朱 樂，劉 梁，牛 祿，侯文國，盧錦康，徐照平

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

在航空航天、國防、武器裝備等工業(yè)領(lǐng)域中，都需要對產(chǎn)品所受阻力載荷進(jìn)行測試，以保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能滿足使用要求。在早期的測試環(huán)節(jié)，都需進(jìn)行破壞性很強(qiáng)的全實(shí)物現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，不僅造成研究成本的提高及人力、物力的浪費(fèi)，而且在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行研究，難以在線實(shí)時測試阻力載荷，因此，迫切需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測試來降低研究成本和縮短研發(fā)周期。模擬加載技術(shù)就是能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，模擬外界各種載荷，將破壞性高的全實(shí)物現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽匦詮?qiáng)、無破壞性、全天候及操作簡單的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，可大大減少產(chǎn)品研發(fā)的成本和周期。

模擬加載系統(tǒng)就是用負(fù)載模擬器模擬承載對象工作過程中所受的各種力載荷譜，完成承載對象的帶載試驗(yàn)。該系統(tǒng)按照加載執(zhí)行元件不同，可分為機(jī)械式、電液式和電動式模擬加載系統(tǒng)。機(jī)械式模擬加載系統(tǒng)是最先出現(xiàn)的負(fù)載模擬器。20 世紀(jì)70 年代初，日本長崗科技大學(xué)的池谷光榮最早建立了電液式模擬加載系統(tǒng)。近年來，電動模擬加載系統(tǒng)的研究也得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在模擬加載系統(tǒng)中，按照加載電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式，當(dāng)承載對象做直線運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)式負(fù)載模擬器將電機(jī)輸出的力矩通過減震彈簧桿作用到擺桿上轉(zhuǎn)化為力，經(jīng)擺桿將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，將力作用到承載對象上。直線式負(fù)載模擬器直接將電信號轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，不需要任何的中間轉(zhuǎn)化裝置便可以提供直線運(yùn)動，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率高，在驅(qū)動裝置中無機(jī)械磨損。另一方面，與旋轉(zhuǎn)式負(fù)載模擬器相比，直線負(fù)載模擬器在運(yùn)動過程中，各部分結(jié)構(gòu)不會受到離心力的作用，直線運(yùn)動的速度不會受到限制。由于直線模擬加載系統(tǒng)存在上述優(yōu)勢，因此，本文主要對直線模擬加載技術(shù)出現(xiàn)以來國內(nèi)外的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)。

本文歸納分析了不同加載執(zhí)行元件的直線模擬加載系統(tǒng)，分別介紹了機(jī)械式、電液式和電動式直線模擬加載系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并分析了多余力產(chǎn)生機(jī)理及多余力抑制研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。最后，結(jié)合直線模擬加載系統(tǒng)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行展望并給出結(jié)論。

1 機(jī)械式直線模擬加載系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

機(jī)械式直線模擬加載系統(tǒng)早在20 世紀(jì)50 年代就已出現(xiàn)，其加載原理是利用彈性元件變形所產(chǎn)生的回彈力模擬承載對象工作時所受的負(fù)載力，彈性元件通常為疲勞特性高的板式彈簧、彈簧桿等構(gòu)件。某研究所基于某型號導(dǎo)彈舵機(jī)測試設(shè)計(jì)的一種彈簧桿式直線負(fù)載模擬器（如圖1 所示），主要包括進(jìn)給機(jī)構(gòu)、彈簧桿、力傳感器、支架及直線舵機(jī)組成。加載原理為將彈簧桿與直線舵機(jī)連接，舵機(jī)直接帶動彈簧桿產(chǎn)生對應(yīng)的擠壓變形，彈簧桿產(chǎn)生一個成比例的彈性變形力，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)加載［1］。

圖1 機(jī)械式直線負(fù)載模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of mechanical linear load simulator

機(jī)械加載方式簡單易行，不會產(chǎn)生多余力，但只能模擬變化規(guī)律較簡單的負(fù)載，無法實(shí)現(xiàn)任意力及變力函數(shù)加載。機(jī)械式直線負(fù)載模擬器成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可以模擬恒定的負(fù)載力，在早期的小回路仿真中應(yīng)用較廣泛。目前國內(nèi)研發(fā)的機(jī)械式直線負(fù)載模擬器在開展飛行器的環(huán)境試驗(yàn)中，存在可靠性較低、測試時間常數(shù)較大、不能夠很好跟蹤氣動載荷等問題，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較少。由于電液式、電動式直線模擬加載技術(shù)興起，可以對任意力及變力函數(shù)進(jìn)行加載，機(jī)械式直線模擬加載技術(shù)正逐步被前兩類加載方式替代。

2 電液式直線模擬加載系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

電液式直線模擬加載系統(tǒng)是以液壓馬達(dá)或者液壓泵為系統(tǒng)動力執(zhí)行元件，從而輸出加載力。20世紀(jì)70 年代初，日本學(xué)者池谷光榮最早搭建了電液式直線模擬加載系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，模擬加載系統(tǒng)主要由承載系統(tǒng)與加載系統(tǒng)兩部分組成。

圖2 電液伺服加載系統(tǒng)控制原理框圖Fig.2 Control principle block diagram of electrohydraulic servo loading system

工作原理為承載系統(tǒng)通過位移傳感器來檢測位移信號，將位移信號發(fā)送給系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)位移的閉環(huán)控制。加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)位置、速度及壓差反饋，壓差反饋主要通過兩個壓力傳感器分別采集加載液壓缸的兩工作腔的油壓，并通過運(yùn)算器計(jì)算兩工作腔的壓差，將壓差作為反饋信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給控制器，控制器信號處理后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出給加載伺服閥，以此代替力傳感器形成力閉環(huán)控制。此類模擬加載系統(tǒng)的發(fā)明開啟了被動加載方式的新紀(jì)元，隨后各國相繼研制了電液式直線模擬加載技術(shù)。

20 世紀(jì)八九十年代，美國CARCO 公司研制了S105 系列四軸空氣動力電液式直線負(fù)載模擬器［3］，首次應(yīng)用到導(dǎo)彈舵機(jī)測試中，保證了美國航空航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展。瑞士CONTRAVES 公司研發(fā)的ADFL-2 型導(dǎo)彈舵面電液式直線模擬加載試驗(yàn)臺，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬該型導(dǎo)彈所受的空氣動力。2004 年，韓國釜山大學(xué)研制的一套無閥控電液式直線負(fù)載模擬器（如圖3 所示），由伺服電機(jī)帶動液壓泵直驅(qū)液壓缸，輸出力的范圍可達(dá)±5 000 N，該系統(tǒng)主要對低頻率、大載荷的對象提供模擬加載［4］。此外，意大利、德國、澳大利亞等國家也在電液式直線模擬加載技術(shù)方面取得一定研究成果。

圖3 電液式直線負(fù)載模擬器原理圖Fig.3 Schematic diagram of electro hydraulic linear load simulator

我國電液式直線模擬加載技術(shù)發(fā)展起步較晚，20 世紀(jì)80 年代末才開始有對直線模擬加載技術(shù)的相關(guān)研究。1989 年，洛陽014 中心自主研發(fā)了一臺應(yīng)用于導(dǎo)彈空氣動力舵機(jī)的電液式直線負(fù)載模擬器［5］，該負(fù)載模擬器的加載系統(tǒng)由一對液壓缸對舵機(jī)進(jìn)行加載，系統(tǒng)通過壓力流量伺服閥控制兩個加載液壓缸，使得兩個液壓缸運(yùn)動方向始終相反，可有效抑制多余力。2000 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一套舵機(jī)電液式直線模擬加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括力加載系統(tǒng)、慣性加載系統(tǒng)及舵機(jī)系統(tǒng)［6］。2012 年，西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了電液式直線負(fù)載模擬器，并對其進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。2014 年，遼寧工業(yè)大學(xué)研制了直線舵機(jī)電液伺服加載系統(tǒng)［7］，模擬飛機(jī)舵機(jī)工作中的空氣阻力載荷譜。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電液式直線負(fù)載模擬器也得到快速發(fā)展，北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國航天二院17 所等都對電液式直線負(fù)載模擬器發(fā)展作出很大貢獻(xiàn)。

由于電液式直線模擬加載技術(shù)具有工作頻帶高、輸出能力強(qiáng)、功率質(zhì)量比大及易于與電氣控制相結(jié)合等特點(diǎn)，常應(yīng)用于大回路仿真，所以成為直線模擬加載技術(shù)的首選方案。目前，國內(nèi)外廣泛將電液式直線模擬加載技術(shù)應(yīng)用于模擬各類飛行器運(yùn)動時舵機(jī)及起落架表面所受的空氣負(fù)載力，以考核產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)能否達(dá)到使用要求。

電液式直線模擬加載技術(shù)應(yīng)用于模擬各類飛行器舵機(jī)的空氣負(fù)載力。中國民航大學(xué)采用雙液壓缸同步加載技術(shù)，研究了飛機(jī)舵機(jī)電液式直線負(fù)載模擬器［8］，如圖4 所示。雙液壓缸同步加載原理是將兩個伺服閥控液壓缸并聯(lián)，同時對一個舵機(jī)進(jìn)行加載。加載系統(tǒng)采用完全相同的兩套閥控液壓缸，因此，輸出加載力比單套液壓缸加載系統(tǒng)增大約1 倍，技術(shù)難點(diǎn)在于隨著負(fù)載增大，易出現(xiàn)液壓缸不同步問題。

圖4 雙液壓缸同步控制液壓系統(tǒng)Fig.4 Dual hydraulic cylinders synchronous control hydraulic system

電液式直線模擬加載技術(shù)用于模擬飛機(jī)起落架表面所受的空氣負(fù)載力。2004 年，西北工業(yè)大學(xué)采用電液式直線負(fù)載模擬器模擬起落架氣動負(fù)載力［9］。飛機(jī)起落架在收起前將受到氣動負(fù)載力影響，針對負(fù)載力非線性特點(diǎn)采用反饋線性化將其變?yōu)榭煽鼐€性系統(tǒng)。模擬加載系統(tǒng)采用電液伺服系統(tǒng)模擬起落架的氣動負(fù)載力，控制原理如圖5所示。

圖5 起落架系統(tǒng)控制原理框圖Fig.5 Control principle block diagram of landing gear system

電液伺服系統(tǒng)主要通過反饋線性化得到目標(biāo)氣動負(fù)載力，并與反饋的實(shí)際負(fù)載力比較，得出誤差信號，轉(zhuǎn)換成液壓信號，通過閥控作動器將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)電液式直線負(fù)載模擬。

電液式直線模擬加載技術(shù)雖然具有工作頻帶高、輸出能力強(qiáng)、功率質(zhì)量比大及易于與電氣控制相結(jié)合等特點(diǎn)，目前在直線負(fù)載模擬器中占主導(dǎo)地位，常應(yīng)用于加載力大且精度要求不高的場合。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易漏油、維護(hù)成本較高，且需要油泵或液壓站等輔助設(shè)施。當(dāng)加載力較小時，系統(tǒng)加載精度較低，因此，不適合在中小載荷系統(tǒng)中應(yīng)用。

3 電動式直線模擬加載系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制策略的發(fā)展，以及機(jī)械式與電液式直線負(fù)載模擬器存在加載精度低等問題，20 世紀(jì)70 年代末進(jìn)入電動伺服控制技術(shù)時期，電動式直線負(fù)載模擬器應(yīng)運(yùn)而生。該類型負(fù)載模擬器采用直驅(qū)電機(jī)取代液壓缸來實(shí)現(xiàn)對被測對象的加載，系統(tǒng)主要包括直線加載電機(jī)、直線承載電機(jī)、力傳感器、位移傳感器、控制器及驅(qū)動器組成，該系統(tǒng)是典型的被動式力控制系統(tǒng)。力加載系統(tǒng)工作原理如圖6 所示，加載電機(jī)動子、力傳感器通過連接軸與承載電機(jī)剛性連接，試驗(yàn)時，加載電機(jī)被動地跟隨承載電機(jī)共同運(yùn)動，并對后者產(chǎn)生模擬加載力。加載系統(tǒng)通過控制器控制加載電機(jī)的輸出力，承載系統(tǒng)所受的模擬力通過力傳感器再反饋給控制器，形成力閉環(huán)控制。承載電機(jī)的位移信號也反饋給控制器，形成位移閉環(huán)控制。

圖6 電動伺服加載系統(tǒng)控制原理框圖Fig.6 Control principle block diagram of electric servo loading system

2001 年，TEMLTAS 研究了某型機(jī)器人手臂的非線性電動式直線模擬加載技術(shù)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，利用兩臺直驅(qū)電機(jī)模擬關(guān)節(jié)受力情況［10］。2004年，荷蘭FCS 公司研制了E-Cue660 型電動式直線負(fù)載模擬器，最大加載力可達(dá)140 kN［11-12］。國內(nèi)電動式直線模擬加載技術(shù)發(fā)展起步較晚，但發(fā)展迅速。2003 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制與仿真中心為北京航天三院制造出ET04B 電動式直線負(fù)載模擬器［13］。2008 年，西北工業(yè)大學(xué)提出一種某型電動直線舵機(jī)加載系統(tǒng)［14］，舵機(jī)可完成12～18 mm 直線運(yùn)動，最大加載力可達(dá)100 N。2009 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔鐵錚等［15］研制了一套雙通道直線舵機(jī)加載系統(tǒng)，可同時對兩臺不同型號的舵機(jī)進(jìn)行電動式直線加載。2016 年，南京理工大學(xué)研制出一種電動式直線負(fù)載模擬器［16］，成功應(yīng)用于模擬汽車發(fā)動機(jī)的氣門的負(fù)載力。

由于電動式直線負(fù)載模擬器比機(jī)械式或電液式直線負(fù)載模擬器加載精度高、跟蹤能力強(qiáng)、加載分辨率高，因此，常用于航空航天領(lǐng)域，用于模擬工作中小型飛行器的舵機(jī)、姿軌控發(fā)動機(jī)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥所受的氣動負(fù)載力。

電動式直線負(fù)載模擬器廣泛應(yīng)用于模擬小型飛行器的舵機(jī)在工作狀態(tài)下所受的氣動負(fù)載阻力。2017 年，湖北工業(yè)大學(xué)研究了電動直線負(fù)載模擬器模擬直線舵機(jī)所受的氣動負(fù)載阻力［17］。該系統(tǒng)是典型的被動式力控制系統(tǒng)，力加載系統(tǒng)原理如圖7所示，直線電機(jī)通過力傳感器對舵機(jī)輸出直線加載力。系統(tǒng)對直線電機(jī)部分進(jìn)行力閉環(huán)控制，可以較精確地模擬舵機(jī)工作過程中的氣動負(fù)載阻力，對舵機(jī)部分進(jìn)行位移閉環(huán)控制，模擬舵機(jī)正常工作時的運(yùn)動狀態(tài)。

圖7 力加載系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of force loading system

當(dāng)舵機(jī)加載頻率達(dá)到10 Hz 時，直線伺服液壓缸難以實(shí)現(xiàn)加載，而擺桿和凸輪機(jī)構(gòu)可在高頻率下實(shí)現(xiàn)力加載。2010 年，西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種某型氣動舵機(jī)的電動式直線負(fù)載模擬器［18］，采用擺桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。舵機(jī)加載測試系統(tǒng)是由力矩電機(jī)、彈簧桿、力矩傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和擺桿5部分組成，其安裝示意圖如圖8所示。

圖8 舵機(jī)加載測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural diagram of servo loading test system

為了克服慣性摩擦轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩，達(dá)到對輸出轉(zhuǎn)矩的精確控制，常采用雙閉環(huán)控制方案，即外環(huán)為力環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的實(shí)時控制，有利于減小電機(jī)的波動力。RADHAKRISHNAN 等［19］研究的沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由永磁同步電機(jī)、凸輪、滾子、頂桿及脈沖發(fā)生器組成，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示，沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)采用頂桿機(jī)構(gòu)將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，進(jìn)而對工作臺上的對象輸出沖擊加載力，廣泛用于國內(nèi)外槍炮及航天飛行器關(guān)鍵部件的壽命試驗(yàn)。

圖9 沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.9 Structural diagram of impact fatigue testing machine

電動缸相較于液壓缸、氣缸，具有控制精度高、維護(hù)工作量小及環(huán)節(jié)污染小等優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的場合中得到應(yīng)用。目前，國際上生產(chǎn)電動缸比較知名的公司有美國的Exlar、Danaher Motion，丹麥的Linak，日本的Cosmic 以及德國的Bosch，其中Exlar公司在采用滾珠絲杠驅(qū)動電動缸方面做得十分出色［20］。由于電動缸的良好控制優(yōu)勢，2018 年燕山大學(xué)研究了一套電動缸載荷系統(tǒng)（如圖10 所示），該系統(tǒng)通過自抗擾控制器可準(zhǔn)確模擬極端條件下載荷譜要求，實(shí)現(xiàn)在極端條件下載荷譜精確控制，可對航空飛行器中關(guān)鍵部件的性能和壽命進(jìn)行試驗(yàn)與評價［21］。

圖10 電動缸載荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.10 Structural diagram of load system of electric cylinder

電動式直線模擬加載技術(shù)常應(yīng)用于姿軌控發(fā)動機(jī)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥方面。姿軌控發(fā)動機(jī)主要是給火箭、導(dǎo)彈彈頭及各類航天器的調(diào)姿、變軌、對接提供動力。燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥作為姿軌控發(fā)動機(jī)的重要組成部分，工作環(huán)境中存在氣動負(fù)載阻力的影響，本課題組自行研制出一套四通道電動式直線負(fù)載模擬器，能夠同時對四路燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥進(jìn)行模擬加載，其單路模擬加載系統(tǒng)控制原理如圖11 所示。

圖11 電動式直線模擬加載系統(tǒng)控制原理框圖Fig.11 Control block diagram of electric linear analog loading system

燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥模擬加載系統(tǒng)主要由燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、DSP 控制器、信號調(diào)理單元、電磁直線負(fù)載模擬器、力傳感器及上位機(jī)組成。燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥作為承載對象，通過連接軸力傳感器及電磁直線執(zhí)行器剛性連接在一起。當(dāng)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥按照預(yù)定曲線運(yùn)動時，電磁直線負(fù)載模擬器通過軸被動跟隨燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥共同運(yùn)動，對位移進(jìn)行了被動跟隨?？刂破鞲鶕?jù)采集到的燃燒室壓強(qiáng)信號及燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的位移信號確定目標(biāo)加載力，采集實(shí)際輸出力與目標(biāo)加載力進(jìn)行比較，通過智能算法進(jìn)行計(jì)算。功率驅(qū)動模塊將接收的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號轉(zhuǎn)為大的電流信號輸出給電磁直線負(fù)載模擬器，從而將輸出的電磁力主動加載到燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥上，進(jìn)而模擬輸出氣動負(fù)載力特性。

電動式直線模擬加載技術(shù)適用于工作在載荷不大場合，并且具有加載精度高、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、便于維護(hù)、體積小及無污染等優(yōu)勢，適合在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行半實(shí)物仿真。但在高速度和大力載荷場合，設(shè)備可能因設(shè)計(jì)指標(biāo)要求需較大的轉(zhuǎn)動慣量，導(dǎo)致直線負(fù)載模擬器的加載精度降低。因此，電動式直線負(fù)載模擬器常應(yīng)用在加載載荷不大、精度高及響應(yīng)快的場合。

4 關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢分析

4.1 直線模擬加載系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

直線模擬加載技術(shù)主要分為機(jī)械式、電液式和電動式3 類。機(jī)械式直線模擬加載技術(shù)只能進(jìn)行恒定力加載，無法進(jìn)行任意力及變力加載，在航空航天領(lǐng)域逐步被電液式、電動式直線模擬加載技術(shù)取代。因此，本文主要討論電液式、電動式直線負(fù)載模擬器關(guān)鍵技術(shù)，這兩類負(fù)載模擬器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括4 個方面［22］：

1）無擾加載時要能滿足性能指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際工作要求，電液式、電動式直線負(fù)載模擬器在無擾跟蹤情況下需滿足雙十指標(biāo)，即在系統(tǒng)最高工作頻率下輸出力相角誤差不大于10°，幅值誤差不超過10%。使得系統(tǒng)頻域特性在低頻段中平坦，從而保證系統(tǒng)能夠精確跟蹤載荷譜。

2）動態(tài)加載時能有效抑制多余力。電液式、電動式直線負(fù)載模擬器是一種被動式力伺服控制系統(tǒng)，因此，存在難以消除多余力的問題。原因是承載對象會按照位置指令進(jìn)行運(yùn)動，負(fù)載模擬器與承載對象一般通過軸剛性連接，負(fù)載模擬器處于被動加載方式下，承載對象必然對負(fù)載模擬器產(chǎn)生強(qiáng)位置干擾，進(jìn)而產(chǎn)生多余力。相關(guān)試驗(yàn)表明，多余力會降低系統(tǒng)加載精度，降低系統(tǒng)加載穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響其正常工作，因此，必須進(jìn)行有效抑制。

3）動態(tài)加載時具有高精確性。直線負(fù)載模擬器的加載力函數(shù)是任意的函數(shù)，能精確地復(fù)現(xiàn)加載力函數(shù)，則加載系統(tǒng)應(yīng)為高階無靜差系統(tǒng)。但負(fù)載模擬器工作時存在多余力，以及多余力的微分特性使得加載系統(tǒng)在承載對象高頻運(yùn)動時，難以實(shí)現(xiàn)高階無靜差加載。因此，要精確地實(shí)現(xiàn)動態(tài)加載，需要有效抑制多余力。

4）控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性。直線負(fù)載模擬器的承載對象可能是飛行器的舵機(jī)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥閥芯及飛機(jī)起落架等，不同的承載對象可能導(dǎo)致加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)控制性能發(fā)生變化，特別是導(dǎo)致多余力補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)的參數(shù)變化，因此，必須使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

在承載對象有運(yùn)動擾動情況下，電液式、電動式直線負(fù)載模擬器受到多余力的嚴(yán)重影響，使控制變得困難。因此，需要最大限度地抑制多余力，提高精確加載的控制性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者在研究直線負(fù)載模擬器時，都從抑制多余力入手，提出許多行之有效的方法，主要分為兩大類：第一類是對硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法，通過改變系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)或改變局部連接方式抑制多余力，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上削弱多余力；第二類是對軟件控制策略進(jìn)行改進(jìn)，即控制補(bǔ)償法，該方法是從控制策略上出發(fā)，在軟件控制程序中采用高級或混合的智能補(bǔ)償算法對多余力進(jìn)行抑制［23］。

結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法一般適用于電液式直線負(fù)載模擬器，常用的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法有：1）安裝連通孔［24］，如圖12（a）所示。在伺服閥兩個油腔間通過連通孔，減弱因流量變化導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力變化，使得多余力減小。2）蓄壓器校正［25］，如圖12（b）所示。加載液壓缸的兩工作腔各連接一個蓄壓器，當(dāng)工作腔內(nèi)壓力升高時，蓄壓器可以吸收部分壓力，當(dāng)工作腔內(nèi)壓力下降時，蓄壓器可以釋放存儲的壓力，吸收承載系統(tǒng)對加載系統(tǒng)的強(qiáng)迫流量，抑制多余力。3）反向同步補(bǔ)償［26］，如圖12（c）所示。在加載與補(bǔ)償液壓缸之間加入一套動力裝置，使得兩個液壓缸的位移X1和X2大小相等，方向相反，進(jìn)而加載液壓缸引起的強(qiáng)迫流量被補(bǔ)償液壓缸吸收，抑制了多余力。4）緩沖彈簧校正［27］，如圖12（d）所示。在加載液壓馬達(dá)和承載系統(tǒng)間加一個緩沖彈簧，通過彈簧吸收掉一部分沖擊，強(qiáng)迫流量在低頻段出現(xiàn)衰減，從而抑制多余力。5）位置同步補(bǔ)償［28］，如圖12（e）所示。在加載液壓馬達(dá)后加一個同步液壓馬達(dá)，前者負(fù)責(zé)輸出加載力，后者補(bǔ)償位置變化，抑制多余力。6）雙閥流量補(bǔ)償，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)前增加一個流量閥，其與液壓缸伺服閥并聯(lián)，在加載伺服閥引起強(qiáng)迫流量時，流量閥可將強(qiáng)迫流量轉(zhuǎn)移至另一工作腔，從而抑制多余力。

圖12 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法原理圖Fig.12 Schematic diagram of structural compensation method

從軟件控制策略抑制多余力，也稱控制補(bǔ)償法。對于電液式、電動式直線負(fù)載模擬器，一般選擇控制補(bǔ)償法抑制多余力，常用的抑制方法主要有：1）結(jié)構(gòu)不變性原理［29-30］，又稱為速度同步補(bǔ)償法，如圖13（a）所示。通過對位移干擾量進(jìn)行觀測，根據(jù)觀測到的干擾規(guī)律設(shè)置合理的前饋補(bǔ)償器，使用控制器消除干擾，從而抑制多余力。2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［31］，如圖13（b）所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能，在解決非線性問題方面具有很大優(yōu)勢，它將位置干擾作為輸入，以目標(biāo)力與輸出力誤差最小為目標(biāo)，達(dá)到消除多余力作用。3）位置輔助同步補(bǔ)償［32］，將承載系統(tǒng)位置引入到加載系統(tǒng)，使兩系統(tǒng)一同運(yùn)動，消除位置干擾，使加載系統(tǒng)近似于處于靜態(tài)加載狀態(tài)，進(jìn)而消除多余力。4）開?閉環(huán)統(tǒng)一性理論［33］，利用先開環(huán)后閉環(huán)控制，誤差較大時利用開環(huán)控制快速縮小誤差，誤差較小時自動進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)。5）多變量解耦控制［34］，將加載系統(tǒng)和承載系統(tǒng)看成多變量系統(tǒng)，分別取承載系統(tǒng)和加載系統(tǒng)的輸入信號為兩個輸入量，輸出作為系統(tǒng)的兩個輸出量。通過選擇適當(dāng)?shù)慕怦羁刂破?，達(dá)到抑制多余力，但解耦控制器較復(fù)雜，完全實(shí)現(xiàn)解耦困難。6）混合控制方法［35］，包括滑模變結(jié)構(gòu)控制器部分、定常補(bǔ)償部分和前向校正部分，其中，滑模變結(jié)構(gòu)控制器作用是保證加載的快速性和魯棒性，定常補(bǔ)償部分主要用來抑制多余力產(chǎn)生。所有抑制多余力控制策略中應(yīng)用最普遍的是結(jié)構(gòu)不變性原理，又稱為速度同步補(bǔ)償法，由北京航空航天大學(xué)自動控制系提出，該方法某公司將該方法應(yīng)用于3-4FM 型導(dǎo)彈氣動負(fù)載仿真臺上［36］。

結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法的穩(wěn)定性高，但會增加系統(tǒng)復(fù)雜性及成本，通用性差，且會犧牲系統(tǒng)控制性能，使響應(yīng)變差，所以應(yīng)用上受到很大限制。而控制補(bǔ)償法采用智能補(bǔ)償算法對多余力進(jìn)行抑制，具有成本低、便于調(diào)試、靈活性高等優(yōu)勢，但需建立復(fù)雜準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。綜合兩類方法優(yōu)缺點(diǎn)，控制補(bǔ)償法已成為直線負(fù)載模擬仿真臺系統(tǒng)抑制多余力的主要方法。控制補(bǔ)償方法多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)外把焦點(diǎn)集中在復(fù)合控制方面，即經(jīng)典PID控制與現(xiàn)代控制理論結(jié)合，PID 控制具有使用簡單、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代控制理論適用于非線性、時變系統(tǒng)，還具有自學(xué)習(xí)、參數(shù)自調(diào)整及自適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。兩者相結(jié)合，可取長補(bǔ)短，在航空航天領(lǐng)域，加載系統(tǒng)實(shí)時性要求高，復(fù)合控制可顯著提升負(fù)載模擬精度［37］。

4.2 直線模擬加載系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

三類直線負(fù)載模擬器各有優(yōu)弊，且應(yīng)用場合不同，見表1。早在20 世紀(jì)50 年代，機(jī)械式直線負(fù)載模擬器就已出現(xiàn)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單且不會產(chǎn)生多余力等優(yōu)點(diǎn)，但存在無法進(jìn)行任意力及變力加載的問題，應(yīng)用場合不多。在70 年代初，池谷光榮研制了電液式直線負(fù)載模擬器，具有工作頻帶高、輸出能力強(qiáng)等特點(diǎn)，常應(yīng)用于加載力大且精度要求不高的場合。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易漏油、維護(hù)成本較高，并且需輔助設(shè)施油泵或液壓泵，加載系統(tǒng)復(fù)雜。在70 年代末，由于電動伺服控制技術(shù)發(fā)展，電動式直線負(fù)載模擬器應(yīng)運(yùn)而生，其具有加載精度高、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、便于維護(hù)等優(yōu)勢，目前應(yīng)用越來越廣泛。但其輸出的加載力有限，適合應(yīng)用在加載精度高、中小載荷及響應(yīng)快的場合。

表1 各類直線負(fù)載模擬器的比較Tab.1 Comparisons of different load simulators

如今，電液式與電動式直線負(fù)載模擬器依據(jù)各自加載特點(diǎn)在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。從滿足加載指標(biāo)要求出發(fā)，直線負(fù)載模擬器的發(fā)展趨勢主要有以下3 個方面。

1）提高直線負(fù)載模擬器的加載精度。隨著航空航天、國防、武器裝備等領(lǐng)域的發(fā)展，對飛行器的穩(wěn)定性、快速性及可靠性要求越來越高，因此，對飛行器系統(tǒng)重要組成部件舵機(jī)性能要求也變高。直線負(fù)載模擬器作為對舵機(jī)進(jìn)行模擬加載的重要設(shè)備，需要提高其加載精度，以滿足高性能飛行器的要求。

2）增大直線負(fù)載模擬器的加載梯度。隨著飛行器的不斷發(fā)展，其外形尺寸越來越大，行駛速度越來越快，因此，舵機(jī)、起落架等設(shè)備所受的空氣阻力也呈現(xiàn)增大趨勢。這就迫使直線負(fù)載模擬器要有更高的加載能力，增大加載梯度是直線負(fù)載模擬器的一種發(fā)展趨勢。

3）發(fā)展電動式直線負(fù)載模擬器。近年來，隨著直線電機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制策略逐漸成熟，以及各領(lǐng)域?qū)虞d精度要求的不斷提高，電動式直線負(fù)載模擬器應(yīng)運(yùn)而生。電動式直線負(fù)載模擬器還具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、維護(hù)方便、體積小、無污染和泄漏問題等優(yōu)勢，因此，能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。在加載精度高、載荷不大及系統(tǒng)響應(yīng)快的場合中，電動式直線負(fù)載模擬器將成為一種發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

本文對國內(nèi)外直線模擬加載技術(shù)進(jìn)行了綜述。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，直線模擬加載技術(shù)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭及飛機(jī)等航空航天器件的研發(fā)過程中，可大幅降低測試成本，縮短研制周期，保證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，成為地面半實(shí)物仿真必不可少的重要試驗(yàn)系統(tǒng)。電動式直線模擬加載系統(tǒng)以高精度、快響應(yīng)、低成本的優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外模擬加載系統(tǒng)研究新的發(fā)展方向，對各類飛行器的研究與發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值與現(xiàn)實(shí)意義。