● 摘要
负载模拟器是一种典型的被动式力（力矩）伺服控制系统，它是飞行器地面半实物仿真系统中的关键测试设备之一，其主要作用在于模拟飞行器在飞行过程中舵面所受的气动力（力矩）载荷。目前常见的负载模拟器大多是电液或电动驱动的。随着现代航空航天技术的飞快发展，对飞行器作动系统的控制精度和机动性能的要求也不断提高，从而对其加载测试系统的加载精度和动态性能也提出了更高甚至极端的要求。针对具有高速和大加速度特性的舵机（如火工舵机）的测试需求，传统的电液加载方案由于油液弹性模量较大，舵机启动瞬间会导致加载执行器产生较大的强迫流量，造成巨大的多余力；而电动加载方案则受电机转子的惯性力和阻尼力影响，同样造成巨大的多余力。因而，有必要针对上述问题，研制具有新驱动原理的负载模拟器。
针对火工舵机的测试需求，本文提出一种气动加载方案并开发了气动负载模拟器，它具有成本低廉、较高的功率重量比、无污染、设计简单、使用和维护方便及环境要求不高（如防磁、防爆和防火等）等优点。针对气动负载模拟器的特点，本文深入研究了气动加载伺服系统的基础特性、加载跟踪精度的影响因素、气动马达摩擦模型及补偿，非线性控制策略等。具体包括以下研究内容：
（1）与电液加载系统不同，气动加载系统受气体可压缩、弱阻尼及通过阀口时的流量饱和等特性的影响，系统具有较强的非线性特性。为了研制高性能的加载系统，必须对其进行深入的理论分析和研究。本文建立了气动伺服加载系统详细的非线性数学模型；同时在非线性模型的基础上进行了线性化，定性得出影响其加载跟踪精度的三个影响因素，并借助非线性仿真方法对其影响因素进行定量分析；分析了气动伺服加载系统工作参数（气源压强、两腔初始压强、执行器初始活塞位置、管路的直径、管长）对系统的动态品质的影响，提出了气动加载系统工作参数选取方法。为后期的系统设计奠定了理论基础。
（2）摩擦是影响气动伺服加载跟踪精度的重要影响因素之一，也是气动伺服加载系统中主要的非线性因素，其模型本身复杂，受影响因素众多，因而研究气动伺服加载系统的摩擦模型及补偿方法非常有必要。本文综合分析了在气动伺服加载系统中，摩擦力会受到的影响因素；通过仿真分析摩擦力的具体参数在气动伺服加载中所产生的现象；通过主动控制实验方法测试了气动马达的摩擦力，结合动态性良好的LuGre摩擦模型提出适合气动伺服加载的改进型摩擦模型，并将实测数据带入模型计算，结果表明改进型
摩擦模型比不考虑压差的LuGre摩擦模型与实测摩擦力更接近；在改进型摩擦模型的基础上研究气动伺服加载系统的摩擦力补偿方法。摩擦补偿方法可以改善系统的“爬行＋抖振”现象，但是解决不了气动伺服加载系统的弱刚度，低阻尼特性所带来的本质问题。
（3）在摩擦补偿控制方法的基础上，结合气动伺服加载系统的各种非线性影响因素，针对气动伺服加载系统的低阻尼本质特性，提出了气动伺服加载系统的复合非线性控制方法。采用基于反馈线性化的伪线性系统进行线性状态反馈控制和基于李亚普诺夫再设计方法进行变阻尼控制结合的方法解决系统中存在的非线性及低阻尼问题，并对所提出的方法进行仿真和实验对比研究，结果表明在系统存在强非线性以及低阻尼的情况下，该控制方法能够同时保证系统动态响应性能和稳态力矩跟踪精度，有效改善“爬行＋抖振”现象。
（4）基于上述研究，开发了气动负载模拟器，进行系统的动态响应、加载跟踪精度及动态频宽的测试；将气动伺服加载台应用于火工舵机的加载测试实验，通过实际测试实验证明气动伺服加载系统适合对火工舵机的性能进行加载测试。