刘志杰等：空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 157 结果.可控锥套的稳定需要实现恒定的阻力来保 (1)如何针对复杂的空中加油软管系统的全 持高度，这将导致一个繁琐的交叉控制系统.直到 加油过程进行精确建模.加油机产生的涡流、大 近些年，可控偏转器的设计才得到了一定发展.Ro 气紊流、阵风和头波效应等扰动虽然已被广泛研 等59进行了十字形翼型的风洞试验，襟翼连接到 究，但难以建立精确的模型，影响着对软管系统的 偏转器，通过手动调节PID控制器进行加速反馈 建模和控制器设计工作.进一步考虑空中加油全 控制，如图7(b)所示.模拟结果显示，锥套的偏转 过程的情况，对接前的加油机释放软管系统、加油 运动明显减少，在风洞实验中，偏转现象也有好转， 过程中的加油机软管和受油机系统，以及加油完 成功让锥套实现了更加稳定的运动.Ro与Basaran0 成后的软管回收系统，建立加油软管系统的切换 在研究时将风洞数据用于分析几何构型对阻力的 模型也十分重要 影响，并研究了几种经典模型的分析和应用 (2)多约束条件下空中加油软管系统的控制 不同于控制面法，Michael用三角形结构的 设计.空中加油软管系统在加油的全过程中存在 扰流片来控制锥套运动.该装置包括软管接头、 着复杂的约束条件，如可控锥套的控制输入信号 控制单元和扰流片.配置扰流装置的锥套比安装 幅值有限、输油软管的振动变形限制在一定范围 控制面的锥套更容易过载，因为易损的襟翼会直 内实现对接等约束情况.针对存在实时大气环 接冲向锥套.Williamson等62-6以改变空气动力 境、传感器和操纵面响应以及其他各种约束的情 的方式控制锥套的运动，如图7(d)所示.在实验 况，设计有效的控制策略实现加油机和受油机的 中，他们改变了前缘支板臂和后缘支板臂之间的 对接成功仍然是一个巨大的挑战 角度，使支板的局部压力得到改变，锥套的飞行速 (3)空中加油具有环境上的特殊性，虽然目前 度达到130ms,产生了约300N的力.他们通过 针对加油机软管系统的扰动模型已经有所研究， 风洞实验建立了一个气动模型，执行器呈十字形 但对于对接这种高难度的任务，不确定性是对接 结构.结果显示，低带宽执行器产生了近似线性的 阶段的最大难题.如何描述加油全过程的不确定 垂直力和侧向力，给了锥套较大的力.之后他们将 性并进行建模和控制，提高对接成功的概率依然 空气动力模型更改为软管-锥套模型，从而评估锥 是一个重要的研究课题 套相对稳态位置产生的横向和纵向偏移.他们还 5结束语 通过LQR设计了一种反馈控制算法，利用锥套的 位置和加速度进行测量.在风的作用下，接收器前 空中加油的发展历史已有近百年，各项研究 体效应和干扰被控制在很小的范围 工作均已取得相当程度的进展.软管式空中加油 自稳定锥套是辅助对接的设备，其基本形式是 的研究较硬管式更为成熟，对软管的建模和控制 在软管和锥套的连接处加装舵面，使锥套具有一 的研究也具有一定普适性.本文主要对空中加油 定改变自身的位置的能力，可以减小锥套运动的 软管系统的建模和控制研究做了简要综述.在建 不确定性.自稳定锥套的成功研制能使锥套主动 模方面，基于PDE的建模较ODE模型有一定的优 接收受油机的位置信息，进而对不确定性进行估 越性，更能反应软管系统的真实状态，是建立柔性 计，从而提供更稳定的对接位置6刷其他的方法还 软管动力学模型的重要研究方向.虽然作者在基 有推力矢量技术6s-6的和回转仪调节控制法67等. 于PDE的建模方面有了一定的研究工作，但是基 4未来建模和控制发展趋势 于全模型的PDE建模还有待研究.在控制方面， 对接控制、软管的振动抑制和可控锥套方面的研 硬管式加油输油速度快，软管式加油自主化 究也日趋完善，针对多种约束0和智能振动控制 程度高，二者各有长处.由于软管式空中加油更适 方法四需要进一步研究.无人机的发展促使空中 合无人机的空中加油，国内在软管式加油方面的 加油愈发智能化，空中加油也进一步提高了无人 研究较硬管式成熟许多.美国陆军61的一项研究 机的远程航行能力.在未来，AAR与无人机的发 指出，能同时控制多个锥套进行加油作业的加油 展将保持相互促进，AAR也注定为航天领域智能 机最适合未来的无人机操作.空中加油整体向着 化贡献更多力量 智能化方向发展，对软管系统的建模和控制工 作的目的就是使空中加油工作更加自动化、智能 参考文献 化，这份工作虽然已较成熟，但尚存在以下问题： [1]Maiersperger W.General design aspects of flight refueling eron结果. 可控锥套的稳定需要实现恒定的阻力来保 持高度，这将导致一个繁琐的交叉控制系统. 直到 近些年，可控偏转器的设计才得到了一定发展. Ro 等[59] 进行了十字形翼型的风洞试验，襟翼连接到 偏转器，通过手动调节 PID 控制器进行加速反馈 控制，如图 7（b）所示. 模拟结果显示，锥套的偏转 运动明显减少，在风洞实验中，偏转现象也有好转， 成功让锥套实现了更加稳定的运动. Ro 与 Basaran[60] 在研究时将风洞数据用于分析几何构型对阻力的 影响，并研究了几种经典模型的分析和应用. 不同于控制面法，Michael[61] 用三角形结构的 扰流片来控制锥套运动. 该装置包括软管接头、 控制单元和扰流片. 配置扰流装置的锥套比安装 控制面的锥套更容易过载，因为易损的襟翼会直 接冲向锥套. Williamson 等[62−63] 以改变空气动力 的方式控制锥套的运动，如图 7（d）所示. 在实验 中，他们改变了前缘支板臂和后缘支板臂之间的 角度，使支板的局部压力得到改变，锥套的飞行速 度达到 130 m·s−1，产生了约 300 N 的力. 他们通过 风洞实验建立了一个气动模型，执行器呈十字形 结构. 结果显示，低带宽执行器产生了近似线性的 垂直力和侧向力，给了锥套较大的力. 之后他们将 空气动力模型更改为软管–锥套模型，从而评估锥 套相对稳态位置产生的横向和纵向偏移. 他们还 通过 LQR 设计了一种反馈控制算法，利用锥套的 位置和加速度进行测量. 在风的作用下，接收器前 体效应和干扰被控制在很小的范围. 自稳定锥套是辅助对接的设备，其基本形式是 在软管和锥套的连接处加装舵面，使锥套具有一 定改变自身的位置的能力，可以减小锥套运动的 不确定性. 自稳定锥套的成功研制能使锥套主动 接收受油机的位置信息，进而对不确定性进行估 计，从而提供更稳定的对接位置[64] . 其他的方法还 有推力矢量技术[65−66] 和回转仪调节控制法[67] 等. 4    未来建模和控制发展趋势 硬管式加油输油速度快，软管式加油自主化 程度高，二者各有长处. 由于软管式空中加油更适 合无人机的空中加油，国内在软管式加油方面的 研究较硬管式成熟许多. 美国陆军[68] 的一项研究 指出，能同时控制多个锥套进行加油作业的加油 机最适合未来的无人机操作. 空中加油整体向着 智能化方向发展[69] ，对软管系统的建模和控制工 作的目的就是使空中加油工作更加自动化、智能 化，这份工作虽然已较成熟，但尚存在以下问题： （1）如何针对复杂的空中加油软管系统的全 加油过程进行精确建模. 加油机产生的涡流、大 气紊流、阵风和头波效应等扰动虽然已被广泛研 究，但难以建立精确的模型，影响着对软管系统的 建模和控制器设计工作. 进一步考虑空中加油全 过程的情况，对接前的加油机释放软管系统、加油 过程中的加油机软管和受油机系统，以及加油完 成后的软管回收系统，建立加油软管系统的切换 模型也十分重要. （2）多约束条件下空中加油软管系统的控制 设计. 空中加油软管系统在加油的全过程中存在 着复杂的约束条件，如可控锥套的控制输入信号 幅值有限、输油软管的振动变形限制在一定范围 内实现对接等约束情况. 针对存在实时大气环 境、传感器和操纵面响应以及其他各种约束的情 况，设计有效的控制策略实现加油机和受油机的 对接成功仍然是一个巨大的挑战. （3）空中加油具有环境上的特殊性，虽然目前 针对加油机软管系统的扰动模型已经有所研究， 但对于对接这种高难度的任务，不确定性是对接 阶段的最大难题. 如何描述加油全过程的不确定 性并进行建模和控制，提高对接成功的概率依然 是一个重要的研究课题. 5    结束语 空中加油的发展历史已有近百年，各项研究 工作均已取得相当程度的进展. 软管式空中加油 的研究较硬管式更为成熟，对软管的建模和控制 的研究也具有一定普适性. 本文主要对空中加油 软管系统的建模和控制研究做了简要综述. 在建 模方面，基于 PDE 的建模较 ODE 模型有一定的优 越性，更能反应软管系统的真实状态，是建立柔性 软管动力学模型的重要研究方向. 虽然作者在基 于 PDE 的建模方面有了一定的研究工作，但是基 于全模型的 PDE 建模还有待研究. 在控制方面， 对接控制、软管的振动抑制和可控锥套方面的研 究也日趋完善，针对多种约束[70] 和智能振动控制 方法[71] 需要进一步研究. 无人机的发展促使空中 加油愈发智能化，空中加油也进一步提高了无人 机的远程航行能力. 在未来，AAR 与无人机的发 展将保持相互促进，AAR 也注定为航天领域智能 化贡献更多力量. 参    考    文    献 [1] Maiersperger W. General design aspects of flight refueling. Aeron 刘志杰等： 空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 · 157 ·