臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
船舶於波浪運動為一高階非線性運動行為，而大多數之自航控制器設計時所使用之模式，皆是取非線性船舶動態予以線性化。此經由降階所得之近似模式，雖易於設計控制器，但對非線性行為常有失真之現象。回饋線性化(feedback linearization)可直接針對非線性模式，經由狀態回饋以消除非線性項，而成線性化模式，其主要概念在於控制律中加入一非線性項，以消除原模式之非線性特性。本文中將結合回饋線性化、內模式控制（internal model control，IMC）架構及參數估測方法，以進行自航器之設計。由於內模式控制法的特色是反應出控制器之本質即為系統動態之逆運算。因此若能將受控體之特徵，藉由數學模式之描述引入控制器之設計，將能較有效控制受控體。文中將討論回饋線性化於非線性船舶控制上之運用，並在適應控制及內模式控制等理論之不同組合下，探討其與直接基於線性船舶模式，所設計出控制器彼此之差異。吾人並提出一基於Lyapunov函數之定理，證明在IMC唯一設計參數 >0之條件下，將可確保系統之穩定性。模擬結果顯示，經由一般線性化過程所獲得之控制器，若應用於非線性船舶動態時，將會存在方向角誤差量。而利用本文所提出之回饋線性化消除原模式之非線性特性，將具有較佳之船舶航向追蹤能力。

ABSTRACT
For convenience and due to well-developed tools in linear control theory, most ship steering autopilot designs are based on linearized yaw dynamic models. This, however may limit their applicability. Since linearized models are only approximation to the nonlinear ship dynamic behaviors. In this work, feedback linearization technique is employed to transfer the nonlinear model into a linear one and the controller gain coefficients are determined using the linear model-based internal model control (IMC) method. A Lyapunov function-based theorem is given to ensure convergence of the proposed method. The method proposed in this paper directly made use of the Norrbin’s nonlinear yaw dynamic model in the design of the autopilot. Numerical simulations indicate the proposed nonlinear model-based design method outperforms the conventional linear model-based design method.

摘 要 I
ABSTRACT II
目 錄 III
圖目錄 V
第一章 、緒論 6
1.1、文獻回顧 6
1.2、研究動機 7
1.3、內容架構 9
第二章 、船舶動態模式 10
2.1、Nomoto船舶線性模式 10
2.2、非線性船舶模式: 12
第三章 、參考模式適應控制 14
3.1、參考模式適應控制架構 14
3.2、參考模式適應控制設計程序 14
3.3、參考模式適應控制設計範例 16
第四章 、內模式控制方法 20
4.1、內模式控制（Internal Model Control，IMC）架構 20
4.2、內模式控制設計程序 21
4.3、不穩定系統之內模式控制設計程序 22
第五章 、回饋線性化 25
5.1、回饋線性化概念 25
5.2、回饋線性化理論背景 25
5.3、回饋線性化應用 30
第六章 、自航器之設計 32
6.1、無因次化 32
6.2、回饋線性化-參考模式適應性法-內模式自航器設計 32
6.3、回饋線性化-參考模式適應性法自航器設計 37
6.4、參考模式適應性法-內模式控制法自航器設計 40
6.5、參考模式適應性法自航器設計 41
6.6、系統模擬及控制架構 42
第七章 、模擬結果與討論 43
7.1、船舶資料 43
7.2、正弦波航向追蹤模擬 44
7.3、不規則航向追蹤模擬 50
第八章 、結論與建議 54
8.1、結論 54
8.2、建議 55
符 號 說 明 56
參 考 文 獻 59
附錄[A]、船舶動態模式簡化 63
附錄[B]、波浪對船舶之影響 68
附錄[C]、回饋線性化適應性內模式控制自航器模擬程式 71
1. 正弦波航向追蹤測試 71
2. 不規則航向追蹤測試 77
附錄[D]、參數變動之探討 83
1. 參數變動 83
2. 參數變動 84

參 考 文 獻
[1] 蔡福安，船艦之航向操控-適應控制法，國立成功大學造船工程研究所碩士論文，1991。
[2] 賴朝琴，船舶航向保持之自調2-D控制器設計，國立海洋大學航運技術研究所碩士論文，1994。
[3]Källström, C. G., K. J. Åström and N.E. Thorell, Adaptive Autopilots for Tankers, Automatica, Vol.15, pp.241-254, 1979.
[4]Tiano, A., E. Volta and A.W. Brink, Comparison of Various Adaptive Techniques Applied to Autopilot Design, Proceedings, 6th Ship Control System Symposium, Ottawa, Canada, Vol.4, pp.Q2.1-Q2.34, 1981.
[5]Mort, N. and Linkens, D. A., A Self-tuning Controllers Steering Automatic Control, Proceedings, Symposium on Ship Steering Automatic Control, Genova, Italy, 1980.
[6] Lim, C. C. and Forsythe, W., Autopilot for Ship Control, Pt.1: theoretical Design, IEE Proceedings, Vol.130, Pt.D, No.6, pp.281-287, 1983.
[7]陳政明，以參數化虛迴路解合法作航向保持之控制，國立海洋大學航運技術研究所碩士論文，1993。
[8]Zuidweg J. K., Optimal and Sub-optimal Feedback in Automatic Track-Keeping Systems, Proceedings, 6th Ship Control Systems, Ottawa, Canada, pp.G1.1.1-G1.1.18,1981.
[9]張仕東，線性時變系統 控制器之設計及船舶上之應用，國立成功大學造船工程研究所碩士論文，1993。
[10]Grimble, M.J., Y. Zhang. and M.R.Katebi, “ Based Ship Autopilot Design,” Proceedings,10th Symposium on Ship Control Systems, Ottawa, Canada, pp.2.51-2.66, 1993。
[11]廖方裕，模糊控制應用於船舶之航向控制，國立台灣大學造船及海洋工程研究所碩士論文，1994。
[12]林義隆，模糊理論於船舶運動控制之應用，國立中山大學電機工程研究所碩士論文，1998。
[13]張旭男，模糊- 強健控制器於船舶之航向控制之研究，國立成功大學造船工程研究所碩士論文，1997。
[14]Nomoto, K., K. Taugchi, K. Honda, and S.Hirano, ‘On the Steering Quality of Ships,’ International Shipbuilding Progress, Vol.4, pp.354-370, 1957。
[15] Astrom, K. J., and B. Wittenmark, Adaptive Control, 2nd ed., Addison Wesley, New York, 1995。
[16] Landau, Y. D.﹐Adaptive Control﹕ The Model Reference Approach﹐ Marcel Dekker Inc.﹐New York, 1979.
[17] Datta, A. and Ochoa, J., ”Adaptive Internal Model Control: Design and Stability Analysis,” Automatica, Vol.32, No.2, pp.261-266, 1996.
[18] A. Isidori, Nonlinear Control Systems, 2nd ed., Springer-Verlag, 1989.
[19] Baumann, W. and Rugh, W. J., “Feedback Control of Nonlinear System by Extended Linearization,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. AC-31,pp.40-46,1986.
[20] Wang, J. and Rugh, W. J., “Feedback Linearization Families for Nonlinear Systems,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. AC-32, pp.935-940, 1987.
[21] Reboulet, C. and Champetier, C.,”A New Method for Linearizing Nonlinear System: the Pseudolinearization,” Int. J. Control, Vol.41, pp.631-638,1984.
[22] Bech, M.I. and Wagner, S. L., “Analogue Simulation of Ship Manoeuvres”. Technical Report Hy-14, Hydro- and Aerodynamics Laboratory, Lyngby, Denmark, 1969。
[23]陳如芬，”舶模式複雜度對自航器控制性能之影響”，國立海洋大學航運技術研究所碩士論文，2000。
[24]Norrbin, N.H., “On the Design and Analyses of the Zig-Zag Test on Base of Quasi Linear Frequency Response”, Technical Report B 104-3. The Swedish State Shipbuilding Exerimental Tank(SSPA), Gothenburg, Sweden, 1962。
[25]Lewis, E. V., Editor, “Principles of Naval Architecture”, Vol.Ⅲ Motion in Waves and Controllability, Society of Naval Architects and Marine Engineers, New Jersey, 1989。
[26]曾慶耀、林港富，”船舶操縱非線性動態分析”，中國造船暨輪機工程學刊第十九卷，第一期，pp.47-59，2000。
[27]Ioannou, P. A. and Sun, J., “Robust Adaptive Control”, pp.327-330, Prentice-Hall, INC. New Jersey,1996。
[28]林港富，”內模式適應性船舶自航器之設計”，國立海洋大學航運技術研究所碩士論文，1998。
[29]Slotine, J.-J.E and Li, W., “Applied Nonlinear Control”, Prentice-Hall, INC. New Jersey, 1991。
[30]Fossen, T. I., “Guidance and Control of Ocean Vehicles”, John Wiley and Sons, NY, 1994。
[31]Fossen, T.I. and Paulsen, M.J., “Adaptive Feedback Linearization Applied to Steering of Ships”, Proceedings IEEE 1st Control Application Conference, pp. 1088-1099, Dayton, Ohio, 1992。
[32]曾慶耀、王俊懿，”回饋線性化內模式控制適應性自航器設計”，中國造船暨輪機工程學刊，第二十卷，第四期，pp.1-12，2001。
[33]Van Amerongen, J. “Adaptive Steering of Ships- A Model Reference Approach to Improved Maneoeuvring and Economical Course Keeping”, Ph.D. thesis, Delft University of Technology, the Netherlands, 1982。