于反射光指向不可控造成安全隐患。
因此，需要一种高精度、高效率的定日镜光路闭环控制系统能够对定日镜实时姿态进行精确修正，使得反射的太阳光斑能够准确照射至目标区域，保证热器区域太阳光能量的汇聚效率和太阳能光热发电站的光热转换效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明针对塔式太阳能光热发电技术中定日镜控制精度要求高的特点，利用光路反射原理通过控制入射光指向或反射光指向实现定日镜姿态的实时控制，有效解决了开环控制方式中不能基于光路反馈实时修正定日镜姿态的问题，实现了一种高精度、高效率的、实时的定日镜光路闭环控制系统。
本发明一种定日镜光路闭环控制系统，包括：光斑感应器、定日镜转动控制器和计算单元。所述光斑感应器固定在定日镜上，随目标定日镜反射面转动而同步转动。所述计算单元用于计算目标定日镜太阳光斑或太阳像的实际位置、计算目标定日镜太阳光斑或太阳像的期望位置、计算太阳光斑实际位置与期望位置的偏差或者计算太阳像实际位置与期望位置的偏差、将太阳光斑或者太阳像位置偏差转换成定日镜转动修正数值。所述定日镜转动控制器固定在目标定日镜上，其功能是控制定日镜的转动。所述计算单元与所述定日镜转动控制器之间通过有线或者无线的形式进行数据交换，所述定日镜转动控制器与所述光斑感应器之间通过有线或者无线的形式进行数据交换。
所述定日镜光路闭环控制系统按照光斑感应器工作方式不同分为反射式和直射式。反射式的原理是通过感知太阳光斑的实际位置得到目标定日镜该时刻的反射光指向信息；直射式的原理是通过感知太阳像的实际位置得到目标定日镜该时刻的入射光指向信息。
所述反射式定日镜光路闭环控制系统中光斑感应器的接收面朝向目标定日镜反射面，用于接收经过定日镜反射面反射的太阳光斑，接收面法线与目标定日镜反射面法线夹角δ取值范围为90°＜δ≤180°。太阳光经过反射后照射至目标区域，其中一部分被光斑感应器的接收面接收形成太阳光斑；太阳光斑实际位置可以通过太阳光斑的几何中心或能量分布质心描述，其表征目标定日镜的实际反射光指向。反射式光路闭环控制系统通过光斑感应器感知目标定日镜的实际反射光指向，根据其与期望反射光指向的偏差，对定日镜姿态进行实时修正，实现定日镜的实时光路闭环控制。
所述直射式定日镜光路闭环控制系统中光斑感应器的接收面与目标定日镜反射面同向(同时朝向太阳)，接收面法线与目标定日镜反射面法线夹角δ取值范围为0°≤δ＜90°。太阳光的一部分被光斑感应器的接收面接收形成太阳像，其余的太阳光经过定日镜反射面反射至目标区域；太阳像实际位置可以通过太阳像的几何中心或能量分布质心描述，其表征目标定日镜的实际入射光指向。直射式光路闭环控制系统通过光斑感应器感知目标定日镜的实际入射光指向，根据其与期望入射光指向的偏差，对定日镜姿态进行实时修正，实现定日镜的实时光路闭环控制。
本发明定日镜光路闭环控制系统的工作流程如下：
(1)ti时刻光斑感应器采集太阳光斑或太阳像分布信息，并由计算单元基于太阳光斑或太阳像分布信息计算太阳光斑或太阳像的实际位置[uti,vti]n，其中ti表示单个工作日内的第i个时间点，n表示定日镜编号，uti表示ti时刻太阳光斑或太阳像实际位置的u轴方向数值，vti表示ti时刻太阳光斑或太阳像实际位置的v轴方向数值；
(2)计算单元计算ti时刻目标定日镜太阳光斑或太阳像的期望位置信息[Tuti,Tvti]，Tuti表示ti时刻太阳光斑或太阳像期望位置的u轴方向数值，Tvti表示ti时刻太阳光斑或太阳像期望位置的v轴方向数值；
(3)计算单元计算目标定日镜的太阳光斑或太阳像位置偏差[Δuti,Δvti]n＝[Tuti-uti,Tvti-vti]n，Δuti表示ti时刻太阳光斑或太阳像u轴方向期望坐标与实际坐标的相对偏差，Δvti表示ti时刻太阳光斑或太阳像v轴方向期望坐标与实际坐标的相对偏差；
(4)定日镜绕至少两个轴转动以实现将太阳光反射至目标区域的功能，计算单元依据定日镜的转动方式将ti时刻目标定日镜太阳光斑或太阳像位置偏差[Δuti,Δvti]n转换成定日镜的转动偏差数值。
本发明定日镜转动方式一，定日镜反射面绕两根相互正交的转轴X轴、Y轴转动，其中Y轴位置保持不变，X轴随定日镜反射面绕Y轴转动。转动偏差数值：
式中：u1/2表示接收面中心u轴方向坐标，v1/2表示接收面中心v轴方向坐标，d表示接收面至定日镜反射面的距离，
本发明定日镜转动方式二，定日镜镜面绕两根相互正交的转轴Y轴、Z轴转动，
其中Z轴位置保持不变，Y轴随定日镜反射面绕Z轴转。转动偏差数值：
式中：表示Z轴转动偏差。
(5)定日镜转动控制器依据转动偏差数值实时修正ti时刻目标定日镜姿态，使得太阳光斑或太阳像的实际位置[uti,vti]n不断逼近或重合于期望位置[Tuti,Tvti]；(6)在单个工作日内，重复步骤(1)-(5)，计算单元以太阳光斑或太阳像的实际位置与期望位置偏差为反馈，持续地实时修正目标定日镜姿态，使得任意时刻太阳光斑或太阳像的实际位置在期望位置附近波动，实现定日镜光路闭环控制，保证定日镜的反射光指向能够正确地照射至目标区域。
本发明定日镜闭环控制系统中计算单元计算目标定日镜太阳光斑或太阳像期望位置的步骤如下：
(1)计算单元根据ti时刻目标定日镜中心坐标
其中||表示取模运算，
(2)计算单元计算ti时刻归一化太阳光入射矢量
(3)计算单元计算该时刻定日镜反射面归一化法线矢量：
式中：表示ti时刻定日镜反射面归一化法线矢量X轴方向分量，
(4)光斑感应器接收面法线矢量与定日镜反射面法线矢量间的夹角
δ＝[δn δu δv]，式中δn表示绕定日镜反射面法线矢量的偏差角，δu表示绕u轴的偏差角，δv表示绕v轴的偏差角；反射式定日镜闭环控制系统中δ取值范围为90°≤δ＜180°，直射式定日镜闭环控制系统中δ取值范围为0°≤δ＜90°；
计算单元基于光斑感应器接收面法线矢量与定日镜反射面法线矢量间的夹角δ计算接收面法线矢量：
式中：n表示定日镜编号，Rotu()表示绕u轴的旋转矩阵，Rotv()表示绕v轴的旋转矩阵，Rotn()表示定日镜反射面法线矢量绕的旋转矩阵，
(5)反射式定日镜闭环控制系统中，计算单元根据ti时刻接收面中心坐标和接收面法线矢量建立接收面的三维方程，再根据ti时刻太阳光反射矢量和定日镜中心坐标建立基于定日镜镜面的三维直线方程组，求解反射光指向与接收面的交点坐标其中k表示第K个交点；最后将交点坐标转换至接收面坐标系获得太阳光斑的期望位置坐标[Tuti,Tvti]。
直射式定日镜闭环控制系统中，计算单元根据ti时刻接收面中心坐标
本发明中，所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器是由至少一台图像采集器组成的图像采集阵列构成，图像采集器由成像光路(透镜或小孔等)、光强衰减装置和图像传感器组成。太阳光经过定日镜反射面反射至图像采集阵列的像面，形成太阳光斑。图像采集器的镜头朝向定日镜反射面，图像采集器的数量依据定日镜反射面的尺寸确定，使得图像采集阵列组成的视场能够覆盖定日镜反射面区域。
以图像采集阵列为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)图像采集阵列采集定日镜反射面的图像；
(2)通过二值化方法获得ti时刻每台图像采集器中太阳光斑的区域范围；
(3)基于二值化图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)的图像坐标表述为其中m表示图像采集器编号，n表示定日镜编号，h表示ti时刻太阳光斑实际位置的u轴方向像素数，l表示ti时刻太阳光斑实际位置的v轴方向像素数。
所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器可以是由光电传感器组成的阵列和光阑构成。所述光电传感器包括光敏电阻、光电二极管、光开关等基于光电效应的非成像用传感器。所述光电传感器的接收面朝向定日镜反射面，所述光电传感器的数量依据定日镜反射面的反射范围确定，使得光电传感器阵列组成的接收面能够覆盖定日镜反射面区域反射的太阳光斑。太阳光经过定日镜反射面反射至光电传感器阵列接收面，获得由太阳光斑产生的接收面电信号强度分布。所述光阑用于限制照射至光斑感应器的太阳光范围以便于形成太阳光斑。
所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器可以是由光电传感器组成的阵列和标准平面反射镜构成。所述光电传感器包括光敏电阻、光电二极管、光开关等基于光电效应的非成像用传感器。所述标准平面反射镜安装在目标定日镜上随定日镜镜面转动而同步转动，所述标准平面反射镜的尺寸由光电传感器尺寸及光电传感器间距确定，标准平面反射镜反射面与定日镜反射面同向(同时朝向太阳)且相对位置固定。所述光电传感器的接收面朝向标准平面反射镜的反射面，光电传感器的数量依据标准平面反射镜的反射范围确定，使得所述光电传感器阵列组成的接收面能够覆盖标准平面反射镜反射的太阳光斑。太阳光经过标准平面反射镜反射面反射至光电传感器阵列接收面，获得由太阳光斑产生的接收面电信号强度分布。
上述以光电传感器阵列为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)光电传感器阵列获取接收面的电信号强度分布；
(2)根据电信号强度分布，基于预设阈值获得ti时刻太阳光斑在光电传感器阵列接收面上照射的光电传感器范围，即被点亮的光电传感器范围；
(3)基于被点亮的光电传感器范围计算几何中心，或者基于被点亮的光电传感器范围内电信号强度分布计算能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)坐标表述为[Outi,Ovti]n，其中n表示定日镜编号，Ou表示ti时刻太阳光斑实际位置的光电传感器阵列u轴方向数值，Ov表示ti时刻太阳光斑实际位置的光电传感器阵列v轴方向数值。
所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器可以是由接收板、至少一台图像采集器组成的图像采集阵列和标准平面反射镜构成。所述图像采集器由成像光路和图像传感器组成。接收板的接收面为漫反射面，接收面朝向标准平面反射镜反射面，用于接收经过标准平面反射镜反射面反射的太阳光。接收板的尺寸覆盖标准平面反射镜的反射范围。标准平面反射镜安装在目标定日镜上，随定日镜镜面转动而同步转动。标准平面反射镜的尺寸由图像采集阵列分辨率确定，标准平面反射镜反射面与定日镜反射面同向(同时朝向太阳)且相对位置固定。图像采集阵列中镜头朝向接收板的接收面，图像采集器数量依据接收板尺寸确定，用于识别太阳光斑在接收板上的实际位置，使得图像采集阵列组成的视场能够覆盖接收板区域。本发明上述以接收板、图像采集阵列和标准平面反射镜为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)接收板接收标准平面反射镜反射面反射的太阳光斑；
(2)通过图像采集器阵列采集接收板图像，通过二值化方法识别ti时刻太阳光斑区域；
(3)以接收板中心为原点，基于二值化图像中的太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)在接收板上的实际坐标[Byti,Bxti]n，其中By表示ti时刻太阳光斑实际位置的接收板u轴方向数值，Bx表示ti时刻太阳光斑实际位置的接收板v轴方向数值。
本发明中，所述直射式光路闭环控制系统中光斑感应器是由至少一台图像采集器组成的图像采集阵列构成。图像采集器由成像光路(透镜或小孔等)、光强衰减装置和图像传感器组成。图像采集阵列组成的视场覆盖太阳相对目标定日镜的移动范围。图像采集器的镜头指向与定日镜反射面同向(同时朝向太阳)，直接采集太阳图像，用于识别太阳像实际位置在图像采集阵列视场中的相对位置。
上述以图像采集阵列为光斑感应器的太阳像实际位置识别包括如下步骤：
(1)图像采集阵列采集太阳的图像；
(2)通过二值化方法获得ti时刻每台图像采集器中太阳像的区域；
(3)基于二值化图像中太阳像区域计算该时刻太阳像几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳像区域计算该时刻太阳像能量分布质心，则太阳像实际位置(几何中心或能量分布质心)的图像坐标表述为
本发明的有益效果：
(1)本发明是光路闭环控制系统，根据任意时刻太阳光斑或太阳像的实际位置与期望位置间的偏差对定日镜姿态进行动态修正，不需要定日镜运动模型，也不需要基于运动模型计算的运营表。
(2)本发明利用光路反射原理通过控制入射光指向或反射光指向实现定日镜的光路闭环控制，由于不依赖定日镜运动模型，所以不需要很长的调试时间校正定日镜的运动模型，定日镜安装完成后即可进行常规的集热发电工作，能够有效提高塔式太阳能光热发电站的开通效率。
(3)本发明能够实现定日镜的光路闭环控制，基于光斑感应器识别太阳光斑或太阳像的实际位置，再与期望位置计算中心位置偏差，以此为反馈实现定日镜姿态的动态修正，能够有效保证定日镜的集热发电效率。
(4)本发明不是基于定日镜运动模型计算运营表驱动定日镜转动，不需要较高的机械传动机构性能指标保证定日镜开环控制精度。由于能够根据太阳光斑实际位置或太阳像实际位置实时修正定日镜姿态，所以不需要对传动机构的重复性精度要求、转动一致性要求等性能指标提出较高要求，从而有效降低定日镜机械传动机构制造成本。
(5)本发明通过对定日镜实施光路闭环控制，能够修正由风振动、重力等导致的定日镜镜面变形，有效提高定日镜对环境的适应性。
附图说明
图1是本发明反射式定日镜光路闭环控制系统示意图；
图2是本发明直射式定日镜光路闭环控制系统示意图；
图3是太阳光斑或太阳像偏中心偏差示意图；
图4是本发明实施例定日镜转动方式一示意图；
图5是基于定日镜转动方式一的转动偏差数值分解示意图；
图6是本发明实施例定日镜转动方式二示意图；
图7是基于定日镜转动方式二的转动偏差数值分解示意图；
图8是基于图像采集阵列的反射式光斑感应器示意图；
图9是基于图像采集阵列的反射式光斑感应器太阳光斑实际位置示意图；
图10是基于光电传感器的反射式光斑感应器示意图；
图11是基于光电传感器和标准镜的反射式光斑感应器示意图；
图12是基于光电传感器的太阳光斑实际位置示意图；
图13是基于接收板的反射式光斑感应器示意图；
图14是基于接收板的太阳光斑实际位置示意图；
图15是基于图像采集阵列的直射式光斑感应器示意图；
图16是基于图像采集阵列的直射式光斑感应器太阳像实际位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图中：1-光斑感应器，2-定日镜转动控制器，3-计算单元计算单元，4-接收面，5-定日镜反射面，6-目标区域，7-实际反射光指向，8-期望反射光指向，9-实际入射光指向，10-期望入射光指向，11-图像采集器，12-光电传感器，13-光阑，14-标准平面反射镜，15-接收板，16-图像采集阵列。
本发明一种定日镜光路闭环控制系统包括：光斑感应器1、定日镜转动控制器2和计算单元计算单元3。光斑感应器1固定在定日镜反射面5上，随目标定日镜反射面5转动而同步转动。定日镜光路闭环控制系统按照光斑感应器1的工作方式不同分为反射式和直射式，反射式的原理是通过感知太阳光斑的实际位置得到目标定日镜该时刻的反射光指向信息，直射式的原理是通过感知太阳像的实际位置得到目标定日镜该时刻的入射光指向信息。计算单元计算单元3用于计算目标定日镜太阳光斑或太阳像的实际位置、计算目标定日镜太阳光斑或太阳像的期望位置、计算太阳光斑实际位置与期望位置的偏差或者计算太阳像实际位置与期望位置的偏差、将太阳光斑或者太阳像位置偏差转换成定日镜转动修正数值。定日镜转动控制器2固定在目标定日镜上，其功能是控制定日镜的转动。计算单元计算单元3与定日镜转动控制器2间通过有线或者无线的形式进行数据交换，定日镜转动控制器2与光斑感应器1间通过有线或者无线的形式进行数据交换。
实施例1
如图1所示，本发明一种反射式定日镜光路闭环控制系统，其中光斑感应器1的接收面4朝向目标定日镜反射面5反射面，用于接收经过定日镜反射面5反射的太阳光斑。太阳光经过反射后照射至目标区域6，其中一部分被光斑感应器1的接收面4接收形成太阳光斑，太阳光斑实际位置表征目标定日镜的实际反射光指向7。反射式光路闭环控制系统通过光斑感应器1感知目标定日镜的实际反射光指向7，根据其与期望反射光指向8的偏差，对定日镜姿态进行实时修正，实现定日镜的实时光路闭环控制。
实施例2
如图2所示，本发明一种直射式定日镜光路闭环控制系统，其中光斑感应器1的接收面4与目标定日镜反射面5反射面同向(同时朝向太阳)。太阳光的一部分被光斑感应器1的接收面4接收形成太阳像，其余的太阳光经过定日镜反射面5反射至目标区域6，太阳像实际位置表征目标定日镜的实际入射光指向9。直射式光路闭环控制系统通过光斑感应器1感知目标定日镜的实际入射光指向9，根据其与期望入射光指向10的偏差，对定日镜姿态进行实时修正，实现定日镜的实时光路闭环控制。
实施例3
本发明定日镜光路闭环控制系统的控制方法如下：
(1)如图3所示，ti时刻光斑感应器1采集太阳光斑或太阳像分布信息，并由计算单元3基于太阳光斑或太阳像分布信息计算太阳光斑或太阳像的实际位置[uti,vti]n，其中ti表示单个工作日内的第i个时间点，n表示定日镜编号，uti表示ti时刻太阳光斑或太阳像实际位置的u轴方向实际坐标，vti表示ti时刻太阳光斑或太阳像实际位置的v轴方向实际坐标；
(2)计算单元计算单元3计算ti时刻目标定日镜太阳光斑或太阳像的期望位置信息[Tuti,Tvti]，Tuti表示ti时刻太阳光斑或太阳像的u轴方向期望坐标，Tvti表示ti时刻太阳光斑或太阳像的v轴方向期望坐标；
(3)计算单元3计算目标定日镜的太阳光斑或太阳像位置偏差
[Δuti,Δvti]n＝[Tuti-uti,Tvti-vti]n，Δuti表示ti时刻太阳光斑或太阳像u轴方向期望坐标与实际坐标的相对偏差，Δvti表示ti时刻太阳光斑或太阳像v轴方向期望坐标与实际坐标的相对偏差；
(4)定日镜绕至少两个轴转动以实现将太阳光反射至目标区域6的功能，计算单元3依据定日镜的转动方式将ti时刻目标定日镜太阳光斑或太阳像位置偏差[Δuti,Δvti]n转换成定日镜的转动偏差数值。
如图4所示，本发明一种定日镜转动方式一，定日镜反射面5绕两根相互正交的转轴X轴、Y轴转动，其中Y轴位置保持不变，X轴随定日镜反射面5绕Y轴转动。如图5所示，转动偏差数值：
式中：u1/2表示接收面中心u轴方向坐标，v1/2表示接收面中心v轴方向坐标，d表示接收面至定日镜反射面5的距离，
如图6所示，本发明一种定日镜转动方式二，定日镜反射面5绕两根相互正交的转轴Y轴、Z轴转动，其中Z轴位置保持不变，Y轴随定日镜反射面5绕Z轴转。如图7所示，转动偏差数值：
式中：表示Z轴转角偏差。
(5)定日镜转动控制器2依据转动偏差数值实时修正ti时刻目标定日镜姿态，使得太阳光斑或太阳像的实际位置[uti,vti]n不断逼近或重合于期望位置[Tuti,Tvti]；
(6)在单个工作日内，重复步骤(1)-(5)，计算单元3以太阳光斑或太阳像的实际位置与期望位置偏差为反馈，持续地实时修正目标定日镜姿态，使得任意时刻太阳光斑或太阳像的实际位置在期望位置附近波动，实现定日镜光路闭环控制，保证定日镜的反射光能够正确地照射至目标区域6。
本发明定日镜闭环控制系统中计算单元计算单元3计算目标定日镜太阳光斑或太阳像期望位置的步骤如下：
(1)计算单元计算单元3根据ti时刻目标定日镜中心坐标
其中||表示取模运算，
(2)计算单元计算单元3计算ti时刻归一化太阳光入射矢量
(3)计算单元计算单元3计算该时刻定日镜反射面5归一化法线矢量：
式中：
(4)光斑感应器接收面4法线矢量与定日镜反射面5法线矢量间的夹角δ＝[δn δuδv]，式中δn表示绕定日镜反射面5法线矢量的偏差角，δu表示绕u轴的偏差角，δv表示绕v轴的偏差角；反射式定日镜闭环控制系统中δ取值范围为90°≤δ＜180°，直射式定日镜闭环控制系统中δ取值范围为0°≤δ＜90°；计算单元计算单元3基于光斑感应器1接收面4法线矢量与定日镜反射面5法线矢量间的夹角δ计算接收面4法线矢量：
式中：n表示定日镜编号，Rotu()表示绕u轴的旋转矩阵，Rotv()表示绕v轴的旋转矩阵，Rotn()表示定日镜反射面法线矢量绕的旋转矩阵，表示ti时刻光斑感应器接收面归一化法线矢量X轴方向分量，
(5)反射式定日镜闭环控制系统中，计算单元计算单元3根据ti时刻接收面4中心坐标和接收面4法线矢量建立接收面4的三维方程，再根据ti时刻太阳光反射矢量
其中分别表示ti时刻编号为n的定日镜接收面4中心坐标x轴、y轴和z轴方向数值；分别表示ti时刻编号为n的定日镜接收面4法线矢量x轴、y轴和z轴方向分量；
直射式定日镜闭环控制系统中，计算单元计算单元3根据ti时刻接收面4中心坐标和接收面4法线矢量建立接收面4的三维方程，再根据ti时刻太阳光入射矢量和定日镜中心坐标建立基于定日镜反射面5的三维直线方程组，求解入射光指向与接收面4的交点坐标其中k表示第K个交点，最后将交点坐标转换至接收面4坐标系获得太阳像的期望坐标[Tuti,Tvti]。
其中分别表示ti时刻编号为n的定日镜入射光指向与接收面4的交点坐标x轴、y轴和z轴方向数值。
实施例4
如图8所示，所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器1是由至少一台图像采集器11组成的图像采集阵列构成，图像采集器11由成像光路(透镜或小孔等)、光强衰减装置和图像传感器组成。太阳光经过定日镜反射面5反射面反射至图像采集阵列的像面，形成太阳光斑。图像采集器11的镜头朝向定日镜反射面5反射面，图像采集器11的数量依据定日镜反射面5的尺寸确定，使得图像采集阵列组成的视场能够覆盖定日镜反射面5区域。
以图像采集阵列为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)图像采集阵列采集定日镜反射面5的图像；
(2)如图9所示，通过二值化方法获得ti时刻每台图像采集器11中太阳光斑的区域范围；
(3)基于二值化图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)的图像坐标表述为其中m表示图像采集器编号，n表示定日镜编号，h表示ti时刻太阳光斑实际位置的u轴方向像素数，l表示ti时刻太阳光斑实际位置的v轴方向像素数。
实施例5
如图10所示，所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器1可以是由光电传感器12组成的阵列和光阑13构成。所述光电传感器12包括光敏电阻、光电二极管、光开关等基于光电效应的非成像用传感器。所述光电传感器12的接收面朝向定日镜反射面5反射面，所述光电传感器12的数量依据定日镜反射面5的反射范围确定，使得光电传感器阵列组成的接收面能够覆盖定日镜反射面5区域反射的太阳光斑。太阳光经过定日镜反射面5反射面反射至光电传感器阵列接收面，获得由太阳光斑产生的接收面电信号强度分布。所述光阑13用于限制照射至光斑感应器1的太阳光范围以便于形成太阳光斑。
实施例6
如图11所示，所述反射式光路闭环控制系统中光斑感应器1可以是由光电传感器12组成的阵列和标准平面反射镜14构成。所述光电传感器12包括光敏电阻、光电二极管、光开关等基于光电效应的非成像用传感器。所述标准平面反射镜14安装在目标定日镜上随定日镜反射面5转动而同步转动，所述标准平面反射镜14的尺寸由光电传感器12尺寸及光电传感器12间距确定，标准平面反射镜14反射面与定日镜反射面5反射面同向(同时朝向太阳)。所述光电传感器12的接收面朝向标准平面反射镜14的反射面，光电传感器12的数量依据标准平面反射镜14的反射范围确定，使得所述光电传感器阵列组成的接收面能够覆盖标准平面反射镜14反射的太阳光斑。太阳光经过标准平面反射镜14反射面反射至光电传感器阵列接收面，获得由太阳光斑产生的接收面电信号强度分布。
实施例5和6中以光电传感器阵列为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)光电传感器阵列获取接收面的电信号强度分布；
(2)如图12所示，根据电信号强度分布，基于预设阈值获得ti时刻太阳光斑在光电传感器阵列接收面上照射的光电传感器12范围，即被点亮的光电传感器12范围；
(3)基于被点亮的光电传感器12范围计算几何中心，或者基于被点亮的光电传感器12范围内电信号强度分布计算能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)坐标表述为[Outi,Ovti]n，其中n表示定日镜编号，Ou表示ti时刻太阳光斑实际位置的光电传感器阵列u轴方向数值，Ov表示ti时刻太阳光斑实际位置的光电传感器阵列v轴方向数值。
实施例7
如图13所示，反射式光路闭环控制系统中光斑感应器1可以是由接收板15、至少一台图像采集器组成的图像采集阵列16和标准平面反射镜14构成。接收板15的接收面为漫反射面，接收面朝向标准平面反射镜14反射面，用于接收经过标准平面反射镜14反射面反射的太阳光。接收板15的尺寸覆盖标准平面反射镜14的反射范围。标准平面反射镜14安装在目标定日镜上，随定日镜反射面5转动而同步转动。标准平面反射镜14的尺寸由图像采集阵列16分辨率确定，标准平面反射镜14反射面与定日镜反射面5反射面同向(同时朝向太阳)。图像采集阵列16中镜头朝向接收板15的接收面，图像采集器数量依据接收板15尺寸确定，用于识别太阳光斑在接收板15上的实际位置，使得图像采集阵列16组成的视场能够覆盖接收板15区域。
上述以接收板15、图像采集阵列16和标准平面反射镜14为光斑感应器的太阳光斑实际位置识别包括如下步骤：
(1)接收板15接收标准平面反射镜14反射面反射的太阳光斑；
(2)通过图像采集器阵列16采集接收板图像，通过二值化方法识别ti时刻太阳光斑区域；
(3)如图14所示，以接收板15中心为原点，基于二值化图像中的太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳光斑区域计算该时刻太阳光斑能量分布质心，则太阳光斑实际位置(几何中心或能量分布质心)在接收板15上的实际坐标[Byti,Bxti]n，其中By表示ti时刻太阳光斑实际位置的接收板u轴方向数值，Bx表示ti时刻太阳光斑实际位置的接收板v轴方向数值。
实施例8
如图15所示，直射式光路闭环控制系统中光斑感应器1是由至少一台图像采集器11组成的图像采集阵列构成。图像采集器11由成像光路(透镜或小孔等)、光强衰减装置和图像传感器组成。图像采集阵列组成的视场覆盖太阳相对目标定日镜的移动范围。图像采集器11的镜头指向与定日镜反射面5反射面同向(同时朝向太阳)，直接采集太阳图像，用于识别太阳像实际位置在图像采集阵列视场中的相对位置。
上述以图像采集阵列为光斑感应器1的太阳像实际位置识别包括如下步骤：
(1)图像采集阵列采集太阳的图像；
(2)如图16所示，通过二值化方法获得ti时刻每台图像采集器11中太阳像的区域；
(3)基于二值化图像中太阳像区域计算该时刻太阳像几何中心，或者基于灰度图像或彩色图像中太阳像区域计算该时刻太阳像能量分布质心，则太阳像实际位置(几何中心或能量分布质心)的图像坐标表述为
本发明针对塔式太阳能光热发电技术中定日镜控制精度要求高的特点，利用光路反射原理通过控制入射光指向或反射光指向实现定日镜姿态的实时控制，有效解决了开环控制方式中不能基于光路反馈实时修正定日镜姿态的问题，实现了一种高精度、高效率的、实时的定日镜光路闭环控制系统。
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