本論文探討由本實驗室所製作之無人飛行載具『鷫鸘』的航電系統中以多單晶片為基礎之網路控制系統，其通訊會因為各感測元件取樣頻率不同或是感測器的訊號等待控制器運算的時間太長而造成時間延遲，一旦有時間延遲的產生可能會造成系統趨向不穩定或使其控制較不易。在解決時間延遲的問題時，本篇論文設計時間延遲補償系統模擬出延遲區間的狀態，而時間補償系統中我們分別以狀態迴授和觀測器為基礎來進行運算，除此之外，我們也探討了以此方法之下其系統的穩定性。而最後則是將兩種延遲補償系統分別代入具時間延遲下的高度保持控制系統當中進行數值的模擬以及分析。

This paper investigates the development of a distributed multi-microcontroller flight control system for an in-house designed UAV. The flight control computer and other avionic systems and instruments are connected over an I2C (inter-integrated circuit) data bus with the flight control computer as the master micro-controller. The system forms a networked control system. Time delay problem is inevitable when information is transmitted between the micro-controllers. A model-based state feedback flight control system with time delay is presented in the paper. The plant model is used to simulate the plant behavior during the periods when sensor data are not available. When the controller receives the sensor data that were transmitted by the sensor a period of time ago, a propagation unit is employed in the control system to propagate the sensor signals instantaneously to the present time. The estimate is then used to update the model that in turn will generate the control signal for the plant. Computer simulation confirms the success of the model-based design for the distributed multi-chips flight control system.

目錄
目錄	i
圖目錄	iii
表目錄	viii
第一章	緒論	1
1.1	研究背景與目的	1
1.2	文獻回顧	4
1.3	研究方法	5
第二章	系統架構與延遲分析	6
2.1	系統架構	6
2.2	延遲分析	16
第三章	補償器設計與穩定性分析	23
3.1	基於全階狀態迴授的時間延遲補償控制	23
3.2	基於觀測器的時間延遲補償控制	27
延遲補償系統之穩定性分析	31
第四章	模擬與分析	37
4.1	飛機縱向運動方程式	37
4.2	極點配置	43
4.3	基於全階狀態迴授的時間延遲補償控制模擬	46
4.4	基於觀測器的時間延遲補償控制模擬	53
4.5	高度保持經時間延遲補償控制模擬	60
第五章	結論	75
參考文獻	77
附錄一	79

 
圖目錄
圖1.1-1 網路控制系統	2
圖2.1-1 航電系統架構圖	7
圖2.1-2 飛行電腦	8
圖2.1-3 IMU	8
圖2.1-4 航電系統	8
圖2.1-5 MR-406A GPS Receiver	10
圖2.1-6 TCM 2.6	10
圖2.1-7 ADXRS150 Rate Gyro	11
圖2.1-8 I2C串接方式	13
圖2.1-9 I2C資料傳送寫入格式	13
圖2.1-10 I2C匯流排的開始與中止訊號	14
圖2.1-11 I2C匯流排的確認訊號	15
圖2.1-12 I2C匯流排資料型態傳換	15
圖2.2-1 時間驅動模式	17
圖2.2-2 事件驅動模式	17
圖2.2-3 時間-事件驅動模式	17
圖2.2-4 感測器到控制器工作時序	18
圖2.2-5 航電系統延遲分析圖	19
圖2.2-6 時間延遲與取樣時間的關係	20
圖3.1-1 基於狀態迴授的時間延遲補償系統	24
圖3.1-2 基於狀態迴授的時間延遲補償時序關係	24
圖3.1-3 基於狀態迴授的時間延遲補償更新律	25
圖3.2-1 基於觀測器的時間延遲補償控制系統	27
圖3.2-2 基於觀測器時間延遲補償的時序關係	28
圖3.2-3 基於觀測器的時間延遲補償更新率	29
圖4.1-1 飛機六個運動自由度	38
圖4.2-1 系統步階響應	43
圖4.2-2 經狀態迴授的步階響應	45
圖4.3-2 以全階狀態迴授為基礎之時間補償系統方塊圖	46
圖4.3-3 狀態迴授為基礎的時間補償之程式流程圖	47
圖4.3-4 基於全階狀態迴授的補償控制	48
圖4.3-5 含時間延遲的迴授控制	48
圖4.3-6 基於全階狀態迴授的時間補償控制(放大)	49
圖4.3-7 含時間延遲補償的迴授控制(放大)	49
圖4.3-8 基於全階狀態迴授的時間補償控制(輸入)	50
圖4.3-9 含時間延遲補償的迴授控制(輸入)	50
圖4.3-10 系統與系統模型之誤差(含時間延遲補償)	51
圖4.3-11 系統與系統模型之誤差	51
圖4.4-1 以觀測器為基礎之時間延遲補償控制方塊圖	53
圖4.4-2 觀測器為基礎的時間補償之程式流程圖	54
圖4.4-3 基於觀測器的時間補償控制	55
圖4.4-4 含時間延遲的輸出迴授	55
圖4.4-5 基於觀測器的時間補償控制(放大)	56
圖4.4-6 含時間延遲的輸出迴授(放大)	56
圖4.4-7 基於觀測器的時間補償控制(輸入)	57
圖4.4-8 含時間延遲的輸出迴授(輸入)	57
圖4.4-9 系統與系統模型誤差(時間延遲補償)	58
圖4.4-10 系統與系統模型誤差	58
圖4.5-1 高度保持系統工作方塊圖	60
圖4.5-2 攻角與俯仰角關係圖	60
圖4.5-3 系統合併	62
圖4.5-4 改善前的高度步階響應	63
圖4.5-5 改善後的高度步階響應	64
圖4.5-6 含時間延遲的高度保持控制	65
圖4.5-7 經時間補償後的高度保持控制	65
圖4.5-8 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度)	66
圖4.5-9 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(指令)	66
圖4.5-10 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態誤差)	66
圖4.5-11 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度狀態誤差)	67
圖4.5-12 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態)	67
圖4.5-13 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度)	68
圖4.5-14 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(指令)	68
圖4.5-15 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態誤差)	68
圖4.5-16 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度狀態誤差)	69
圖4.5-17 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態)	70
圖4.5-18 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的的高度保持控制(高度)	70
圖4.5-19 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(指令)	71
圖4.5-20 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態誤差)	71
圖4.5-21 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度狀態誤差)	71
圖4.5-22 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態)	72
圖4.5-23 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度)	72
圖4.5-24 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(指令)	72
圖4.5-25 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(狀態誤差)	73
圖4.5-26 未含延遲補償(左);含延遲補償(右)的高度保持控制(高度狀態誤差)	73

 
表目錄
表2.1-1	電子裝置與相對的飛行資訊	9
表4.1-1	運動變數區分	38
表4.1-2	各偏導數的意義	40
表4.1-3	縱向氣動力特性無因次偏導係數	41
表4.1-4	背景參數條件	41
表4.1-5	縱向有因次偏導數	41
表4.1-6	計算求得有因次導數	42

[1]	Raji R.S., “Smart networks for control.” IEEE on Spectrum,
1994,3l(6):49—55
[2]	A. Ray and Y. “Halevi Integrated Communication and Control Systems: Part I Analysis”, ASME Journal of Dynamic Systems，Measurement and Control, Vol. 110, No. 4 1988, pp. 367- 373. 
[3]	Hespanha Joao P, Naghshtabrizi Payam, Xu Yonggang. “A survey of recent results in networked control systems.” Proceedings of the IEEE, 2007,95(1):138-172 
[4]	T. C. Yang, “Networked control system: a brief survey,” Control
Theory and Applications, vol. 153, pp. 403–412, July 2006.
[5]	J. P. Richard, “Time-delay systems: An overview of some recent advances and open problems.” Automatica, vol. 39, no. 10, pp. 1667–1694, Oct. 2003.
[6]	J. Nilsson, Real-Time Control systems with delays. Doctoral 　　thesis,Lund Institute of Technology, Lund Sweden 1998.
[7]	Zhang W, MS Branicky, SM Phillips. “Stability of networked control systems.” IEEE Control Systems Magazine, 2001, 21:84–99. 
[8]	K. J. A strom, C. C. Hang and B. C. Lim, “A new Smith predictor for controlling a process with an integrator and long deadtime,” IEEE Trans. Automat. Contr., Vol. 39, pp. 343–345, (1994)
[9]	Sipahi, Rifat; Niculescu, Silviu-Iulian; Abdallah, Chaouki T.; Michiels, Wim; Gu, Keqin. “Stability and stabilization of systems with time delay. Limitations and opportunities.”, IEEE Control Systems Magazine, issue accepted, 2010 (Accepted)
[10]	L. A. Montestruque and P. Antsaklis, “Stability of model-based networked control systems with time-varying transmission times,”Automatic Control, IEEE Transactions on, vol. 49, pp. 1562-1572, 2004.
[11]	Peng C, Tian YC, Tade MO. “State feedback controller design of networked control systems with interval time-varying delay and nonlinearity.” International Journal of Robust and Nonlinear Control, 2008, 18(12):1285—1301.
[12]	林源鍾,無尾翼無人飛行載具之設計與實現,淡江大學航空太空工程學系碩士論文, 中華民國九十六年。
[13]	陳沛仲,手擲無人飛行載具之研究、設計與實現, 淡江大學航空 太空工程學系碩士論文, 中華民國九十八年。
[14]	廖淑華,多單晶片飛行電腦的無人飛行載具, 淡江大學航空 太空工程學系碩士論文, 中華民國九十九年。
[15]	Robert C. Nelson, Flight stability and automatic control 2nd edition, Mc Graw Hill, 1998
[16]	楊憲東, 自動飛行控制原理與實務, 全華科技圖書, 2000
[17]	K. Astrom, J., Wittenmark, B., Computer controlled systems, Theory and Design, 3rd edition. NJ: Prentice Hall, 1997