● 摘要
空中加油技术是增大飞机作战半径、提高载弹量、解决起飞重量与飞行性能矛盾的重要手段，为实现自动空中加油（Automated Aerial Refueling, AAR），无人机在飞行控制方面必须具备能够在加油机强的尾流干扰作用下，实现位置和姿态的精确控制的能力。本文针对无人机自动空中加油精确飞行控制的需要，开展了受油机和加油软管锥套的扰动运动建模、受油机自动飞行控制方案与控制策略、受油机高抗扰精确飞行控制方法等方面的研究，突破了加油机尾涡流场建模、扰动情况下受油机位置和姿态的精确控制与稳定等关键技术，为无人机自动空中加油飞行控制系统的研究奠定了技术基础。本文主要工作为：1. 通过对加油机机翼翼尖尾涡生成机理的研究，建立了较精确的考虑衰减和扩散特性的尾涡空间流场计算模型和尾涡对受油机的影响模型，并利用气动等效的方法将尾涡对受油机的影响转化为受油机迎角、侧滑角、空速和三轴角速度的变化。分析了加油软管-锥套系统在前后两机的气动干扰作用下的气动特性并建立相应的数学模型，给出了软管拖曳位置及自由运动模型，为实现精确高效的加油对接提供依据。最后进行了受油机模拟空中加油过程中典型扰动下的仿真验证，结果表明该尾涡模型能够反映受油机受扰后的动态特性，与有人机飞行员飞行经验相符。2. 针对自动空中加油的特点，研究了相应的飞行控制策略，将自动空中加油分为接近段、对接段、加油段和脱离段四个阶段，根据不同阶段的控制目标可制定相应的飞行控制策略，即接近段采用一般控制，对接段、加油段和脱离段采用精确控制。在此基础上，根据控制策略分别给出了以多模态控制律和自适应控制律为核心的等高度加油飞行控制系统方案，并同时考虑加油机尾流扰动、风扰动对受油机的影响。最后，依据三段法设计了受油机跟踪加油机的三维航迹曲线。3. 根据自动空中加油飞行控制策略，针对每一阶段不同的任务需求和控制特点，设计了面向工程的多模态飞行控制律。该控制律以受油机姿态角稳定回路为基础，进行轨迹外回路设计，同时根据加/受油机相对位置关系进行控制律的切换，从而实现空中加油全过程自动飞行控制。在此基础上，进行了受油机模拟空中加油过程中典型扰动下的仿真验证，结果表明该多模态控制律可以满足自动空中加油的基本要求，控制精度较高，有一定的抗干扰能力。4.为进一步提高受油机加油过程中抗尾涡干扰的能力，提出了基于自适应动态逆的自动空中加油飞行控制方法，分别采用干扰观测器和神经网络来补偿外界干扰及系统模型误差造成的逆误差。非线性仿真结果表明，两种补偿方法都能实现受油机给定轨迹的稳定跟踪，与传统PID方法相比，实际控制轨迹超调量小，在同等尾涡扰动下具有更好的控制效果。由于干扰观测器控制器结构简单，神经网络运算量较大，使得前者比后者在系统延迟方面更小，但当系统模型与真实模型存在较大误差时，神经网络的鲁棒性更好一些。5. 针对当需要较大的自适应增益来补偿外界干扰时，系统的动态响应会出现振荡等不利现象的问题，特别是受油机能够精确跟踪飘忽不定的加油锥套，实现快速精准的加油对接，既要求飞行控制系统的瞬态性能，又要求稳态精度，提出采用L1自适应控制器，该方案以LQR比例积分型控制器作为稳定回路，在此基础上加入 自适应控制器。仿真结果表明，采用L1自适应控制器的自动空中加油控制系统可以实现强尾涡干扰下的精确加油对接，既满足瞬态性能要求，又满足稳态精度要求，同时，还解决了由自适应参数带来的舵机操纵过于频繁的问题。