蒸汽發(fā)生器檢修機械手路徑規(guī)劃及控制方法研究.pdf

1、蒸汽發(fā)生器是核動力裝置中重要的連接樞紐設備，其安全穩(wěn)定性一直是人們所關(guān)心的問題。國內(nèi)外核電站的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，蒸汽發(fā)生器是核動力裝置中故障發(fā)生概率最高的設備之一。為了避免此類故障的發(fā)生，需要經(jīng)常對蒸汽發(fā)生器進行維修。由于其內(nèi)部放射性物質(zhì)的存在，操作人員不能直接對其進行檢修，而應需要采用機械手來完成該任務。因此，對此類機械手展開研制具有重要的實際意義。本文所研究的蒸汽發(fā)生器檢修機械手是應用于某項具體工程項目，文中針對該機械手的人工示教路徑、

2、自動路徑規(guī)劃以及關(guān)節(jié)控制等問題展開研究。
　　 首先，對機械手的運動學進行了分析，給出了逆運動學的求解方法；采用拉格朗日方程建立了完整的機械手動力學模型。同時對機械手的奇異性進行了分析與判斷。
　　 其次，研究了狹窄空間蒸汽發(fā)生器內(nèi)機械手人工示教路徑策略、示教路徑優(yōu)化以及最優(yōu)軌跡規(guī)劃等問題。在關(guān)節(jié)空間中采用點動模式進行初始路徑示教?？紤]到關(guān)節(jié)空間與任務空間的非線性映射關(guān)系，導致示教路徑往往并非最優(yōu)路徑。利用一組幾何操作算

3、子對初始示教路徑進行優(yōu)化處理，并基于B-樣條曲線對離散示教點列進行擬合以得到連續(xù)運動軌跡。再建立以機械手運行時間最短為目標函數(shù)的約束優(yōu)化模型，采用動態(tài)罰函數(shù)法將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為非約束優(yōu)化問題，并利用改進的遺傳算法進行求解。給出了仿真對照結(jié)果。
　　 再次，研究了機械手的自動路徑規(guī)劃問題，對當前幾種主要的搜索算法進行分析與總結(jié)。基于快速搜索隨機樹算法，研究了該算法主要存在的缺點：不能有效控制搜索路徑的質(zhì)量問題。通過建立路徑質(zhì)量評

4、價函數(shù)對其進行了改進。仿真結(jié)果表明，建立不同形式的目標函數(shù)可得到不同優(yōu)化程度的搜索路徑。由于快速搜索隨機樹法需要進行在線碰撞檢測，導致規(guī)劃時間較長。為了進一步提高規(guī)劃算法的搜索效率，研究了一種基于位形空間分解-路標圖搜索算法，將高維搜索空間內(nèi)的規(guī)劃問題簡化為兩個低維子空間內(nèi)的路徑規(guī)劃問題。由于所有的路標節(jié)點的碰撞檢測以及節(jié)點間的連通判斷均離線一次性生成，降低了算法的在線規(guī)劃時間。仿真結(jié)果表明該算法的有效性，在線規(guī)劃所需時間少于基本隨機路

5、標圖法規(guī)劃時間。
　　 最后，研究了機械手的軌跡跟蹤控制問題。將滑?？刂婆c神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，設計一種全程滑模神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制器。通過設計全滑模面來提高系統(tǒng)在響應的全過程均具有魯棒性。利用神經(jīng)網(wǎng)絡逼近機械手動力學建模誤差；在利用滑模控制對神經(jīng)網(wǎng)絡估計誤差以及外部擾動進行補償。同時為避免因不確定上界估計過大而導致控制輸入出現(xiàn)飽和，對未知上界的自適應調(diào)整律進行改進，從而提高了自適應變化律的魯棒性。通過Lyapunov穩(wěn)定性理論來證明該