基于Matlab/Simulink的航天器PID控制器参数优化与仿真

本篇文章主要探讨了PD控制器参数设计在航天器姿态控制系统中的应用，特别是针对一类带动量轮机构的航天器。作者利用Matlab/Simulink软件搭建了一个航天器姿态动力学与控制的仿真框架，这种框架具有良好的可重用性和继承性，使得系统设计更加高效。 在航天器的动力学模型中，作者假设飞轮角动量为H，控制力矩通过公式（6）与飞轮角速度和角动量相联系。为了实现航天器的姿态稳定控制，采用PID控制理论，设计了PD控制器，其结构在公式（7）中给出，不考虑姿态三通道间的耦合。航天器的惯性参数和飞轮角动量的初始条件也被明确给出。 问题配置部分详细描述了航天器的具体参数，如惯性矩阵和飞轮初始角动量值，以及目标是在90秒内将姿态误差控制在极小范围（约0.1 rad）内。同时，航天器受到扰动力矩的影响，该扰动力矩具有不确定性，估计值为1.0 mN·s。 文章的核心部分着重于系统实现，通过Simulink的典型模块构建了包括PD控制器和力矩计算在内的控制模型，同时借助Matlab的非线性控制设计模块进行控制器参数的优化。该模块允许用户设置系统约束条件，比如期望的姿态误差范围，以及考虑到系统参数不确定性的边界值。通过双击非线性控制设计模块，用户可以调整参数以达到最优控制效果。 最后，研究结果显示，基于Matlab/Simulink的仿真框架有效地支持了航天器姿态动力学的模拟和PD控制器参数的优化设计。关键词包括Matlab/Simulink、航天器姿态控制、非线性控制设计模块、仿真以及PD控制器参数优化。这项工作不仅提供了实际操作的方法，也展示了如何通过数值模拟和优化技术提升航天器的姿态控制性能。