风洞模型支撑装置的作用是对飞行器模型进行支撑与位姿调整,以实现飞行器气动性能参数的准确测量,是风洞试验的核心组成部分。本文所设计的三自由度模型支撑装置能够适用于高速重载工况,并且可以在旋转中心固定时实现俯仰、偏航以及轴向运动控制。本文首先分析了风洞多自由度模型支撑装置研制的重要意义,调研了国内外多自由度模型支撑装置在结构与运动机理等方面的研究现状与不足。根据技术需求,对比预先设计的三种模型支撑装置的优缺点并确定机构方案,完成了机械本体,包括基座、偏航、俯仰、轴向和锁紧机构等各模块的结构设计。本文对装置所受气动载荷进行受力分析与建模,并使用ANSYS软件对装置在最大冲击载荷作用下的九种极限位姿进行了静力学分析,验证了结构强度的安全性;同时使用ADAMS软件对典型的六种运动工况进行动力学仿真,验证了运动载荷分析的正确性。本文根据装置的运动学及动力学特性,使用MATLAB软件对机构运动姿态角与液压缸驱动位移、驱动力之间的函数关系进行建模分析,完成了三自由度液压缸的计算选型,并对液压缸活塞杆的稳定性和强度进行了计算验证。本文完成了液压驱动系统的原理图绘制,并对油源系统、执行机构驱动系统、锁紧机构驱动系统、冷却系统和油液监测系统等各个功能模块进行了优化设计,同时对液压控制元件、液压动力元件以及液压辅助元件等进行了计算与选型。本文完成了运动控制系统、油源控制系统、健康管理系统等控制子系统的方案设计,包括关键硬件选型、控制器IO分配、控制系统软件结构设计等。相比于纯PID控制算法,本文通过对比分析与仿真,证明了前馈+PID控制算法在液压伺服控制中的优越性;并采用梯形速度规划结合滑动平均滤波算法实现了变台阶运动和连续变姿态角运动的S型轨迹规划。结合机械本体与液压驱动模块、轨迹规划模块、控制算法模块、风洞气动载荷加载模块等,本文搭建了基于Matlab/Simscape的机电液一体化物理闭环控制仿真系统,实现了模型支撑装置的高速控制以及动态精度优于±0.05°的精确控制。最后,本文使用QT上位机开发软件对测控系统的用户登录界面、健康管理界面、油源监测界面、运动控制界面,以及三维实时仿真子系统进行了设计、编程与测试验证。