自主空中加油受油机精确控制与仿真

发布时间：2020-02-03 05:38

【摘要】：现代军事活动中,由于飞机携带燃油量的限制,严重制约了其航行距离、起飞重量以及战略部署。空中加油技术具有增大飞机航程和有效载荷,延长续航时间的作用,能够很好的解决上述问题。本文针对自主空中加油对接过程中受油机的精确控制问题展开了深入的研究。首先,建立了受油机六自由度动力学模型、加油锥套运动模型以及大气紊流模型。根据空中加油对接段的特点,将对接过程分为三个阶段进行,并给出受油机各阶段跟踪指令以及判断受油机与加油锥套对接成功与否的指标要求。其次,设计了基于LQR最优控制的受油机对接跟踪控制系统。为使受油机能够稳定跟踪加油锥套并实现与加油锥套的平滑对接,根据由相对导航系统测量得到的受油机与加油锥套的相对位置关系,利用LQR最优控制方法设计了对接跟踪控制系统的制导律和控制律,实现了受油机与加油锥套的精确对接。再次,设计了基于动态逆和鲁棒动态逆控制的受油机对接跟踪控制系统。利用动态逆控制方法设计了对接跟踪控制系统的制导律和控制律,实现受油机与加油锥套的精确对接。并且考虑当外部环境出现干扰时内回路动态逆控制器计算产生的逆误差,通过H?回路成形控制方法在线补偿提高控制器的鲁棒性,从而抑制外部环境带来的扰动,保证受油机与加油锥套的精确对接。最后,在MATLAB数字仿真环境中建立了自主空中加油对接段受油机控制仿真结构,在无大气紊流干扰和有大气紊流干扰两种不同情形下,对设计的控制器进行验证,分析系统的精确性、稳定性及鲁棒性,判断受油机与加油锥套的对接是否成功。仿真结果表明,设计的控制器能够在大气紊流干扰的环境下实现受油机与加油锥套的精确跟踪和对接。
【图文】：

空中加油,硬式

空中加油方式分两种：“插头-锥套”式（也称软管式）和“伸缩套管”式（也称硬管式），如图 1.1 所示。软管式加油方法可进行多机同时加油，加油速度相对较慢，每分钟在 1500 磅到 2000 磅之间。硬管式加油方法由加油机上的油管操作员操纵油管方向，将油管准确的对向受油口，加油速度快，可以达到每分钟 6000 磅[6]。空中加油的实现是一个复杂的过程，一般将其分为 4 个阶段：会合阶段、跟踪对接阶段、加油保持阶段以及脱离阶段。其中，对接段在整个过程中属于关键环节，是整个加油过程能否顺利进行的前提，也是空中加油技术研究的难点问题。随着空中加油技术的不断完善以及加油设备的不断更新，人们逐渐把目光转向研究通过自动驾驶的方式来完成空中加油任务。美国空军实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)在这方面的研究走在了世界的前列，采用GPS与光电技术相结合成功实现了无人机自主空中加油技术(Autonomous Aerial Refueling, AAR)的可行性验证。2006年8月，美国波音公司完成了AAR项目的试飞，成功验证了两架自主飞行的飞机在空中保持稳定相对位置的技术。未来空中加油技术的发展方向是通过不断更新和完善飞控技术，，设计出符合要求的自动驾驶仪，使飞机自主操纵完成加油任务。因此，展开针对AAR关键技术的研究显得非常有意义。

流程图,锥套,插头,试飞验证

驾驶员操作完成加油试飞验证。②驾驶员操作加油机最终实现无人机之间的加油试飞验证。目前，国外很如，2005~2007 年间，美国国家航空航天局(National SA)进行的“插头-锥套”式无人机空中加油试飞，成功性[8]，整个流程如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249

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