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系統識別號 U0002-1706201411103100
中文論文名稱 定翼機風能發電的姿態控制
英文論文名稱 Aircraft Attitude Control in Crosswind Power
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 蕭連豐
研究生英文姓名 Lien-Fong Hsiao
學號 601430019
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-03
論文頁數 67頁
口試委員 指導教授-馬德明
委員-蕭照焜
委員-何翊
中文關鍵字 風力發電  風能系統  風箏發電 
英文關鍵字 Crosswind Power  Wind Power  Wind Energy Systems 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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 參考文獻
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[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.
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