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蒸汽发生器检修机械手控制方法研究

张智  
【摘要】: 蒸汽发生器(SG)是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽,也是核动力装置运行中发生故障最多的设备之一。由于蒸汽发生器里面存在放射性物质,当发生泄漏时,人不能进去进行维修,这时就需要机械手代替人完成维修工作。大多数的检修活动是远距离操控进行,例如,一个机械手通过人孔安装于蒸汽发生器水室内,机械手的前端携挂不同的检修工具即可实施不同的检修活动。 本文的工作是围绕某项目进行的,设计一套机械手用于蒸汽发生器堵管等各种检修工作,具有六个关节,同时末端安装偏心工具。本文主要完成了机械手的工作空间分析,运动学求解,轨迹规划和关节控制等工作。 首先本文给出了蒸汽发生器检修机械手控制系统的总体设计方案,包括系统组成和硬件软件设计,系统的主要功能和原理等。 然后本文对机械手的作业环境进行分析,求解机械手在各种情况下的可达空间,并提出了该机械手的碰撞检测方法,实现了考虑碰撞和不考虑碰撞情况下的机械手可行空间求解,分析了堵管可行面积,并分析了机械手引入偏心工具后对机械手工作性能的改善,对比了引入工具偏心前后机械手的堵管可行面积的区别。 接下来本文实现机械手的运动学求解,并将问题分为工具的偏心及非偏心情况分别研究,不考虑偏心时机械手非冗余,文中分别研究了代数解法和几何解法。考虑工具偏心的机械手存在冗余,提出了代数法与优化方法结合的办法,同时保证了算法的精确性和实时性,本文还研究了机械手的壁碰逆解,提出了基于免疫遗传算法的避碰逆解方法,并对算法的快速性作出考虑,以适应实时应用,本文还研究了机械手速度逆解,在此基础上给出了机械手在不同工作点下的各向极限运动速度的分析方法。 然后本文研究了机械手的轨迹规划问题,提出了该机械手的三阶简化路径规划模型。并分别对已知末端期望轨迹和未知末端期望轨迹情况下的机械手轨迹规划问题展开研究。对于已知期望轨迹的情况,提出了基于直接实时逆解的方法和基于神经网络的方法,对于基于神经网络的方法,本文提出了基于CMAC网络的自适应轨迹跟踪控制,和基于支持向量机的大范围轨迹跟踪结果逼近,并且分别对传统的CMAC网络和支持向量机提出了改进的方法,提高了实时性;对于未知期望轨迹的情况,提出了基于人工势场序列的轨迹规划方法,不同于传统的人工势场法,对于高维空间应用,该方法具有更简单的形式和可实现性,另外本文提出了基于路标法的机械手轨迹规划,同时兼顾了规划算法的强搜索能力和实时应用问题,本文对传统路标法提出了改进方法,使得该方法更加易与应用和向高维空间推广,本文提出的路标法可以直接应用与机械手的六轴联动的大范围无碰撞路径搜索问题。 最后本文研究机械手关节控制问题,推导了双旋转变压器合成算法实现高精度测角,本文推导的算法保证在最大限度利用双旋转变压器信息提高精度的同时,实现了对单个旋转变压器容许误差最大化,大大提高了合成数据的可靠性;对于机械手的关节伺服控制,本文提出了下位机速度控制模式,解决了此类械手特有的关节结构复杂,非线性死区严重等问题;对于机械手的惯量和力矩解耦,本文提出了直接基于几何变换和线积分的简化计算方法,避开了复杂的机械手动力学模型的求解,大大提高了算法的可实现性和应用性,并在此基础上研究了机械手多关节联动控制。 本文提出的所有算法和控制方法,都经过仿真检验,并且大部分方法已经在机械手实际控制平台上实现,用于实际机械手的控制,并且通过大量的实际控制实验,验证了文中提出的方法的有效性和优越性。


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