软管锥套运动的动力学建模与控制

摘要

空中加油能够延长飞机的续航时间，增大飞机航程及其有效载荷。其中软管式自主空中加油中的软管-锥套运动易受到干扰气流的影响，为了能够控制软管-锥套的飘摆运动，方便受油机安全准确地对接，本文针对软管-锥套运动的动力学建模与控制问题展开深入的研究。
　　首先，根据多连杆系统模型对软管段进行了运动学与动力学分析，分别介绍了软管段与锥套的气动力载荷计算，基于多刚体动力学原理以及可控锥套动力学模型建立了软管-锥套组合体运动的动力学模型，并描述了整个软管-锥套运动的动力学模型的数值仿真流程。
　　其次，仿真分析了干扰气流下软管-锥套运动特性。分别建立了软管-锥套运动所要遭受的加油机尾涡流模型、大气紊流模型以及受油机艏波模型，仿真分析了加油机尾涡流场下的软管-锥套拖拽尾迹、大气紊流影响下的软管-锥套运动特性以及受油机艏波影响下的软管-锥套运动特性。
　　再次，设计了基于LQR最优控制的可控锥套控制器。为了抑制软管-锥套在干扰气流下的飘摆运动，将整个软管-锥套运动的动力学非线性模型线性化及降阶处理，利用LQR最优控制方法设计了可控锥套的控制器。分别在大气紊流干扰下、受油机艏波干扰下以及大气紊流与受油机艏波综合干扰下进行了控制器的仿真验证。仿真结果表明所设计的控制器能够抑制软管-锥套在干扰气流下的飘摆运动。
　　最后，介绍了受油机在加油机尾涡流场中所受到的等效风速与等效风梯度的计算，建立了受到加油机尾涡流干扰时的受油机非线性模型，并设计了受油机LQR控制器来控制受油机在加油机尾涡流场中的飞行。在MATLAB/SIMULINK环境下，将受油机控制系统与软管-锥套控制系统以及干扰气流模型综合，仿真模拟软管式自主空中加油对接段受油机受油插头对接加油锥套，仿真结果表明可控锥套系统可以使得受油机安全准确地对接，提高软管式自主空中加油的效率。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3软管式自主空中加油系统分析

1.4本文主要工作及章节安排

第二章 软管-锥套动力学建模

2.1建模假设及坐标系定义

2.2软管段运动学分析

2.3软管段动力学分析

2.4软管-锥套气动力载荷计算

2.5软管-锥套模型数值仿真流程

2.6本章小结

第三章 干扰气流对软管-锥套运动特性的影响分析

3.1加油机尾涡流对软管-锥套的影响分析

3.2大气紊流对软管-锥套的影响分析

3.3受油机艏波对软管-锥套的影响分析

3.4本章小结

第四章 可控锥套的控制器设计及仿真验证

4.1可控锥套的控制系统结构

4.2可控锥套的控制器设计

4.3干扰气流下可控锥套控制器仿真验证

4.4本章小结

第五章 软管式空中加油综合对接仿真验证

5.1作用于受油机的等效风速与等效风梯度计算

5.2干扰气流下的受油机六自由度非线性模型

5.3受油机LQR控制器设计

5.4受油插头与加油锥套对接综合仿真验证

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文