● 摘要
负载模拟器在汽车领域、航空航天领域、船舶领域、工业生产领域等应用较为广泛。作为飞行器半实物仿真实验中不可缺少的技术设备,负载模拟器比起实物实验，对降低实验成本和保护飞行器的自动驾驶仪起着重要的作用。负载模拟器可以不通过破坏实物来获取较为真实的实验数据，对舵机的设计起着重要指导作用。多年来一直是航空航天领域的热点课题。
机械式负载模拟器有着其它负载模拟器不可比拟的优点，例如易于在振动台及温箱实验等。解决机械式负载模拟器的技术难点，诸如多级加载梯度的设计研究、惯性力矩的消除、加载带宽的拓宽，对于拓宽机械式负载模拟器的应用范围是非常必要的。
本文首先提出了机械式负载模拟器动力学模型，分析影响加载性能的因素即加载梯度及等效转动惯量，并探讨了拓宽加载带宽的方法。其次详细研究了负载模拟器的主要干扰即惯性力矩的产生原因及构成，提出了抑制惯性力矩的方法即弹簧预加载的方法。因机械式负载模拟器随着加载频率的提高惯性力矩会相应的提高，影响正常加载，弹簧预加载的方法可有利抑制惯性力矩。最后为更好地设计出多级加载梯度的机械式负载模拟器，本文还提出了基于杆件运动角度的设计方法，对机械式负载模拟器的杆件设计具有指导作用。
大扭矩的电动式负载模拟器的控制是未来的发展方向，其相关技术的研究对大舵机的设计具有重要的意义。负载模拟器的性能高低取决于加载品质，包括加载的快速响应性、加载力矩的跟踪、工程上的双十指标、加载带宽、多余力矩的抑制等。电动式负载模拟器存在着多余力矩的干扰，由于多余力矩是负载模拟器的加载侧和承载侧的位置和力矩耦合产生的强干扰力矩，传统的控制方法难以有效地对其抑制。因此，找到适合大扭矩的电动式负载模拟器的控制结构和控制策略是非常有意义的。
本文提出了大扭矩电动式负载模拟器的直驱式方案。对其力矩的传动做出了符合动力学特性的模型并对其进行了研究和分析，提出了一路前馈和三路负反馈的闭环控制方案，即具有力矩前馈、电流环负反馈、力矩负反馈和力矩微分负反馈的控制结构。利用控制结构的特性，改善了扭杆弹簧与电机的轴系等效惯量引起的谐振。并在控制结构内加入了PID控制器，极大提高了负载模拟器的加载潜力。其次建立了包含舵机模型在内的完整负载模拟器的控制模型，详细分析了干扰加载品质的多余力矩产生的原因及构成。本文针对多余力矩是由系统的角速度、角加速度和加速度的微分构成的机理，提出补偿力矩电机电压的控制方法。
最后，本文针对舵机的非线性和参数的变化，抓住舵机的实验具有一定的规律性，并结合负载模拟器运行具有一定的重复性的特点，提出采用重复控制的策略，利用重复控制原理，即利用先前控制经验的积累对下一周期的控制起到预设的作用，以此来消除非线性因素的影响、适应舵机电气参数变化和系统参数的变化，并实现力矩加载的系统控制思想。此外，本文通过采用RBF神经网络控制的智能控制方法、重复控制的复合控制方法，使得电动式负载模拟器得以实现。因此，本文的理论和实验研究对设计出优质的大扭矩电动式负载模拟器具有指导意义。