硬式加油伸缩杆非线性解耦控制仿真研究

多输入/输出、耦合、非线性硬式空中加油伸缩杆解耦控制是加油控制系统设计的关键。当系统满足一定条件时,采用逆系统方法将原系统等效为线性系统,并在此基础上对解耦系统进行PI控制,以实现满意的控制效果。通过MATLAB/SIMULINK建立了伸缩杆模型并设计了解耦控制器,仿真结果表明该解耦方法很好地消除了系统间的耦合作用,能够满足工程设计的需要。

变质量分布硬式加油管建模与反演自适应控制

硬式加油技术适合给大型飞机加油,能与软式加油形成功能互补。研制硬式加油技术,需要解决伸缩管动力学建模与控制问题。在加油机定直平飞的前提下,建立了考虑伸缩管质量分布变化与气动参数不确定性的动力学模型。将不确定性视为复合扰动,采用反馈线性化实现标称系统的解耦,并分别为俯仰与滚转子系统设计了非线性干扰观测器与反演自适应控制器。仿真结果表明,复合控制器在多种不确定性条件下能达到一致的控制效果,控制性能优于常规增稳控制系统。

输入-输出非线性反馈线性化方法在硬式空中加油控制系统设计中的应用

通过对硬式空中加油技术的研究,建立了硬式加油伸缩杆数学模型,结果表明该伸缩杆系统为一个多输入-多输出(MIMO)、耦合、非线性系统。这样解耦控制就成为系统设计的关键。当系统满足可解耦条件时,采用一种基于输入-输出(I/O)非线性反馈线性化的微分几何方法,输出与等效新输入之间呈现线性微分方程关系,选择合适的反馈形式可使伸缩杆的姿态控制解耦。解耦后,伸缩杆就可分解为俯仰和滚转方向两个相互独立的单输入-单输出(SISO)线性子系统。在MATLAB中建立了伸缩杆及其解耦模型,并进行了仿真研究。结果表明该解耦方法很好地消除了系统间的耦合作用,能够满足工程设计的需要。

非对消解耦方法在硬式空中加油管控制中的应用

研究了硬式空中加油管的控制问题,基于对伸缩管模型的分析,得出伸缩管必须进行解耦才可有效控制的结论;基于模型存在S右半平面零点的特征,提出了利用非对消解耦方法解决硬式空中加油管的控制问题。通过Matlab/Simulink进行仿真,结果表明该方法可以有效地消除系统间的耦合作用,能够满足伸缩管的控制需要。

基于特征结构配置的硬式空中加油管解耦设计

关于空中加油伸缩管的耦合问题,采用特征结构配置,对优化系统很重要。针对伸缩管的运动受加油机牵连运动影响造成的不准确,进行分析了伸缩管的受力情况,并建立了伸缩管数学模型。为改善性能,设计了前馈控制器和特征结构配置理论基础上的输出反馈控制器,实现系统解耦并保证良好的动态性能,利用输出反馈特征结构配置的原理并推导了反馈增益矩阵的数学表达式。使系统具有良好的跟踪特性,通过引入了前馈补偿器,并给出了具体的设计过程。仿真结果表明,应用特征结构配置方法设计出的控制器,能够实现系统解耦,并具有良好的动态跟踪性能,能够快速准确地完成加油任务。

硬式加油装置的凯恩法建模与仿真研究

硬式加油装置是由加油机与伸缩管内外管构成的多体系统,为了得到更精确的系统模型,需要考虑加油机运动以及内管伸缩运动。将建模对象视为加油机、外管与内管构成的三刚体系统,建立了描述系统的坐标系,定义了广义坐标与广义速率,用凯恩法推导得到系统的动力学模型。估算了作用于外管上的气动力,并假定了内管的运动规律,对系统进行了仿真研究。结果表明:建立的模型能够反映加油机与伸缩管的相互影响,以及内管伸缩对伸缩管姿态的影响。该方法能为系统仿真等应用提供较同类研究更为精确的动力学模型。

基于Fluent的硬式空中加油杆气动特性计算

硬式空中加油杆是空中加油的关键部件。借助于商业CFD软件FLUENT,对某型硬式空中加油杆在不同攻角、不同飞行马赫数的气动力进行了计算,得出了该型加油杆升力系数、阻力系数以及随飞行马赫数和攻角的变化规律。仿真结果表明,计算的气动参数可以为硬式空中加油杆的模型和数据提供依据和参考,与传统计算方法相比有一定的优越性。

基于凯恩方法的硬式空中加油多体动力学分析

硬式空中加油系统是多体系统,刚体间存在复杂相互作用。为了研究系统动力学响应,将系统简化为万向节连接的两刚体八自由度系统,定义了系统的广义坐标和广义速率,估算了伸缩管受到的气动力,用凯恩方法建立了系统模型。对系统进行了仿真研究,结果表明:伸缩管姿态响应稳定,但存在纵横向耦合、动态特性较差的特点,并受内管伸缩的影响;加油机与伸缩管间也存在动力学耦合,但如果飞机抗干扰能力良好,可以独立设计伸缩管的控制律。

硬式空中加油相对位姿视觉测量技术研究

依据双目视觉的硬式空中加油精确测量需求,提出了一种硬式空中加油的伸缩管和受油口之间相对位姿测量方案。针对标志图像易遮挡问题,在受油口附近布置呈等腰梯形分布的标志图案,建立重构误差平方和最小的图像空间误差目标函数完成姿态估计,求取标志图案两腰延长线交点解算受油口中心位置;针对伸缩管的变形及无同名匹配点问题,提出用柱体轮廓线投影方法求取伸缩管轴线方程,进而求取姿态。最后在1∶1验证平台对该方案进行多次试验验证,结果表明本方案可实现对伸缩管与受油口的相对位姿精确测量,其相对姿态误差优于1°,相对位置误差优于10 cm。该方案首次提出对伸缩管位姿的测量,且可解决易遮挡、伸缩管变形和无同名匹配点问题,其精度满足硬式空中加油自动对接性能要求。

硬式空中加油未对接系统建模与仿真

以硬式空中加油未对接系统为对象,考虑了加油机与伸缩管之间的相互作用,运用多体系统动力学中的牛顿-欧拉法对其进行建模。通过分析加油机与伸缩管间的运动约束,求解约束力与约束力矩,得到完整的系统模型。对所建模型进行仿真,仿真结果表明加油机的运动对伸缩管影响较大,证实了考虑管机相互作用的必要性;伸缩管的姿态运动是稳定的,但动态特性较差,并存在纵向与横侧向运动的耦合现象。

基于任务的硬式加油伸缩管操纵品质研究

操纵品质是评价和设计硬式空中加油伸缩管的重要指标,但目前尚未有系统性的评价伸缩管操纵品质的方法和结论。为了解决现有投入使用的伸缩管型号较少即用于品质研究的样本不足的问题,在对伸缩管本体特性进行分析之后,引入了可以通过改变参考模型参数而获得不同闭环响应特性的控制系统。结合伸缩管的任务特性,设计了在空中加油模拟器上完成的操纵品质试验,并采用主观以及客观两方面的评定手段对具有不同闭环响应特性的评定样本进行了操纵品质评定,从而建立了基于任务的伸缩管操纵品质评定方法。最后,利用低阶等效拟配方法获得了伸缩管的低阶等效参数,通过对多个样本的低阶等效参数与任务评定结果进行统计分析得到了伸缩管俯仰轴和偏航轴的操纵品质等级边界,从而完成伸缩管操纵品质要求的研究。建立的评定方法和操纵品质要求可以作为指导伸缩管设计与评定的理论依据。

硬式空中加油装置动力学建模与仿真

以硬式空中加油装置为对象,结合动量矩定理研究了能够反映硬式空中加油装置"伸缩管-加油机"之间的动力学关系,建立质心质量变化的伸缩管数学模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果表明,建立的动力学模型能够描述伸缩管自身的耦合特性、内管伸缩对系统的影响,以及伸缩管和加油机之间的相互作用。

硬式空中加油机发展趋势及设计技术分析

空中加油技术在一定程度上体现了一国空军实力,该技术一直受到广泛关注。本文综述了硬式空中加油机的发展情况,提出了硬式空中加油机的划代概念。结合五代空中加油机的特点和性能,给出硬式空中加油机的主要技术特征,指出硬式空中加油技术的发展趋势,总结出硬式加油装置研究的总体布局设计技术、结构和机构设计技术、控制系统设计技术等关键技术,为未来装备变革提供技术支撑。

硬式空中加油姿态调节作动系统技术研究

姿态调节作动系统作为硬式空中加油系统的重要子系统,其功能和性能可直接影响加油装备与受油机的准确对接与安全。通过故障树分析的方法验证了方案系统架构满足安全性要求,通过建模仿真分析的方法验证了系统方案的合理性和性能指标的符合性。试验结果表明,所研制的系统能够满足设计方案的功能和性能要求,并验证了关键技术,提升了技术成熟度,为后续实用化奠定了基础。

硬式空中加油已对接系统建模与仿真

以硬式空中加油已对接系统为对象,考虑了加油机、伸缩管外管、内管以及受油机之间的相互作用。建立了描述系统的坐标系,定义了广义坐标与广义速率,用凯恩(Kane)法推导得到系统的动力学模型,对所建模型进行仿真。结果表明,建立的模型能够反映已对接系统中加油机、伸缩管外管、内管和受油机间的相互影响,该方法能为系统仿真等应用提供较为精确的动力学模型。

硬式空中加油作动系统技术现状与研制探讨

硬式空中加油作动系统是实现硬式空中加油的一个关键系统。在梳理出研制硬式空中加油作动系统主要影响因素的基础上,对比分析了现役主要加油机硬式空中加油作动系统的组成和技术特点,并提炼出硬式空中加油作动系统的关键技术。最后,结合国内相关技术现状,从作动技术、控制方式和系统架构等方面对研制硬式空中加油作动系统进行了探讨。

硬式空中加油装置运动建模与仿真研究

针对由加油机和硬式加油伸缩管构成的硬式空中加油多体动力学系统,在已有的加油机运动仿真模型的基础上,考虑加油机的尾流场扰动作用,采用基于拉格朗日方程的速度传递矩阵法,建立了系统运动仿真模型。通过运动仿真,对伸缩管的动态特性和系统的紊流扰动响应特性进行了研究。仿真结果表明,硬管的动态响应特性较差、阻尼偏小,且俯仰运动与偏航运动耦合,需控制系统予以改善并实现解耦操纵;轻微的紊流对硬管的姿态具有较明显的扰动作用,通过稳定加油机的航迹,能够显著改善硬式加油装置的抗紊流特性。

硬式空中加油系统对接机构设计及其动力学特征

针对硬式空中加油系统的对接问题,设计锁紧结构和回中结构,用于提高空中加油的可靠性。基于拉格朗日方程,推导机构的动力学方程。利用加油过程的技术要求,推算对接机构的结构参数,构建数字化模型,探究结构设计的合理性。结果表明本设计使输油机、伸缩管和受油机在对接过程中能顺利完成回中和锁紧,保证加油的顺利进行;在加油完成之后,输油机和受油机相应的部分能够实现油路自封,为后续飞行提供了可靠保障。

受油机飞行边界数值认定仿真研究

受油包线范围的确定对硬式空中加油的成功对接、安全加油具有重要意义。本文提出了一种不同干扰等级下受油机飞行边界数值认定方法。首先,通过解算KC-135加油机的硬管包线给出受油机的加油可行范围。其次,在分析受油机纵向及横侧向运动模型的基础上,设计受油机多模态双闭环控制系统,使受油机速度、姿态角、位置等状态量能够稳定保持。最后,通过对受油机各模态的数字仿真分析,探析不同干扰等级下的受油机飞行边界范围,并规定受油机飞行安全品质等级。结果表明,受油机在Ⅳ级干扰的环境下不再适合空中加油任务,这对空中加油试飞验证具有很强的指导意义。

空中加油系统的建模与控制技术综述

空中加油已经成熟应用超过半个世纪,但其建模与控制技术仍是航空界的研究热点与难点之一。综合大量文献,回顾了空中加油的发展历程和战略价值所在,比较研究了2种加油方式各自的优劣,总结了近年开展的系统建模和控制相关的研究成果。基于硬式加油与软式加油的功能互补之效,提出了借助研制大型运输机的契机发展硬式加油技术的观点。通过研究国内已经开展的相关工作及其不足之处,论证了开展系统建模与控制专项研究的必要性与积极意义。结合硬式加油系统的特点,提出了建模时应该综合考虑系统多刚体、多构型、强扰动与不确定性、受弹性形变与弹性振荡影响等特点,并提出了与之对应的伸缩管姿态控制、对接状态应力自动补偿、对接过程协同控制、抑制弹性振荡影响、半物理实验平台开发等关键问题。