隨著全球能源需求日益增加，而地球的資源有限的情況下，尋求再生能源以及增加其效率就變成非常重要的議題。本論文為了要克服傳統風能發電的低落效率，提供不同的方法來改善現有的風力發電方式減少能源生產的成本。本研究是基於Miles L. Loyd所提出的風能發電風箏的構想，進行拓展以及控制器系統的細部設計，使用飛機掛載渦輪風扇，在更高密度風力資源的位置進行發電任務。本研究將會重新推導飛機的運動方程式、釐清模型定義、設計載具運行軌道、設計相對應的控制方法進行追蹤控制與分析載具在不同條件下的運作狀況，最終使得載具能夠在設計的軌道上進行任務。

To overcome the major difficulties posed by the traditional inefficient wind turbine generators. Base on Miles L. Loyd proposed a concept for an aerodynamically efficient kites, in order to make an application of nonlinear model execution on desire trajectory possible, a detail design of desire trajectory, a nonlinear model analysis, a detail design of Non-linear Model Predictive Controller system and Non-linear Model Predictive Controller system analysis are proposed.

目錄
目錄	I
圖目錄	IV
表目錄	VII
符號定義	VIII
第一章 序論	1
1.1研究動機與目的	1
1.2文獻回顧	2
1.3研究方法與系統架構設計	4
第二章 物理模型建立	6
2.1 初步模型分析	6
2.1.1一般飛行姿態	7
2.1.2側風飛行姿態	10
2.1.3阻力牽引飛行姿態	12
2.2 物理模型細部分析	16
2.2.1座標定義	16
2.2.2模型建立	17
2.3 初步模擬物理模型軌跡	22
2.4軌跡設計	25
2.5風模型建立	28
第三章  軌道預測控制	30
3.1 控制原理	30
3.1.1 RUNGE-KUTTA	32
3.1.2追趕法	33
3.1.3 挑選方法	35
3.2模擬與分析	40
3.2.1軌道傾角	41
3.2.2翼荷重	45
3.3風能發電量估算	49
第四章  結論	52
第五章  未來展望	53
參考文獻	55
附錄A 投稿論文	58


圖目錄
圖 1.1 高度與風速的關係	3
圖 2.2 系統架構設計	4
圖 2.1 不考慮重力的風箏受力及速度分析	6
圖 2.2 一般飛行姿態函數F	9
圖 2.3 側風飛行姿態受力及速度分析	10
圖 2.4 阻力牽引飛行姿態受力及速度分析	12
圖 2.5 綜合飛行姿態函數F的關係比較	15
圖 2.6 細部模型分析座標系定義	15
圖 2.7 模型受力分析	18
圖 2.9 初步模擬物理模型軌跡	24
圖 2.10 軌道設計規畫	24
圖 2.11 軌道設計模擬	27
圖 2.12 風速與高度的關係	28
圖 3.1 非線性模型預測控制流程圖	31
圖 3.2 RK-4流程圖	33
圖 3.3 SHOOTING METHOD	34
圖 3.4 巨觀的追趕法	34
圖 3.5 1-NORM與2-NORM比較圖	35
圖 3.6 滾轉角挑選原則	36
圖 3.7 無邊界挑選	37
圖 3.8 無邊界挑選軌跡	37
圖 3.9 固定式邊界挑選	38
圖 3.10 固定式邊界挑選軌跡	38
圖 3.11 浮動式邊界挑選	39
圖 3.12 浮動式邊界挑選軌跡	39
圖 3.13 軌道設計規畫	41
圖 3.14 分析軌道傾角對軌道之影響 – 1 (視角1)	42
圖 3.15 分析軌道傾角對軌道之影響 – 1 (視角2)	42
圖 3.16 分析軌道傾角對軌道之影響 – 2 (視角1)	43
圖 3.17 分析軌道傾角對軌道之影響 – 2 (視角2)	43
圖 3.18 分析軌道傾角對軌道之影響 – 3 (視角1)	44
圖 3.19 分析軌道傾角對軌道之影響 – 3 (視角2)	44
圖 3.20 分析翼荷重對軌道之影響( MASS/A = 6.87 KG/M^2 )	46
圖 3.21 分析翼荷重對軌道之影響( MASS/A = 5.12 KG/M^2 )	46
圖 3.22 分析翼荷重對軌道之影響( MASS/A = 4.04 KG/M^2 )	47
圖 3.23 分析翼荷重對軌道之影響( MASS/A = 2.50 KG/M^2 )	47
圖 3.24 依照表 3.3的系統參數設定之飛行路徑	51
圖 3.25 依照表 3.3的系統參數設定之飛行滾轉角控制	51
圖 5.1 MATLABR 迴圈與向量化的運算效率	54

 
表目錄
符號定義	XIII
表 2.1 參數假定	23
表 2.2 軌道參數設定	27
表 2.3 不同地形的粗糙程度估算表	29
表 3.1 軌道傾角變因之載具模型參數(軌道傾角)	41
表 3.2 軌道傾角變因之載具模型參數(翼荷重)	45
表 3.3 載具模型參數	50

參考文獻
[1]	Miles L. Loyd., “Crosswind kite power”. Journal of Energy 4(3), 106–111, 1980.

[2]	S. Gros, M. Zanon, and M. Diehl. “Control of Airborne Wind Energy Systems Based on Nonlinear Model Predictive Control & Moving Horizon Estimation”. European Control Conference, Zurich, Switzerland, 2013.

[3]	A. Ilzhofer, B. Houska, M. Diehl. “Nonlinear MPC of kites under varying wind conditions for a new class of large scale wind power generators”. Int. J. Robust Nonlinear Control 2006; 00:1-9.

[4]	Manwell, J. F., McGowan, J. G. and Rogers, A. L. “Wind Energy Explained: Theory, Design and Application”, Second Edition. 
Chichester : John Wiley & Sons, Ltd, UK, 2009.

[5]	Vaughn Nelson, “Wind energy : renewable energy and the environment”, Boca Raton : CRC Press, c2009.

[6]	John D. Sorensen and J. N. Sorensen, “Wind energy systems : optimising design and construction for safe and reliable operation”, Cambridge : Woodhead Publishing, c2011. 

[7]	Donald T. Greenwood. “Principles of dynamics”, Second Edition. London : Prentice-Hall International, 1988.

[8]	Steven C. Chapra and Raymond P. Canale, “Numerical Methods for Engineers”, 5th Edition. McGraw-Hill Education, 2008

[9]	L. Fagiano and M. Milanese. “Airborne Wind Energy: an overview”. American Control Conference, Canada, 2012.

[10]	K. Geebelen, H. Ahmad, M. Vukov, S. Gros, J. Swevers and M. Diehl. “An experimental test set-up for launch/recovery of an Airborne Wind Energy (AWE) system”. American Control Conference, Canada, 2012.

[11]	Mario Zanon, Sebastien Gros, Joel Andersson, and Moritz Diehl. “Airborne Wind Energy Based on Dual Airfoils”. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013.

[12]	Boris Houska and Moritz Diehl. “Optimal Control for Power Generating Kites”. Proc. 9th European Control Conference, pages 3560-3567, Los, Greece, 2007.

[13]	S.Gros, M. Zanon, and M. Diehl. “A Relaxation Strategy for the Optimization of Airborne Wind Energy System”. In Proceedings of the European Control Conference, Zurich, Switzerland, 2013

[14]	M. Diehl. “Real-Time Optimization for Large Scale Nonlinear Processes”. PhD thesis, University at Heidelberg, 2001.

[15]	B. Houska and M. Diehl. “Optimal control of towing kites”. In
Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision and Control,
pages 2693–2697, San Diego, USA, 2006.

[16]	S. Gros and M. Diehl. “NMPC based on Huber Penalty Functions to Handle Large Deviations of Quadrature States”. In Proceedings of the 2013 American Control Conference, Washinton DC, USA, 2013.
 
[17]	S. Gros, R. Quirynen and M. Diehl. “Aircraft Control based on Fast Non-linear MPC & Multiple-shooting”. In Proceedings of the 51nd IEEE Conference on Decision and Control, Maui, Hawai, USA, 2012.

[18]	S. Gros, M. Zanon, M. Vukov, and M. Diehl. “Nonlinear MPC and MHE for Mechanical Multi-Body Systems with Application to Fast Tethered Airplanes”. In Proceedings of the 4th IFAC Nonlinear Model Predictive Control Conference, Noordwijkerhout, The Netherlands, 2012.

[19]	S. Gros, M. Zanon, and M. Diehl. “Orbit Control for a Power Generating Airfoil Based on Nonlinear MPC”. In Proceedings of the 2012 American Control Conference, Montreal, Canada, 2012.

[20]	M. Diehl. “Airborne Wind Energy, Airborne Wind Energy: Basic Concepts and Physical Foundations”. Springer, 2013.

[21]	M. Zanon, S. Gros and M. Diehl. “Airborne Wind Energy, Model Predictive Control of Rigid-Airfoil Airborne Wind Energy Systems”. Springer, 2013.

[22]	G. Horn, S. Gros and M. Diehl. “Airborne Wind Energy, Numerical Trajectory Optimization for Airborne Wind Energy Systems Described by High Fidelity Aircraft Models”. Springer, 2013.