全面、系统、准确的地面半物理运动模拟试验是确保航天工程、国民经济重点型号首发成功的重要技术保障之一。为确保天宫一号与神州八号首次对接万无一失，载人航天工程要求：对接机构必须在地面完成空间对接全过程模拟试验。需解决的两个核心问题是： 一、运动系统频宽要高于自身一阶模态频率，确保对接动力学仿真过程的稳定性。 二、运动模拟系统要具有"百步穿杨"的姿态跟踪精度。以避免钩锁微小运动偏差所产生的应力导致对接机构损坏。 由于系统精度和频宽无法同时满足对接全过程试验要求，美国和前苏联虽然采用运动模拟和缓冲模拟两套系统进行空间对接模拟试验，仍然没能实现"拉回锁紧"这一关键对接过程。 对于舰艇核动力装备，5至7级海况和紧急升潜工况，对其安全性产生极大威胁。国军标150和730规定舰艇核心装备需完成最大摇摆角为±45°的全工况运动模拟试验。受运动系统极限角度限制，各国只能采用实训演练方式考核核潜艇在恶劣海况下的作战安全性，由于模拟试验工况不充分，可能引起毁灭性灾难。因此，大角度运动模拟试验技术是保障尖端装备安全性的重要手段之一。 综上所述，尖端装备的全工况运动模拟试验对运动系统提出了"一大、两高"，即大运动角度、高精度、高动态的严峻挑战。 受奇异性制约，国内外运动系统最大摇摆度仅为正负32度。超过32度，系统将在运动空间内发生奇异，导致其倾覆和被试装备损坏。经典运动系统设计方法已无法保障武器装备全工况运动模拟需求。 系统误差分析表明：运动系统的核心控制元件--大流量伺服阀的零位特性和非线性是制约运动系统精度的核心因素。由于高精度大流量伺服阀对我国禁运，立项之初我国没有能力研制大流量伺服阀，因此，必须突破核心液压控制元件技术瓶颈，解决其高精度难题，实现国产化。 武器装备运动模拟系统具有重载、大运动范围特点，其一阶模态频率低于6Hz与系统频宽大于12Hz之间存在极大矛盾。因此，突破一阶模态频率对系统频宽制约是实现高动态的关键。 以国家各重要工业领域高端需求为背景，在载人航天工程、国家支撑计划 、国家高新工程等重大专项支持下。对运动模拟系统的技术瓶颈及其解决方法进行了深入研究，取得突破性进展。 创新点1，"超大角度运动模拟器总体设计方法"。 本项目提出了"空间逆向回归设计方法"。在运动系统可达空间内，以雅克比矩阵条件数小于15为边界条件，通过运动学正解构造"可实现最大运动角度"的"极限工作空间曲面"。以"极限工作空间曲面"与"奇异区域"间安全裕度最大为目标，确定系统最大运动角度轨迹，达到±45度，突破了32°运动极限。摇摆角度临近45°时，一旦发生险情必须"悬崖勒马"。 本项目利用运动模拟系统结构特点和奇异发生时的拓扑，提出了基于位移和结构参数的奇异判断准则，定义了运动系统安全保护阈值，将奇异矩阵求解简化为代数方程运算，实现了奇异状态的实时预判。发明了具有末端油膜缓冲机能的高速锁紧阀，研制了大流量快速制动装置，缩短系统安全保护时间1个数量级。 通过上述技术手段，本项目创造性地解决了大角度运动模拟难题。 创新点2，大流量高精度电液伺服阀驱动与控制技术 根据阀口压力灵敏度远高于流量灵敏度特点，本项目提出了动态压力多参数协调检测制造工艺，通过测量各阀口微小开度时的动态压力特性，精准定位了阀口开度，消除了零位流量死区和增益不匹配问题。 针对微小流量附壁流存在随机性，使得零位流量不稳定；阀芯阀体间隙，引起零位流量非线性。发明了具有微激励和自适应非线性补偿功能的伺服阀数字控制器，消除了微小流量输出时的附壁流和零位流量非线性。 通过上述技术手段，本项目解决了伺服阀精度问题。成功研制出了具有自主知识产权的高精度大流量伺服阀，其精度优于0.1%，达到了国际先进水平。 创新点3，高动态大型重载运动模拟系统控制技术 本项目提出了伺服阀阀芯面积梯度与液压缸作用面积的匹配控制方法，消除了运动系统换向时压力突变引起的模态参数突变问题。建立了非对称动态压力补偿控制模型，解决了由于伺服阀流量压力特性导致模态参数受速度变化影响问题。实现了运动系统模态只是其位姿的函数。同时，基于运动系统刚度力学模型和模态空间与位姿空间的解析关系，实现了位姿空间的组合模态控制，大幅提升了系统刚度和阻尼。 通过上述技术手段，本项目突破了6Hz一阶模态对系统频宽限制，研制出频宽12Hz的大型重载装备六自由度运动模拟系统。 综上所述，项目组经过二十余年的艰苦攻关，开辟了运动模拟系统设计与控制的新途径，解决了液压核心基础元件"卡脖子"问题，实现了产品的系列化和产业化，引领了大功率液压驱动与控制和并联机构行业发展和科技进步。完成了一系列具有自主知识产权的大运动角度、高精度、高动态大型重载运动模拟系统，共授权发明专利11项、出版学术专著1部、研究成果在ASME等国际权威期刊发表百余篇学术论文（其中2篇被评为年度热点论文)，创造产值19.3亿元，取得了重大的军事、社会和经济效益。

哈尔滨工业大学

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