题目：电液负载模拟器的极限性能研究

精确打击武器的性能是决定现代战争胜负的最重要因素。随着武器机动性、过载与精度的不断提高，操纵武器姿态的伺服执行机构的性能日趋极限。负载模拟器作为一种测试和仿真设备，能够在伺服机构产品的全寿命周期内起到重要作用，包括优化设计、性能测试与标定以及故障诊断等，是考核伺服机构极限性能的重要手段和工具。高性能的伺服机构对负载模拟器性能的要求越来越高，逐渐挑战负载模拟器的性能极限。这就要求负载模拟器的性能必须要包络舵机的性能，要提高其无扰加载频率特性，提高其消扰能力，提高加载系统自身的适应性，提高加载的应用范围，提高系统设计优化能力等。所谓极限性能研究，是指研究如何提高电液负载模拟器系统的力矩适应范围、速度范围、频宽、静态精度、动态跟踪精度和抗干扰特性等极限性能指标，以及如何实现一些特殊的加载需求。针对这些极限性能需求和挑战，根据多项工程项目的需要，本文主要探讨影响电液负载模拟器极限性能的主要因素、关键问题以及解决方法，在以下几个方展开了研究工作：1、分析传统模型的不足，研究面向极限性能要求的电液负载模拟器的复合数学模型。指出随着伺服阀的性能不断提高，阀的特性不再是电液负载模拟器系统的性能的唯一瓶颈，此时执行机构与负载的结构刚度问题逐级暴露出来。为了具体分析系统各个元部件对极限性能的影响，分析并建立了多刚度模型，通过变参数仿真分析说明了模型中的多个谐振峰和机械部件特性之间的复杂关系。针对极限性能要求的负载模拟器系统，舵机不能再独立于系统之外，因此引入带安装刚度的液压舵机模型，为深入研究舵机对加载系统极限性能的影响提供了支持。最后将实际系统中的伺服阀流量非线性、系统饱和与摩擦等主要非线性环节纳入模型中，构成了“舵机—加载系统”多刚度与非线性复合模型。负载力矩载荷谱仿真与实验对比的结果表明，复合数学模型更真实而且精确地表征了系统物理情况，为系统结构参数优化设计和控制策略研究提供了理论基础。2、舵机也是影响负载模拟器极限性能的主要因素。实际工程经验发现加载系统有无舵机以及带不同的舵机，其特性并不相同。针对舵机的影响开展了机理研究。首先从影响的现象出发，深入描述了影响的问题本质。其次在系统深入地分析舵机开闭环柔度与刚度问题的基础上，阐释了舵机对加载系统的影响机理，并进行了不同舵机产生不同影响的仿真验证。最后深入研究了不同舵机与不同负载模拟器的匹配问题，形成了一套匹配机理，得出了一系列结论，并给出了二者匹配设计的依据。3、为了测试具有大摩擦负载的特殊伺服机构，提出采用电液力矩负载模拟器施加摩擦力矩载荷。引入了带静摩擦描述的Stribeck摩擦模型，提出了“力矩—零速度”切换控制的新原理，用零速度控制方式实现静摩擦模拟，用传统力矩控制实现动摩擦模拟，解决了用电液力矩负载模拟器切换加载动、静摩擦力矩的问题。设计了“力矩—零速度”切换控制器与“双阈值判断”算法。仿真与实验验证了“力矩—零速度”切换控制实现了静、动摩擦的真实模拟，能够复现伺服机构拖动大摩擦力负载运动的真实情况。4、分析了经过弹簧板加载考核的成熟舵机控制器拿到负载模拟器上跟踪某些载荷谱会引起失稳的问题。建立了真实载荷谱与舵机控制系统状态变量的相关性模型。基于这种角度谱和负载力矩谱的相关性思想，试图将真实载荷谱等效成惯量、粘性与弹性等的组合，称为等效特种负载。为了复现这种等效特种负载对舵机系统的影响。本章初步研究了如何采用电液负载模拟器来施加这种等效特种负载，此时加载指令与负载模拟器自身的状态变量相关，即加载指令成为加载系统自身的状态反馈，指令的变化造成系统极点的漂移。分析了特种加载的稳定性，提出了特种加载控制器应满足的四个条件，为特种加载的控制器研究提供了基础。5、研究实际舵机加载中的两类特殊应用——高频消扰和高频跟踪。首先，讨论高频消扰问题：气动舵机的位置谱带有小幅值高频颤振信号，负载模拟器的力矩谱则要消除这种高频颤振的影响。针对强颤振多余力，提出了“速度同步解耦动态鲁棒补偿”的方法，它通过结合速度同步补偿和鲁棒等效干扰观测器，构成了增强型消扰方案，既抑制了舵机运动产生的多余力矩，又减小了固有高频干扰的影响，从而实现高精度负载模拟。第二，讨论高频跟踪问题：舵机进行频率特性测试，如何采用负载模拟器代替弹簧板进行高频位置信号的梯度跟踪。提出了一种特殊的半闭环控制补偿网络，成功提高了跟踪精度，复现了弹簧板被动加载的工作状态。