臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出結合模糊理論（Fuzzy Theory）和基因演算法（Genetic Algorithms）應用於比例積分微分控制器(PID Controller)以建立低軌衛星（Low Earth Orbit Satellite）追蹤系統模型。低軌衛星追蹤系統是以人機介面控制俯仰軸（Elevation）、旋轉軸（Azimuth）與傾斜軸（Tilt）三軸建立的追蹤機構，透過解角器來量測天線實際指向座標。
衛星追蹤主要仰賴SGP4（Simplified General Perturbations 4）軌道預測模型所產生的天線指向資料庫，依循指向座標來命令各軸的轉動，齒輪轉動時產生間隙影響到天線接收訊號的強度。因此本文提出了「基因PID控制器」與「模糊控制器」等兩個控制步驟。首先由基因演算法來搜尋PID控制器的k_p、k_i與k_d較佳參數，然後透過PID控制方法調整，並加入模糊控制器微調機構所造成的誤差量。
本文所提出的模糊基因比例積分微分控制器（Fuzzy-GA-PID Controller）具有系統性能由適應函數設計(Fitness Function)而得、不需複雜的專業知識、系統自動搜尋最佳解之三個優點。經由實驗結果證明，與未加演算法之位置控制及速度控制模式比較，本論文所提出的Fuzzy-GA-PID控制，在俯仰軸與旋轉軸的誤差各減少36%及54%，大幅改善追蹤的精確度。

This thesis combines fuzzy theory with genetic algorithm with PID controller to set up a low-orbit satellites (LEO) tracking model. The LEO tracking system is controlled by an user interface, the mechanism including elevation axis, azimuth axis, tilt axis and resolvers antenna actual pointing coordinates.
The proposed satellite tracking method is based on SGP4 orbit forecasting model generated by the antenna pointing database and follows the point coordinates to command the rotation of the axes. Gears rotation gap will affect the strength of the received signal. The genetic algorithm is used to optimize PID controller parameters, k_p、k_i and k_d, then the reduction of gears rotation gap errors is completed by the Fuzzy controller.
The proposed Fuzzy-Genetic-PID controller has three advantages, the system performance is obtained from design of the fitness function; less complex expertise and the best solution is searched automatically. The experimental results illustrate that the errors reduction in elevation axis and azimuth axis are 36% and 54% with position control mode and speed control mode respectively, and this show our proposed Fuzzy-GA-PID controller is better than position control mode and speed control mode.

中文摘要
英文摘要
致 謝
目 錄
圖 目 錄
表 目 錄
符號說明
一、緒論
1.1 前言
1.2 研究動機
1.3 文獻回顧
1.4 論文架構
二、低軌衛星追蹤系統架構
2.1 衛星簡介
2.1.1 福衛2號
2.1.2 福衛3號
2.2 座標系統與軌道計算
2.2.1 座標定義
2.2.2 軌道計算
2.2.3 指向座標角度轉換
2.3 追蹤系統設計
2.3.1 嵌入式系統
2.3.2 交流伺服馬達
2.3.3 解角器
2.3.4 不斷電系統
三、模糊基因PID控制
3.1 模糊理論
3.1.1 模糊化
3.1.2 模糊規則庫
3.1.3 模糊推論引擎
3.1.4 解模糊化
3.2 基因演算法
3.2.1 基因編碼
3.2.2 適應函數
3.2.3 挑選機制
3.2.4 交配機制
3.2.5 突變機制
3.3 PID控制器
3.3.1 比例控制
3.3.2 積分控制
3.3.3 微分控制
四、研究方法與理論
4.1 結合模糊基因PID控制
4.1.1 基因演算法搜尋PID參數
4.1.2 模糊控制器
4.2 研究設備介紹
4.2.1 伺服馬達控制
4.2.2 解角器訊號處理
4.2.3 控制系統軟體設計
五、研究結果與分析
5.1 研究結果
5.2 研究分析
六、結論與未來展望
6.1 結論
6.2 後續建議與發展
七、參考文獻
發表論文
自述

[1] 林光輝，《直接廣播衛星的原理與接收裝置》，全華科技圖書公司，1989。
[2] 福衛2號空拍圖，http://www.nspo.narl.org.tw/2011/tw/F2_image/property.html，索取於2014/5/3。
[3] 福衛三號環繞地球星系圖，http://web.chjhs.tp.edu.tw/~j-bio/ch/f3.htmhttp://www.nspo.narl.org.tw/2011/tw/F2_image/property.html，索取於2014/5/3。
[4] 林俊呈，《衛星姿態控制》，國立交通大學碩士論文，2000。
[5] 陳明豐，《低軌道衛星姿態估測演算法》，國立台灣大學碩士論文，2002。
[6] 沈元祥，《非線性狀態回授衛星姿態控制》，國立成功大學碩士論文，2001。
[7] Chieh, C. S., Bo, C., Kun, C. L., Hui, P. H., Yuan, W. K., and Yen, T. L., “Applying International Standard for Near-Real Time Satellite scheduling Management–A Case Study of FORMOSAT-2”, 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會, pp. 1-14, 2012.
[8] Vallado, A. D., and Crawford, P., “SGP4 Orbit Determination”, Proceedings of AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit, 2008.
[9] 楊士徹，《應用卡爾曼濾波理論於系統之估算與控制》，逢甲大學碩士論文，2006。
[10] 張榕瑭，《重力梯度衛星姿態控制器之設計與模擬》，國立成功大學碩士論文，2009。
[11] 張倬嘉，《微衛星太空級GPS接收器酬載之製作與測試》，國立成功大學碩士論文，2010。
[12] Hoots, F. R., and Roehrich, R. L. “Models for propagation of NORAD element sets”, Project Spacecraft Report No. 3, Aerospace Defense Command, United States Air Force, 1980.
[13] Montenbruck, O., and Gill, E., “Real-Time Estimation Of SGP4 Orbital Elements From GPS Navigation Data”, 15th International Symposium on Space Flight Dynamics, 2000.
[14] 蘇德仁，謝中豪，任才俊，羅建方，詹勳賢，陳嘉文，楊儒木，楊善國，蕭文宗，“三軸結構之衛星天線控制器設計”，中華民國航太學會學術研討會(AASRC Conference)，2012。
[15] 陳志銘，《粒子群最佳化演算法應用於衛星追蹤系統》，國立高雄應用科技大學碩士論文，2010。
[16] Figueiredo, J., “Resolver Models for Manufacturing”, Industrial Electronics, Vol. 58, pp. 3693-3700, 2011.
[17] Hanselman, D., “Signal processing techniques for improved resolver-to-digital conversion accuracy”, 16th Annual Conference of Industrial Electronics Society, Vol. 1, pp. 6-10, 1990.
[18] Hanselman, D. C., Thibodeau, R. E. and Smith, D. J., “Variable-reluctance resolver design guidelines”, 15th Annual Conference of Industrial Electronics Society, Vol. 1, pp. 203-208, 1989.
[19] 何岳勳，《粒子群最佳化之模糊控制器應用於衛星追蹤系統》，國立高雄應用科技大學碩士論文，2009。
[20] Jia Xie., Shengdun Zhao., Zhenghui Sha. and Jintao Liang., “Position Servo Control of the Slider in Double Toggle Mechanical Press Using Bezier Curve Model and Fuzzy Control”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering ,Vol. 1, pp. 773-778, 2011.
[21] 杜祥駒，《模糊PID控制器之設計與穩定度分析》，國立高雄應用科技大學碩士論文，2006。
[22] Holland, J., “Adaption in Natural and Artificial System”, University of Michigan Press, 1975.
[23] Krihling, R. A. and Rey, J. P., “Design of Optimal Disturbance Rejection PID Controller Using Genetic Algorithm”, IEEE Trans. on Evolutionary Computation, Vol. 5, pp. 78-82, 2001.
[24] Kwok, D. P. and Sheng, F., “Genetic Algorithm and Simulated Annealing for Optimal Robot Arm PID Control”, The IEEE Conference on Evolutionary Computation, pp. 707-713, 1994.
[25] Ota, T. and Omatu, S., “Tuning of the PID Control Gains by GA”, The IEEE Conference on Evolutionary Computation, pp. 272-274, 1996.
[26] Zhang. X. M., and Long. S. Y., “Simulation Study on Fuzzy PID Controller for DC Motor Based on DSP”, Industrial Control and Electronics Engineering(ICICEE), pp. 1628-1631, 2012.
[27] Rubaai, A., Sitiriche, M. J., and Ofoli, A., “DSP-Based Implementation of Fuzzy-PID Controller Using Genetic Optimization for High Performance Motor Drives”, Industry Applications Conference, pp. 1649-1656, 2007.
[28] Arulmozhiyal, R. and Kandiban, R., “Design of Fuzzy PID controller for Brushless DC motor”, Computer Communication and Informatics (ICCCI), pp. 1-7, 2012.
[29] Mitsukura, Y., Yamamoto, T. and Kaneda, M., “A Design of Self-Tuning PID Controller Using a Genetic Algorithm”, Proc. of the American Control Conference, Vol. 2, pp. 1361-1365. 1999.
[30] Haizhao L., Zhaowei S. and Xiande W., “Attitude Fuzzy Logic Controller Design of A Staring-imaging Satellite in LEO”, International Conference on Mechatronics and Automation, Vol. 1, pp. 762-766, 2009.
[31] AU6802N1 Users Manual使用手冊，http://www.tamagawa-seiki.com/pdf/download/AU6802N1_E_Manual_DRAFT20110708.pdf，檢索於2013/4/13。