基于PID控制的嫦娥三號快速調(diào)整階段設(shè)計與控制

摘 要：嫦娥三號的成功軟著陸對探月發(fā)展至關(guān)重要。本文以動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，建立自適應(yīng)PID控制模型，研究其快速調(diào)整階段的軌道設(shè)計和控制策略。MATLAB仿真結(jié)果顯示，嫦娥三號在10s內(nèi)可達到5%的角度誤差允許范圍，在15s內(nèi)可順利調(diào)整54.62度，故可以滿足快而準(zhǔn)的調(diào)整要求。

關(guān)鍵詞：PID自適應(yīng)控制；嫦娥三號；快速調(diào)整；Matlab

嫦娥三號的成功軟著陸對探月發(fā)展至關(guān)重要，為保證嫦娥三號抵達較為平坦的月球表面，關(guān)鍵問題在于著陸軌道與控制策略的優(yōu)化設(shè)計。軟著陸過程共分為6個階段，快速調(diào)整階段則是實現(xiàn)整個軟著陸過程的重要轉(zhuǎn)折點。針對航天器這樣一個大角度姿態(tài)機動，可以設(shè)計一個計算量小、魯棒性好且能適應(yīng)航天器不確定性模型的控制系統(tǒng)，故本文建立關(guān)于角度、力矩的自適應(yīng)PID控制模型，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不斷修正，以快速跟蹤變化[1-4]。

1 PID自適應(yīng)控制原理

PID控制器是由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。根據(jù)給定的目標(biāo)，PID控制器由誤差進行的反饋控制，最終輸出控制結(jié)果。

輸入：控制偏差 輸出：

其中，Kc—比例系數(shù)，T1—積分時間常數(shù)，TD—微分時間常數(shù)。

2 PID控制的角度、力矩調(diào)整設(shè)計模型及仿真

實驗環(huán)境為CPU：i5-3210m 2.5GHz，內(nèi)存：4GB，操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 7，開發(fā)環(huán)境：MatlabR2012a。

建立坐標(biāo)系OXYZ，以月球中心為原點O，XY平面在月球赤道平面內(nèi)，X軸指向月球的半長軸，Z軸指向月球北極，由右手定則確定Y軸，構(gòu)成直角坐標(biāo)系。設(shè)計一個控制器，使其姿態(tài)由初始位置連續(xù)轉(zhuǎn)動至期望位置，并穩(wěn)定在給定的平衡點附近，神經(jīng)元的自適應(yīng)特性能處理各種不同性質(zhì)的擾動和嫦娥三號參數(shù)模型的變化。

根據(jù)飛行要求，機動的終止四元數(shù) 通過調(diào)整可得初始四元數(shù) ，此時仿真用PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)在傳統(tǒng)PID控制器中分別為1.4、0.0004、6，在單神經(jīng)元控制器中的權(quán)初值分別1.1，0.0004，8，學(xué)習(xí)速率分別為0.15，0.6×10-5，5。在MATLAB 的Simulink中進行仿真，結(jié)果如下圖所示：

由上述兩幅圖可知，自適應(yīng)控制并未因權(quán)值的訓(xùn)練而過多地延長過渡過程。由圖1可以看出，嫦娥三號在10s內(nèi)達到5%的角度誤差允許范圍，在15s內(nèi)可以完全達到轉(zhuǎn)換54.62度的要求，此過程十分短暫，僅數(shù)十秒，故可以滿足快而準(zhǔn)地調(diào)整的要求。

3 結(jié)語

通過本文仿真結(jié)果可看出，PID控制器簡單易懂，能很好的運用于航天器模型不確定性的控制系統(tǒng)，且使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，求解誤差較小，易于實現(xiàn)，便于推廣，具有實際意義。

[參考文獻]

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