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研究生:郭繼隆
研究生(外文):Chi-Lung Kuo
論文名稱:內模式及部份內模式控制法之比較及在自航器應用
論文名稱(外文):Comparisons of Internal Model Control and Partial Internal Model Control-Based Ship Steering Autopilot Design
指導教授:曾慶耀曾慶耀引用關係
指導教授(外文):C.Y.Tzeng
學位類別:碩士
校院名稱:國立海洋大學
系所名稱:導航與通訊系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:121
中文關鍵詞:內模式控制部份內模式控制改良式部份內模式控制不穩定的船舶自航器
外文關鍵詞:Internal Model ControlPartial Internal Model ControlModified Partial Internal Model ControlUnstable ShipAutopilot
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摘要
本文針對不穩定船舶,航向控制自航器的設計方法進行探討,其中自航器的設計方式將採用內模式控制(Internal Model Control, IMC)之不穩定系統控制器設計,與依據部份內模式控制(Partial Internal Model Control, PIMC) 之不穩定系統控制器之基本設計架構改良而成之改良式部份內模式控制(Modified Partial Internal Model Control, MPIMC)之不穩定系統控制器設計兩種方法,來比較其控制性能與效果。一般而言,典型並聯式內模式控制方法是一種有效的控制架構。但對於一個不穩定的船舶受控系統,並不能直接使用,必須經過較為複雜的設計程序方可。而改良式部份內模式控制方法,可立即應用於不穩定的船舶受控系統,且設計方法簡單明瞭。其主要設計概念乃將受控體分解成穩定與不穩定之部份,而僅將穩定部份視為受控體模式,再利用控制器將不穩定之部份予以穩定化。綜觀之,MPIMC設計法所得之控制器階數較IMC設計法控制器階數為低,經由電腦數值模擬驗證二者均能成功的追蹤所輸入的航向參考訊號,達成令人滿意的效果。
ABSTRACT
Applications of the Internal Model Control (IMC) and Modified Partial Internal Model Control (MPIMC) methods to the design of ship steering autopilot are examined in this work. The standard IMC approach provides useful insights into the controller design; however, it requires modifications when applied to unstable plants. The MPIMC method provides a unified approach that achieves a low-order controller, as compared with the standard IMC approach. Specifically, in the MPIMC, the plant is decomposed into a stable part and an unstable part, and the stable part is taken as the internal model while the unstable part is stabilized by the controller. Numerical simulations indicate that both methods achieve satisfactory heading angle tracking performance.
目錄
頁次
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 內容架構 2
第二章 船舶操縱運動數學模式 4
2.1 船舶操縱運動方程式 4
2.2 Nomoto船舶線性平擺方程式 6
2.3 Norrbin船舶非線性平擺方程式 7
2.4 舵角飽和與舵機速率限制 8
2.5環境干擾之數學模式 10
第三章 內模式控制方法 12
3.1 內模式控制(IMC)架構 12
3.2內模式控制方法之內部穩定性分析 13
3.3內模式控制之不穩定系統控制器設計程序 15
3.4 內模式控制之不穩定系統控制器設計與其四個靈敏度
函數分析實例 17
3.4.1內模式控制之四個靈敏度函數分析 18
3.5 雙自由度設計(Two Degree-of-Freedom Design) 19
第四章 部份內模式與改良式部份內模式控制方法 21
4.1 部份內模式控制(PIMC)架構 21
4.2部份內模式與改良式部份內模式控制方法之內部穩定
性分析 22
4.3 部份內模式控制之不穩定系統控制器設計程序 22
4.4 部份內模式控制之不穩定系統控制器設計與其四個
靈敏度函數分析實例 24
4.4.1部份內模式控制之四個靈敏度函數分析 25
4.5 改良式部份內模式控制之不穩定系統控制器設計程序 27
4.6 改良式部份內模式控制之不穩定系統控制器設計與其
四個靈敏度函數分析實例 28
4.6.1改良式部份內模式控制之四個靈敏度函數分析 30
4.7部份內模式與改良式部份內模式控制方法之強健穩定
性分析 31
4.8部份內模式與改良式部份內模式控制方法之差異與比較 34
第五章 波浪雜訊濾波器之設計與比較 35
5.1 加入波浪干擾與波浪雜訊濾波器之船舶自航器架構 35
5.2 低通濾波器與凹型濾波器之設計方法 36
第六章 電腦數值模擬結果與討論 37
6.1 船舶資料 37
6.2 船舶控制系統之內部穩定性分析 37
6.3 程式模擬與分析 39
6.3.1內模式控制方法設計航向自航器(含前置濾波器) 40
6.3.2內模式控制方法設計航向自航器(不含前置濾波器) 44
6.3.3改良式部份內模式控制方法設計航向自航器(不含前置
濾波器) 48
6.3.4改良式部份內模式控制方法之前置濾波器的性能測試 52
(A)(不含前置濾波器) 52
(B)(含前置濾波器) 52
6.3.5部份內模式控制方法之前置濾波器的性能測試 53
(A)(不含前置濾波器) 53
(B-1)(含前置濾波器(A)) 53
(B-2)(含前置濾波器(B)) 54
6.3.6內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受控系統中
加入 ),(含前置濾波器) 55
6.3.7改良式部份內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受
控系統中加入 ),(不含前置濾波器) 60
6.3.8內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受控系統中
加入 ),(含前置濾波器、低通濾波器) 65
6.3.9改良式部份內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受
控系統中加入 ),(不含前置濾波器、含低通濾波器) 70
6.3.10內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受控系統中加
入 ),(含前置濾波器、凹型濾波器) 75
6.3.11改良式部份內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受
控系統中加入 ),(不含前置濾波器、含凹型濾波器) 80
6.3.12結果分析與討論 85
第七章、結論與建議 89
7.1 結論 89
7.2 建議 90
參考文獻 92
符號說明 94
附錄
(A) IMC設計法之程式計算誤差說明 96
(B) IMC及MPIMC之參數化控制器型態說明 97
(C) 於船舶受控系統中加入 (低頻的漂移力干擾)說明 98
C-1.內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受控系統中加
入 ),(含前置濾波器) 98
C-2.改良式部份內模式控制方法設計航向自航器(於船舶受
控系統中加入 ),(不含前置濾波器) 99
(D) 改良式部份內模式控制方法應用於兩個完全在右 101
半平面之極點的不穩定系統概述
(E) MPIMC與PIMC之強健穩定性驗證(初步) 102
(F) 程式碼範例說明 104
F-1.內模式控制(IMC)方法之程式碼 104
F-2.改良式部份內模式控制(MPIMC)方法之程式碼 106
參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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