空中加油能在飞行中为飞机补充燃油,提高飞行效能。空中加油有软式和硬式两种技术方案,其中硬式加油对接更为便捷,输油速度更快,能大为提升空中加油的效率。因此,以大型运输机为平台,研制大型专用加油机和硬式加油技术,对提升我国空中加油能力具有重要意义。硬式加油系统是由加油机、伸缩管、受油机三者通过万向节与球铰铰接在一起构成的多刚体系统。系统结构复杂、构型多变、刚体数目多、运动自由度高、工作环境复杂,这些特点为系统运动分析与控制系统设计带来了巨大困难。国内既有研究仅限于建立伸缩管在理想条件下的运动模型,设计伸缩管增稳控制律或姿态控制律等方面;没有形成对伸缩管气动特性、运动模态、多刚体运动特性的系统认识,也没有建立自动卸载系统、人工操纵下伸缩管控制系统、伸缩管全任务周期自动控制系统的设计方法。针对上述问题,本文开展了系统研究。首先,建立伸缩管气动力矩估算模型与姿态运动模型,详细分析伸缩管的气动特性与运动模态。将伸缩管的管身与舵面比拟为机翼来估算气动力矩;通过仿真研究气动特性的变化规律,建立形式简洁的高精度气动规范模型。在加油机定直平飞、内管静止的条件下,建立伸缩管的姿态运动模型;从理论上分析伸缩管的运动模态与常规飞机的不同之处;通过仿真揭示伸缩管运动存在的阻尼比低、通道耦合、参数摄动等问题。其次,采用凯恩方法解决硬式加油系统的全构型多刚体动力学建模问题,详细分析系统的多刚体运动特性。分别为系统的未对接状态与已对接状态建立多刚体运动模型,最终得到一组能对硬式加油全过程进行仿真的模型。建立加油机的尾流场及其对受油机影响的模型以提高建模精度。设计加油机与受油机的自动驾驶仪,构建典型加油环境对系统的多刚体运动特性进行仿真分析。在未对接状态下,重点分析加油机机动动作、内管伸缩运动对伸缩管姿态运动造成的影响;在已对接状态下,重点分析对接应力的产生机理以及影响对接应力的因素。再次,提出人工操纵下伸缩管控制系统的功能需求,提出一种自动卸载控制律的设计思路,解决控制系统的综合设计问题。控制系统由增稳控制回路与自动卸载回路构成。兼顾操纵性能要求、对弹性模态的抑制要求、操纵伸缩管时对精确调节与快速调节的双重要求等,设计增稳回路以改善伸缩管在未对接状态下的操稳特性。在卸载回路的设计中,提出在增稳回路基础上进行设计的思路以降低控制器复杂度;采用姿态角反馈与力反馈相结合的卸载回路结构以提高卸载能力;采用操纵杆反驱动的综合控制方案以削弱控制模态切换的不良影响。最后,基于空中加油自动化程度不断增强的趋势,提出硬式加油全任务周期内的伸缩管自动控制问题,解决控制律与控制系统的综合设计问题。将该控制问题归结为:在强复合干扰环境下,未对接状态下伸缩管对动态受油插槽的精确跟踪问题,和已对接状态下对接应力的自动卸载问题。对于前者,采用反馈线性化、干扰观测器、反演自适应控制相结合的方法设计控制律;对于后者,采用姿态角反馈与力反馈相结合的方法设计控制律。将硬式加油的任务周期划分为预备、对接、输油与分离四个阶段,设定各阶段的控制律与控制指令,建立阶段间的切换规则,最终得到完整的控制器,并通过仿真来验证控制器在全任务周期内的有效性。