【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任務(wù)也從軍事目標(biāo)向多樣化和更大范圍擴展。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、武器裝備等實施及時有效的洗消措施,以保障生存,維持作戰(zhàn),及時恢復(fù)部隊人員和武器裝備的戰(zhàn)斗力;在發(fā)生重大核化事故、核生化恐怖活動及自然災(zāi)害情況下,能及時消除污染,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)能力和自動化水平對保障我國核生化防護安全具有重要作用,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、車輛等裝備的自動化快速洗消作業(yè)需求,要求洗消裝備能夠隨時隨地快速展開完成洗消作業(yè)任務(wù),同時具有自動化作業(yè)和完成大批量洗消任務(wù)的能力。為此,本文對新型自動龍門式洗消機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模、軌跡控制及洗消作業(yè)先進控制方法進行了研究,主要開展了以下幾部分的研究工作:1、設(shè)計一款全新的、能夠適用于洗消作業(yè)的車載自動化洗消機械臂。基于核生化戰(zhàn)場環(huán)境下車輛裝備等大型目標(biāo)物的自動化快速洗消作業(yè)需求,設(shè)計了符合車載越野和大尺寸精確洗消要求的新型自動龍門洗消機械臂,該機械臂具有五自由度串聯(lián)機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,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)計的自動龍門洗消機械臂進行了機理分析和建模。首先采用D-H法建立自動龍門洗消機械臂的簡易坐標(biāo)關(guān)系和各自由度關(guān)節(jié)參數(shù),使用MATLAB工具箱構(gòu)建自動龍門洗消機械臂的正運動學(xué)模型,建立運動齊次矩陣并采用蒙特卡洛法獲取并分析自動龍門洗消機械臂的工作空間,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)合運動控制時逆運動模型。對其電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特性進行分析,并以傳遞函數(shù)形式建立動態(tài)模型,通過仿真分析驗證了動態(tài)模型的有效性。3、開展了基于預(yù)測控制方法的自動龍門洗消機械臂軌跡控制方法研究。根據(jù)已完成的自動龍門洗消機械臂硬件設(shè)計和電液伺服驅(qū)動聯(lián)合模型,開發(fā)并應(yīng)用新型串級預(yù)測控制算法,設(shè)計了基于預(yù)測控制的軌跡跟蹤控制方法,輸出一條優(yōu)化的驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的參考軌跡,實現(xiàn)自動龍門洗消機械臂末端軌跡跟蹤控制的需求。運動學(xué)仿真實驗結(jié)果表明,建造的自動龍門洗消機械臂能按工作流程要求完成勻速直線運動,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化快速洗消需求。4、設(shè)計并開發(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并結(jié)合Hammerstein模型,分別辨識了過程整體動態(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方面進行提升。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)爭軍事行動任務(wù)；洗消范圍從傳統(tǒng)的作戰(zhàn)人員、武器裝備、重點地域（如機場、港口）擴展到人民群眾、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龍門等方式對車輛等被消對象進行洗消，但針對車輛等的自動化快速洗消需求，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，有必要研制自動化洗消裝置。圖1.3 我國現(xiàn)有洗消裝備示例1.2.2 機械臂研究現(xiàn)狀
【學(xué)位授予單位】：軍事科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TJ99

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本文編號：2615536