刘志杰等：空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 155· 起加油机意外的运动.实际上，加油机重心和姿态 流等的影响发生无规律振动而引起过早损坏，影 的轻微改变会引起锥套相当大的位置改变.为了 响软管使用寿命，严重的甚至会破坏系统的稳定 使锥套的位置变化尽可能小，对加油机控制器的 性，造成严重的空中灾难.因此，对软管的振动抑 研究是非常有必要的 制十分必要，它直接关系着空中加油系统的稳定 通过LQR,一种加油机轨迹跟踪控制装置首 性和安全性.软管振动抑制一直是一个被广泛关 先被设计出4).与受油机的控制问题类似，线性化 注的课题，根据研究方法的不同可以分成两个主 的LQR控制器鲁棒性相对较弱.与基于LQR的方 要阵营：一是将软管近似成LPS,二是将软管视为 法相反，文献[44考虑到不受控的外部扰动，结合 DPS 线性扩张观测器(Linear extended state observer,. 3.2.1基于LPS的振动抑制 LESO)、自抗扰控制(Active disturbance rejection 基于LPS的振动抑制研究聚焦在加油机和受 control,.ADRC)和障碍李雅普诺夫函数(Barrier 油机的耦合过程.在耦合过程中，受油探头会以高 Lyapunov,BL)法，提出了一种新型的基于命令限 于加油机的闭合速度连接锥套，当探头推动锥套 制微分器(Command limiting tracking differentiator, 前进时，必然会导致软管过度松弛，软管内部张力 CLTD)的跟踪控制器，使加油机在扰动下具有良 将迅速下降，软管在不可预知的气动力作用下会 好的鲁棒性和严格的姿态约束，能够维持定直平 产生剧烈的振动.最后，软管和探头上的巨大高负 飞，如图6所示.此外，为了方便加油机转弯操纵 载扭矩上升会导致设备损坏 的测试，德国航天中心(DLR)设计了一种特殊的 为解决耦合过程引起的软管过度振动，传统 自驾驶模式，使加油机能动态地对外部扰动作出 加油吊舱配备了张紧器)，当探头推动锥套前进 反应，进行平滑的转弯. 时，可以张紧软管中的任何松弛部分，从而达到抑 综上可以看出，加油机的控制较受油机相对 制软管振动的目的.但在连接过程中一旦张紧器 简单，因为受油机的任务是追踪，而加油机的任务 发生故障或受到过大的闭合速度，软管就会保持 是保持定直平飞，即受油机的控制轨迹是未知的 松弛，波音公司通过数值模拟证实了这种控制方 依据锥套状态的曲线，加油机的控制轨迹是直线. 式存在明显的滞后性]Alden和Vennerol461发明 值得注意的一点是，对二者的控制并不是分离的， 了一种新型的加油吊舱，吊舱由永磁同步电机 而是相辅相成的，所用到的最本质的方法大同小 Permanent magnet synchronous motor,PMSM) 异，例如LQ、自抗扰控制等，一方的控制方法革 的卷轴驱动，通过整合PMSM和高精度位置传感 新势必会推动另一方的控制发展 器，为高性能的振动抑制方法提供了另一种选择 3.2软管系统振动抑制 王海涛等4)针对PMSM设计了一种基于反步法的 柔性输油软管从被加油吊舱释放的那一刻 主动积分滑模控制策略，根据加油机与受油机之 起，便暴露在复杂的空中环境中，随着加油机一起 间的相对位置，抑制软管的振动.考虑到空中复杂 前进，由于自身的柔性特质，软管极易受到大气湍 的工作环境，文献[1]提出的基于自适应扩展状 LESO Ground velocity (ADRC) Atteude angles Fiww angles limits (ADRC) Multiple unown 6-0 ngular rate loo coctroller (BL (BL) (ADRC& integral action） (ADRC) LESO Cons re cont山o LESO 图6加油机控制框图 Fig.6 Control diagram of the tanker起加油机意外的运动. 实际上，加油机重心和姿态 的轻微改变会引起锥套相当大的位置改变. 为了 使锥套的位置变化尽可能小，对加油机控制器的 研究是非常有必要的. 通过 LQR，一种加油机轨迹跟踪控制装置首 先被设计出[43] . 与受油机的控制问题类似，线性化 的 LQR 控制器鲁棒性相对较弱. 与基于 LQR 的方 法相反，文献 [44] 考虑到不受控的外部扰动，结合 线 性 扩 张 观 测 器 （ Linear  extended  state  observer， LESO） 、自抗扰控制 （ Active  disturbance  rejection control， ADRC）和障碍李雅普诺夫函数 （ Barrier Lyapunov，BL）法，提出了一种新型的基于命令限 制微分器（Command limiting tracking differentiator， CLTD）的跟踪控制器，使加油机在扰动下具有良 好的鲁棒性和严格的姿态约束，能够维持定直平 飞，如图 6 所示. 此外，为了方便加油机转弯操纵 的测试，德国航天中心（DLR） [6] 设计了一种特殊的 自驾驶模式，使加油机能动态地对外部扰动作出 反应，进行平滑的转弯. 综上可以看出，加油机的控制较受油机相对 简单，因为受油机的任务是追踪，而加油机的任务 是保持定直平飞，即受油机的控制轨迹是未知的 依据锥套状态的曲线，加油机的控制轨迹是直线. 值得注意的一点是，对二者的控制并不是分离的， 而是相辅相成的，所用到的最本质的方法大同小 异，例如 LQR、自抗扰控制等，一方的控制方法革 新势必会推动另一方的控制发展. 3.2    软管系统振动抑制 柔性输油软管从被加油吊舱释放的那一刻 起，便暴露在复杂的空中环境中，随着加油机一起 前进，由于自身的柔性特质，软管极易受到大气湍 流等的影响发生无规律振动而引起过早损坏，影 响软管使用寿命，严重的甚至会破坏系统的稳定 性，造成严重的空中灾难. 因此，对软管的振动抑 制十分必要，它直接关系着空中加油系统的稳定 性和安全性. 软管振动抑制一直是一个被广泛关 注的课题，根据研究方法的不同可以分成两个主 要阵营：一是将软管近似成 LPS，二是将软管视为 DPS. 3.2.1    基于 LPS 的振动抑制 基于 LPS 的振动抑制研究聚焦在加油机和受 油机的耦合过程. 在耦合过程中，受油探头会以高 于加油机的闭合速度连接锥套，当探头推动锥套 前进时，必然会导致软管过度松弛，软管内部张力 将迅速下降，软管在不可预知的气动力作用下会 产生剧烈的振动. 最后，软管和探头上的巨大高负 载扭矩上升会导致设备损坏. 为解决耦合过程引起的软管过度振动，传统 加油吊舱配备了张紧器[45] ，当探头推动锥套前进 时，可以张紧软管中的任何松弛部分，从而达到抑 制软管振动的目的. 但在连接过程中一旦张紧器 发生故障或受到过大的闭合速度，软管就会保持 松弛，波音公司通过数值模拟证实了这种控制方 式存在明显的滞后性[12] . Alden 和 Vennero[46] 发明 了一种新型的加油吊舱，吊舱由永磁同步电机 （Permanent magnet synchronous motor, PMSM）驱动 的卷轴驱动，通过整合 PMSM 和高精度位置传感 器，为高性能的振动抑制方法提供了另一种选择. 王海涛等[47] 针对 PMSM 设计了一种基于反步法的 主动积分滑模控制策略，根据加油机与受油机之 间的相对位置，抑制软管的振动. 考虑到空中复杂 的工作环境，文献 [11] 提出的基于自适应扩展状 Desired flight condition Position loop controller (ADRC & integral action) Flight path loop controller (ADRC) Ground velocity controller (ADRC) Command limiting TD (CLTD) Attitude loop (Flow angles) controller (BL) Flow angles limits Attitude angles controller (ADRC) Command limiting TD(CLTD) Euler angles limits Angle rates limits Angular rate loop controller (BL) Multiple unknown flow perturbations LESO 6-DOF translational and ratational dynamic for Tanker Constrained posture controller LESO LESO LESO LESO 图 6    加油机控制框图[44] Fig.6    Control diagram of the tanker[44] 刘志杰等： 空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 · 155 ·