摘 要

负载模拟器是用于模拟导弹、飞机、舰船等的舵机所受空气或水流作用产生的动力扭矩的一种重要的半实物仿真设备。负载模拟器性能的好坏直接决定着复现导弹舵机等所受的真实动力矩的逼真度，因而研制性能优良的负载模拟器有着重要的实际意义。

本文以工控机和 A/D，D/A模块为核心，集成了控制、配电、泵控、数字四个处理不同类型，不同功能信号的单元，对电液负载模拟器试验系统的控制系统硬件进行设计，并通过理论推导和仿真提出了一种力前馈补偿的控制算法，并利用该方法设计了本课题负载模拟器的参数模型控制器。最后编制算法程序通过实验验证了力前馈补偿方法的有效性。

关键词：电液负载模拟器；多余力矩；力前馈补偿

Abstract

Load simulator is a kind of simulation equipment used for simulating dynamic rudder torque of missiles,aircraft,warships etc caused by air or water when those crafts is sailing. The performance quality of a load simulator determine the verisimilitude between the simulated torque and the real torque, so it is important to develop high performance load simulator.

This paper hardware components of the control system design of the electro-hydraulic load simulator test system. The hardware components made the industrial PC and the A/D, D/A modules as its core and integrated control unit, power distribution unite, pump control unite, number unite, handling different types, different function signals. electro-hydraulic load simulator control algorithm’s, study simulation and experiment. For design the loading system controller of the electro-hydraulic load simulator test system, this paper proposed a power feed-forward compensation control algorithm through theoretical analysis and simulation. Using this method design the controller of load simulator’s parameter model. Finally, this paper wrote control algorithm code and proved the force feed-forward compensation method is effective though experiment.

Key Words: Electro-hydraulic load simulator；surplus torque；force feed-forward compensation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外负载模拟器研究概况 1

1.2.1 负载模拟器系统的功能和基本原理 1

1.2.2 负载模拟系统的分类 2

1.3 国内外研究概况 3

1.3.1 国外负载模拟器产品研发概况 3

1.3.2 国内负载模拟器产品研发概况 4

第二章 舵机负载模拟系统方案设计及关键结构设计 5

2.1 功能要求及技术指标 5

2.1.1 主要功能要求 5

2.1.2 主要技术指标 5

2.2 工作原理及方案设计 6

2.3 关键部件设计及选型 7

2.3.1 液压缸设计计算 7

2.3.2 伺服阀计算选型 9

2.3.3 传感器 10

第三章 舵机负载模拟系统建模分析 11

3.1 舵机负载模拟系统的定性分析 11

3.2 舵机负载模拟系统数学模型 12

3.2.1 轴向力加载系统数学模型 12

3.2.2 舵机系统数学模型 15

3.3 多余力的抑制方法 16

3.4 PID 控制器的设计 17

第四章 总结 18

参考文献 19

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

测试是评判系统性能的依据，也是改进和创新的起点^[1]。对于工业和科技领域的研发过程，测试都具有重要的意义。进行测试最为直接和有效的手段是全实物现场试验。然而全实物现场试验具有一定的自破坏性，需要耗费大量人力、物力，却难以获得准确而完整的试验数据；而在外部环境的产生含有偶然因素时（如地震波），甚至无法进行有针对性的试验。这些局限使得全实物现场试验往往成本较高、难度较大、试验周期较长。这些缺点导致并促进了半实物仿真技术的产生和发展^[2]。半实物仿真技术是在实验室条件下复现被测对象工作过程中的各种因素及参数，将经典的自破坏性实验转化为实验室条件下的预测研究，具有可控性、无破坏性、可重复性等优点^[3]。

本课题研究的舵机负载模拟系统是一种半实物仿真系统。作为船舶动力学控制的执行机构，舵机的操控性能直接影响到船舶航行的整体性能和安全稳定，所以必须在舵机系统的研发过程中对其进行大量的试验。舵机负载模拟系统结合舵机操控的要求，综合水动力变化的特点，通过模拟舵机各种运行状态下所受载荷，为实验室条件下舵运动、舵加载的试验研究提供了条件。利用该系统可以反复进行试验，测得相关数据，并据此对系统做出评估，进而重新改进设计，最终提高舵机系统的性能。舵机负载模拟系统不仅缩短了研制周期，减少了研制成本，也提高了研发的可靠性和成功率，是舵装置研制的关键设备^[4-5]。

随着海洋科技的发展，对船舶舵机的性能提出了越来越高的要求。在这样的背景下，舵机负载模拟系统也就具有越来越重要的意义。为了保证并提高负载模拟系统的性能，一方面，船舶舵机负载参数较大，试验台的底座需要承受较大载荷，其结构设计存在一定难度；另一方面，需要克服被动式加载系统中多余力的干扰^[6-9]。本文从理论上对舵机负载模拟系统中的关键技术进行了分析研究，不仅具有很大的理论价值，而且具有现实的经济意义和战略意义。

1.2 国内外负载模拟器研究概况

1.2.1 负载模拟器系统的功能和基本原理

负载模拟系统的功能是在实验室条件下模拟加载对象在实际工作过程中所受的载荷，并记录和反映加载对象动静态性能的各种实验数据，从而为检测和考核加载对象的实际工作性能提供依据。

图1.1 典型负载模拟系统原理图