【摘要】：當(dāng)前國際形勢下,人類面臨著形式多樣的核生化威脅,核生化武器和核生化事故都可能給我們的生活帶來致命的傷害。以洗消為代表的核生化防護(hù)任務(wù)也從軍事目標(biāo)向多樣化和更大范圍擴(kuò)展。洗消裝備的主要任務(wù)就是在核生化戰(zhàn)爭條件下,對受染的作戰(zhàn)人員、武器裝備等實(shí)施及時(shí)有效的洗消措施,以保障生存,維持作戰(zhàn),及時(shí)恢復(fù)部隊(duì)人員和武器裝備的戰(zhàn)斗力;在發(fā)生重大核化事故、核生化恐怖活動(dòng)及自然災(zāi)害情況下,能及時(shí)消除污染,保障群眾生命安全。作為核生化條件下保障和救援的關(guān)鍵一環(huán),洗消裝備對防止污染擴(kuò)散、減少沾染率和降低死亡率等方面起到至關(guān)重要的作用。洗消裝備的作業(yè)能力和自動(dòng)化水平對保障我國核生化防護(hù)安全具有重要作用,也是目前亟待解決的問題之一。針對核生化戰(zhàn)場環(huán)境下坦克、車輛等裝備的自動(dòng)化快速洗消作業(yè)需求,要求洗消裝備能夠隨時(shí)隨地快速展開完成洗消作業(yè)任務(wù),同時(shí)具有自動(dòng)化作業(yè)和完成大批量洗消任務(wù)的能力。為此,本文對新型自動(dòng)龍門式洗消機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模、軌跡控制及洗消作業(yè)先進(jìn)控制方法進(jìn)行了研究,主要開展了以下幾部分的研究工作:1、設(shè)計(jì)一款全新的、能夠適用于洗消作業(yè)的車載自動(dòng)化洗消機(jī)械臂�；诤松瘧�(zhàn)場環(huán)境下車輛裝備等大型目標(biāo)物的自動(dòng)化快速洗消作業(yè)需求,設(shè)計(jì)了符合車載越野和大尺寸精確洗消要求的新型自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂,該機(jī)械臂具有五自由度串聯(lián)機(jī)械臂和二自由度的終端執(zhí)行結(jié)構(gòu),采用電液伺服形式驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)合理,穩(wěn)定可靠,為新型洗消裝備的研制奠定基礎(chǔ)。2、對設(shè)計(jì)的自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂進(jìn)行了機(jī)理分析和建模。首先采用D-H法建立自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂的簡易坐標(biāo)關(guān)系和各自由度關(guān)節(jié)參數(shù),使用MATLAB工具箱構(gòu)建自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,建立運(yùn)動(dòng)齊次矩陣并采用蒙特卡洛法獲取并分析自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂的工作空間,最后采用幾何法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型的方法分別建立了多自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制時(shí)逆運(yùn)動(dòng)模型。對其電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析,并以傳遞函數(shù)形式建立動(dòng)態(tài)模型,通過仿真分析驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)模型的有效性。3、開展了基于預(yù)測控制方法的自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂軌跡控制方法研究。根據(jù)已完成的自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂硬件設(shè)計(jì)和電液伺服驅(qū)動(dòng)聯(lián)合模型,開發(fā)并應(yīng)用新型串級(jí)預(yù)測控制算法,設(shè)計(jì)了基于預(yù)測控制的軌跡跟蹤控制方法,輸出一條優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電液伺服系統(tǒng)的參考軌跡,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂末端軌跡跟蹤控制的需求。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,建造的自動(dòng)龍門洗消機(jī)械臂能按工作流程要求完成勻速直線運(yùn)動(dòng),結(jié)合上裝洗消藥劑調(diào)制單元和搭載的終端分散管路,可滿足坦克、卡車等大型武器裝備的自動(dòng)化快速洗消需求。4、設(shè)計(jì)并開發(fā)基于特殊塊結(jié)構(gòu)非線性Hammerstein模型的兩步法非線性預(yù)測控制算法(NLHMPC)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測控制算法(NNMPC)。根據(jù)洗消過程控制對象特點(diǎn)并結(jié)合Hammerstein模型,分別辨識(shí)了過程整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和靜態(tài)非線性部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型,在此基礎(chǔ)上建立了NNMPC整體控制策略和NLHMPC兩步法控制策略。相比于PID控制方法,建立的兩種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測控制策略均具有良好的設(shè)定值跟蹤和抗干擾控制響應(yīng),是非線性過程系統(tǒng)的有效控制方法,能較好的解決洗消劑生產(chǎn)、洗消廢水處理和化學(xué)毒劑洗消作業(yè)等過程中遇到的非線性控制難題。
【圖文】：

[6]。圖1.1 某型洗消裝備作業(yè)圖1.1.2 問題提出雖然經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，目前裝備洗消已有一定成績和突破，但面對復(fù)雜的核生化安全形勢和國民生產(chǎn)安全的保障需求，在洗消裝備和技術(shù)的研究中可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行提升。1.1.2.1 多樣化洗消洗消裝備擔(dān)負(fù)著全軍武器裝備和人員的洗消任務(wù)，在新形勢下，防化兵所擔(dān)負(fù)的洗消任務(wù)從傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭洗消保障延伸到反恐控暴、國內(nèi)維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、國際維和、國家維權(quán)、邊境處突等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)任務(wù)；洗消范圍從傳統(tǒng)的作戰(zhàn)人員、武器裝備、重點(diǎn)地域（如機(jī)場、港口）擴(kuò)展到人民群眾、物資設(shè)施、公共場所（如地鐵、劇院）等更加廣泛的領(lǐng)域。洗消的內(nèi)涵發(fā)生了深刻的變化，洗消裝備的任務(wù)需求日趨多樣化，，具有多樣化的洗消需求和作業(yè)形式。根據(jù)不同的洗消任務(wù)，國內(nèi)外研究人員開發(fā)出了多種多樣的洗消裝備形式，從簡單的吹掃、擦拭到小型的背負(fù)式洗消器、手持式熱風(fēng)槍，再到中大型推車式洗消器、車載洗消裝備、機(jī)載洗消裝備等配備的噴嘴、水槍、水炮、氣霧發(fā)生等

圖1.2 TEP 90集裝箱式洗消系統(tǒng)我國也形成了系列化的噴灑車等洗消裝備，如圖 1.3 中現(xiàn)有洗消裝備分別采用了水槍和手動(dòng)龍門等方式對車輛等被消對象進(jìn)行洗消，但針對車輛等的自動(dòng)化快速洗消需求，為避免駕駛員由于視線模糊導(dǎo)致駕駛意外發(fā)生等情況，有必要研制自動(dòng)化洗消裝置。圖1.3 我國現(xiàn)有洗消裝備示例1.2.2 機(jī)械臂研究現(xiàn)狀
【學(xué)位授予單位】：軍事科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TJ99

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本文編號(hào)：2615536