【网络优先出版】软式空中加油主动增稳锥套控制研究

文摘科技 2024-10-15 08:59 陕西

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软式空中加油主动增稳锥套控制研究

文章亮点：软式加油锥套，由于软管本身为柔性体，在加油机尾流、阵风和大气紊流等复杂风场扰动下，存在飘摆现象，严重影响对接成功率。针对加油机尾流场建模、尾流风场扰动影响研究过程中存在精度和实时性要求较高的特点，采用神经网络与CFD计算相结合的方法，依据高精度CFD方法生成流场数据信息，利用BP神经网络训练风场坐标参数和速度参数的映射关系，建立加油机尾流风场模型；针对锥套飘摆抑制控制方法存在抗干扰能力差、对模型依赖性较强、工程实现难度较大等问题，采用模糊PD控制方法，实现复杂风场干扰下翼舵式主动增稳锥套的飘摆抑制。结果表明：Y、Z方向平均飘摆幅度分别降低86.49%、79.04%，Y、Z方向平均速度强度分别降低72.98%、65.29%，有效抑制锥套飘摆幅度。

研究背景：柔式加油软管易发生形变，受到加油机尾流、阵风、大气紊流等气流扰动影响，软管—锥套组合体存在无规律飘摆现象，不利于精确对接，影响对接成功率，甚至产生安全隐患，影响飞行安全。

加油机尾流风场模型建模精度直接影响锥套运动的仿真精度，为提高仿真可信度，需要建立更精确的加油机尾流风场模型。现阶段加油机尾流建模方法主要分为试验测量、理论建模、计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）仿真等。试验测量是最直接、最有说服力的方法，例如风洞法，但是在资金和时间上消耗较大；理论建模常用模型有Hallock-Burnham模型、马蹄涡模型等，在仿真研究中表现出快速、简单的特点，但是模型精度和CFD计算、风洞试验以及实际飞行存在一定差距；CFD方法能够有效提高加油机尾流风场模型精度，但是对于计算资源要求较高，且后续研究加油机尾流风场扰动下加油设备的运动特性，一方面通过插值获取气动数据应用于软管锥套仿真研究，在一定程度上牺牲精度从而保证仿真较好的实时性，另一方面通过CFD方法计算不同状态下尾流对软管锥套的运动状态影响情况，虽然保证了较高的仿真精度，但是会消耗大量时间和计算资源。

在锥套飘摆抑制研究方面，目前国内外对气动扰动下软管—锥套组合体空中飘摆运动抑制的研究很多，按照是否添加控制，划分为被动增稳和主动增稳。被动增稳通过在锥套上安装稳定伞而增加锥套阻力系数，进而抑制锥套飘摆，但是不具备主动控制能力，对于复杂风场下的响应较慢。主动增稳控制利用气动控制面代替稳定伞，采用LQG（Liner Quadratic Gaussian）、LQR（Liner Quadratic Regulator）、PID（Proportion Integration Differentiation）等控制方法，通过控制锥套上气动舵面的偏转，抑制锥套在复杂风场下的飘摆，但是LQG和LQR控制方法对模型的依赖性较强，PID控制方法抗干扰能力不强，容易产生振荡。而基于模糊PD的控制方法不依赖精确的数学模型，通过实时调节PD参数，能很好地处理时变、非线性、滞后等问题，响应速度更快、鲁棒性更强。除此之外，朱喆等采用基于拉格朗日方法建立软管—锥套组合体运动模型，通过控制动量环的转速及旋转方向，实现对锥套飘摆抑制，但是自旋式动量环主动增稳锥套结构复杂，在工程应用上实现难度较大，而翼舵式增稳锥套通过气动力实现飘摆抑制，结构相对简单，在工程上易于实现。

本文结论：

1）以CFD计算数据为基础，利用神经网络方法重构加油机尾流风场，实现快速预测加油机尾流场的目的。相对于传统理论模型方法，精度更高，风场数据拟合的最大相对误差不超过3%，决定系数R²大于0.99。

2）在加油机尾流风场建模方面，本文研究重点为采用神经网络与CFD技术相结合的方法重构尾流风场，所采取的神经网络为常见的BP神经网络，后续可进一步选取更先进的神经网络用于加油机尾流风场建模。

3）提出基于模糊PD控制的X舵式主动增稳锥套飘摆抑制方案，仿真结果表明，Y、Z方向平均摆动幅度降低一个量级，有效抑制锥套飘摆幅度。

4）飞行试验结果表明，本文所提主动增稳控制方法依旧可以有效抑制锥套飘摆，进一步验证本文所提方法的有效性。

5）文中暂未考虑对接过程中受油机头波效应等干扰对于锥套飘摆运动的影响，需要后续研究中进一步完善风场干扰条件。

作者：李飞，朱喆，黄江涛，王春阳，刘刚

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