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中大口径双管火炮自动装填系统方案研究
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中大口径双管火炮自动装填系统方案研究
官方公共微信某中口径自行火炮自动装填系统关键问题研究--《南京理工大学》2013年博士论文
某中口径自行火炮自动装填系统关键问题研究
【摘要】：弹药自动装填系统是现代中大口径自行火炮的关键子系统,与其他自行火炮子系统及整个自行火炮大系统之间存在密切的相互作用和影响,许多技术问题亟待解决。本文以“十二五”研究课题为背景,应用多体系统动力学、确定型优化、鲁棒优化、模糊数学、滑模控制等理论对某中口径自行火炮弹药自动装填系统设计及其关键技术问题进行了深入研究,为工程实际问题的解决提供理论支撑。本文的主要研究内容包括：
(1)介绍了某中口径自行火炮弹药自动装填系统的结构形式、系统构成,简要叙述了各组件的功能、工作原理,系统地介绍了弹药自动装填系统的工作流程。分析了关键结构部件的动力学特性,在进行了相关的受控动力学分析基础上,提出传统自动装填系统设计存在的问题,并在后续章节中进行分析研究,为寻求若干行之有效的方法提供理论依据;
(2)针对某中口径自行火炮自动装填系统协调器协调油缸驱动力大引起的冲击振动严重的问题,采用确定型多目标优化方法改善其响应性能。引入多目标优化模型,简要介绍了Pareto最优解的概念,概括和总结多目标优化问题的处理方法及多目标进化算法及工程优化设计实践中的注意事项。结合多目标进化算法,对自动装填系统中的协调器多目标多学科一体化设计优化问题进行了分析研究,优化后选择的偏好解使得原协调器系统具有更好的动力学响应性能；
(3)针对确定型优化存在的问题,提出了参数区间不确定鲁棒优化技术,并应用于弹药自动装填系统协调器多学科优化问题。通过将参数区间变化从参数变差空间映射到目标和约束空间,得到了目标和约束性能退化估计,并作为原优化问题的附加约束,形成了外层----内层的优化结构。针对桁架结构不确定问题、机械臂结构优化问题以及双目标函数问题进行了对比研究,获得了理想的优化结果,并将该方法应用于某中口径火炮协调器系统的不确定优化问题,结果显示了参数区间不确定鲁棒优化方法能够很好的处理具有参数不确定的复杂工程问题；
(4)考虑自动装填系统弹药舱PD控制的缺点,结合模糊变换方法,提出了一种强鲁棒性滑模控制策略。介绍了非奇异终端滑模变结构控制及全局快速滑模变结构控制理论,结合两者的非奇异特性与快速响应特性,利用模糊数学的方法,得到了模糊运动滑模变结构控制策略,基于斯坦福机器人模型进行了对比研究,获得了较优的控制性能。针对动态弹药舱控制系统,通过与传统的PD控制结果相比,该控制策略只需估计摄动及扰动的大小,提供简单的确定性物理模型,即可获得较优的控制性能；
(5)研究了中大口径火炮输弹过程中存在影响弹丸在膛内的运动特性和火炮的射击精度的弹丸卡膛一致性问题。考虑输弹过程中的输弹力、卡膛速度、弹丸入膛过程中与身管内壁的接触碰撞等方面因素,建立了卡膛过程的动力学模型,对输弹力、卡膛速度、强制输弹距离和惯性输弹距离等参数与卡膛姿态的变化进行详细的分析研究,分析表明,采用变力输弹方式和降低输弹机***位置等措施可以有效改善弹丸的卡膛一致性。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TJ818【目录】：
摘要5-7Abstract7-12图表目录12-181 绪论18-31 1.1 选题背景和意义18-19 1.2 研究现状及趋势19-28
1.2.1 弹药自动装填系统19-21
1.2.2 确定型优化21-23
1.2.3 不确定鲁棒优化23-25
1.2.4 滑模变结构控制25-28 1.3 论文研究的基本内容以及结构安排28-312 自动装填系统总体分析31-49 2.1 引言31 2.2 自动装填系统基本构成及其工作流程31-34
2.2.1 自动装填系统基本构成31-32
2.2.2 自动装填系统工作流程32-34 2.3 自动装填系统子部件动力学分析34-48
2.3.1 弹药舱动力学分析34-40
2.3.2 协调器动力学分析40-45
2.3.3 输弹机动力学分析45-48 2.4 本章小结48-493 确定型工程优化49-67 3.1 引言49 3.2 多目标决策理论49-61
3.2.1 多目标优化模型49-50
3.2.2 Pareto最优解50-51
3.2.3 多目标优化问题的求解方法51-55
3.2.4 基于多目标进化算法的求解方法55-58
3.2.5 工程优化设计应用策略58-61 3.3 协调器多学科一体化设计优化61-66
3.3.1 协调器多学科一体化优化模型61-63
3.3.2 多目标进化算法实现63-64
3.3.3 仿真分析64-66 3.4 本章小结66-674 参数区间不确定的鲁棒优化67-103 4.1 引言67-68 4.2 基本定义及术语68-70 4.3 单目标保性能鲁棒优化70-74
4.3.1 灵敏度估计70-72
4.3.2 性能鲁棒优化指标72
4.3.3 约束鲁棒法72-74 4.4 参数区间不确定的保性能鲁棒优化74-88
4.4.1 多目标鲁棒优化74-77
4.4.2 可行性鲁棒优化77-82
4.4.3 性能及可行性鲁棒优化82-83
4.4.4 讨论83-88 4.5 对比研究及自动装填系统应用88-101
4.5.1 桁架结构鲁棒优化88-91
4.5.2 双目标函数数值优化91-93
4.5.3 机械臂结构鲁棒优化93-98
4.5.4 某火炮协调器性能鲁棒优化98-101 4.6 本章小结101-1035 模糊运动滑模变结构控制策略研究103-118 5.1 引言103-104
5.1.1 非奇异终端滑模变结构控制103-104
5.1.2 全局快速滑模变结构控制104 5.2 模糊运动滑模变结构控制104-110
5.2.1 非奇异终端滑模控制的新表述105
5.2.2 模糊旋转NTSS105-107
5.2.3 模糊快速NTSS107-108
5.2.4 模糊运动NTSM控制108-110 5.3 斯坦福机器人控制110-114
5.3.1 斯坦福机器人模型描述110-111
5.3.2 斯坦福机器人的NTSM控制策略111-112
5.3.3 斯坦福机器人的FRNTSM控制策略112-113
5.3.4 斯坦福机器人的FMNTSM控制策略113-114 5.4 弹药舱控制策略研究114-117
5.4.1 弹药舱控制模型114-115
5.4.2 仿真分析115-117 5.5 本章小结117-1186 卡膛一致性的输弹过程研究118-126 6.1 引言118 6.2 输弹过程动力学模型118-121
6.2.1 基本假设118-119
6.2.2 基本理论119-121 6.3 仿真研究121-125
6.3.1 输弹力对卡膛速度的影响分析121-122
6.3.2 接触碰撞对卡膛速度的影响122-124
6.3.3 接触碰撞对卡膛姿态的影响124
6.3.4 弹丸与身管间隙对接触碰撞的影响124-125 6.4 本章小结125-1267 全文工作总结126-129 7.1 本文主要研究成果126-128 7.2 论文的创新点128 7.3 后续研究工作的展望128-129致谢129-130参考文献130-140附录140
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