（轮机工程专业论文）伺服冲箱式造波机控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 造波机是实验室进行波浪模拟的最主要设备，波浪模拟对于船舶、水利、海 工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义本文从控制的角度 对造波机的控制体系结构、伺服控制策略及算法进行了探讨，另外本文还对造波 机造波原理、控制算法实现以及试验结果进行了分析 在分析了当前造波机控制系统的几种体系结构以及用户的具体要求后本系 统采用了计算机控制，控制结构为s c c + 模拟调节器，当s c c 计算机出现故障时， ”f 由模拟调节器独立完成操作，提高了系统的可靠性和安全性，非常适合造波机 系统的控制。 本文针对系统非线性的特点，采用了模拟p i d 和数字p i d 混台的控制簇略， 对造波机的运动轨迹进行了跟踪控制所设计的伺服放大器具有可选择的p i d 控 制玎关，从而可以方便的实现数字和模拟p i d 控制。 本爻还针对w i n d o w s 9 x 平台下精确定时困难的现实，在此方面进行了深入的 探讨，分析比较了几种定时方式的优缺点，最后得出在基于w i n d o w 9 x 平台的实 时控制系统中，多媒体时钟是一种很理想的高精度定时器，它可以实现精股高达 1 0 r e s 的高精度定时并用v i s u a l c + + 6 0 给出了具体的定制方式和程序实现。 最后小文还从汁算机控制系统中干扰的来源及特点，提出了具体的抗：f 扰 措施。还通过h 体试验，剥整个造波机系统进行了多方面测试，结果表明此系统 性能优越，控制稳定可靠，各项性能指标均到达使用单位的要求。 关键词：电液伺服装硫p i d 控制造疲机普通瓷时器多媒体河面 计算机控制抗干扰 ，。!：。，!i!：，一 华中科技大学硕士学位论文 ! ! 竺竺! 竺! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 竺! ! a b s t r a c t w a v eg e n e r a t o ri st h em a i ne q u i p m e n tf o rw a v es i m u l a t i o ni n l a b o r a t o r y w a v e s i m u l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt os h i p ，w a t e rc o n s e r v a n c y ，o i le x p l o i t a t i o ne t c t h i sp a p e r a n a l y s e st h es t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m ，s e r v o e o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o la l g o r i t h mo f w a v eg e n e r a t o r t h ep r i n c i p l eo f m a k i n g w a v ei sa l s oi n t r o d u c e d a f t e ra n a l y z i n gs o m eo fc u r r e n ts t r u c t u r eo fc o n t r o l s y s t e mo fw a v eg e n e r a t o r ，a c o n t r o lf l a m ew i t h “s c c + a n a l o ga d j u s t e r b a s e do ni n d u s t i - i a lc o m p u t e ri s a p p l i e dt o t h i sw a v eg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e m t h i ss t r u c t u r ei m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y a n di sv e r yf i tt ot h ec o n t r o lo fw a v e g e n e r a t o r a st ot h en o n l i n e a r w ea d o p tt h ec o m b i n a t i o no f d i g i t a lp i da n da n a l o gp i dt o r e a l i z et h et r a c k i n gc o n t r o lo ft h ew a v eg e n e r a t o r t h es e r v o a m p l i f i e rh a sac o n v e n i e n t o p t i o n a ls w i t c ht os e l e c td i g i t a lo ra n a l o gp i d c o n t r 0 1 a f t e ra n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo ft h eg e n e r a lt i m e ra n dt h em u l t i m e d i at i m e ri n w i n d o w s ，t h i st h e s i sp o i n t so u tm u l t i m e d i at i m e ra sa g r e a tp e r f o r m a n c e t i m e ri sv e r yf i t t o g e n e r a lr e a l t i m e c o n t r o l s y s t e mb a s e do nw i n d o w s t h em e t h o do fm a k i n ga n d u s i n gt h em u l t i m e d i at i m e rb a s e do nv i s u a lc + + 0i sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l s f i n a l l y 、a c c o r d i n g t ot h es o u r c ea n dc h a r a c t e r i s t i co fd i s t u r b a n c ei n c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ，s o m ea n t i - j a n l m i n gm e a s u r e sa r es t u d i e d f h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l s y s t e mi sv e r ys t a b l ea n dr e l i a b l ea n d s a f i s t i e sa l iu s e r sd e m a n d s k e yw o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m p i dc o n t r o l v v a v eg e n e r a t o r g e n e r a lt i m e rm u l t i m e d i at i m e r c o m p u t e r c o n t r o l a n t i - j a m m i n g 一 i i 华中科技大学硕士学位论文 1概论 1 1 课题来源及意义o 幻 在试验水池中实现海上环境的模拟是随着海洋开发工程而兴起的一门试验 研究技术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。波浪对船舶、水 利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。 在船舶设计领域，研究船舶在波浪中的航行及运动性能：在码头、堤坝等 水利工程中，研究及测试其抗波浪能力；在海上石油开采中，分析海上钻采设 备对海浪的抗疲劳性能，以及在休闲娱乐业供游客参与波浪戏水游乐活动等， 都需要进行与波浪相关的实验。研究的手段可归纳为三种：数学力学的方法、 模拟的方法和现场观测的方法。 数学力学方法是应用牛顿力学理论，从流体运动方程和质量守恒方程出发， 结合一定的边界条件，得到一些波浪运动的解，并用以解释波浪运动的某些现 象。这种理论模式，在一定条件下，作为一种近似，可以用于工程实际，具有 代价小收效快的优点。但是数学方法只能对特殊的情况才能找到解析解。而自 然界的条件是相当复杂的，一般情况下很难找到问题的解析答案。用特殊情况 下获得的答案去解释普通的实际波浪，不能不产生较大的差异。 现场观测的方法是在实际的波浪环境下进行一些工程实验，这种方法准确 可靠，没有任何假设和虚拟，但也有它自己的缺点和不足。一方面，自然现象 不能受人工的控制，人们不容易“捕捉”到最有利的时机；另一方面，现场观 测实验要投入大量的人力、物力和现代化的精密仪器设备。这是制约其不能广 泛和普遍发展的原因。 模拟实验的方法，是在某种相似的原则下，把自然现象在实验室内进行复 演。这种方法，克服了数学力学方法假设条件的狭隘性，并且不受线性条件的 限制，得到的结果也比数学力学方法更接近于实际。同时，模拟的方法可以人 工控制或调节，不受外界条件的影响，克服了现场观测在这方面的不足，所需 花费也比现场观测要少得多。但是受实验室的条件所限，模拟的范围也相对有 限，得到的结果，与实际的自然现象仍有差异。但是随着计算机及其他技术的 一 f 华中科技大学硕士学位论文 ! ! 苎! ! ! ! ! 竺竺! 竺! ! ! ! 竺! = 竺! ! = 竺竺! = ! ! = ! ! 竺! ! 竺= = 不断发展波浪模拟技术日趋成熟，模拟的方法也正逐步由物理方式向数学方 式转化，在电子计算机上实现的部分越来越多，从而减少了实验费用和实验周 期。并且只要模型设计合理，试验设备及测量仪器的精度能满足要求，由此得 到的试验结果就非常符合实际情况，完全满足一般船舶等实验的要求。因而在 实验室模拟海浪并研究海浪与船舶等的相互作用非常必要。 造波机是一种与船舶试验水池配套的基础设施，它的作用是在船池中激起 不同波长和波高的规则波或不规则波，模拟实际波浪对船舶航行的影响，以测 定各种技术数据，为船舶设计提供依据，最近大型水上娱乐场，也大量使用造 波机造出人工海浪，使内地人们也享受到在大海中游泳的乐趣，因此又开拓了 造波机的新用途。， 本课题来源于中船重工集团第7 1 5 研究所委托我校研制的造波机运动系统， 本系统将用来在实验室水池进行造波，模拟海面的各种波浪形式，从而模拟出 实际波浪对船舶航，j 性能的影响以及对码头、堤坝等的冲击能力。该系统的研 制将有利于我国船舶行业的各种教学实验以及各种科研工作，使一些试验不用 到真实的海面去做，而只需到船池通过造波机系统进行各种海况的模拟实验， 从而节省大量的科研经费和时间。该系统另外一个特点是整个水池是可移动式 的，池底可以拆卸，成为一个可移动式的实验室，因此试验起来更加方便，整 个实验设备可随“身”携带。 1 2 国内外概况3 1 4 1 6 1 在试验室中进行天然海况的模拟是很复杂的，通常大多数水池仅限于功率 谱的模拟。造波过程总是希望具有良好波形的波长频带要宽，c o m p t o n 推荐双 摇板造波系统，并在美国海军学院高性能拖曳水池得到应用，使波长扩展到 0 6 3 0 m ，比单自由度造波机有更为理想的效果。1 9 7 1 年以后，德国的 s c h n e i d e r f k e m d fa n dr e m m e r s c o ) 为欧洲多家水池设计了双摇板造波机。在亚 洲，- = 尸国、印度都装备有性能优良的双摇板造波机。目前，双摇板造波技术已 能很好地配合海洋开发技术的进展。 5 0 年代初，法国s o g r e a h 试验所研制出分段式造波机用于产生斜向规贝u 波， 2 华中科技大学硕士学位论文 推动了实验室造波技术的发展，但实际的波浪是多向的不规则波，随着海岸工 程的进一步发展，人们希望在实验室水池中产生多向不规则波( 短峰波) ，以便 进行比较精确的模型试验，为此，利用线性波的叠加原理，7 0 年代英国爱丁堡 大学应用分段式造波机产生三维随机波获得成功，使实验室产生的波浪与实际 更加接近。之后，许多国家相继建立了这种多向不规则波造波机。我国也专门 在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室建立了多向不规则波造波机， 已经于1 9 9 0 年投入应用，为我国研究三维波浪及其对船舶和工程建筑物的作用 提供了条件。 目前，人们已经对有关的造波系统及在多向不规则波水池进行的模型试验 等进行了许多研究，也取得了不少成果。但对于象本系统这种可移动式的造波 系统研究还较少。 1 3 造波机理嘲。1 们“” 能用来造波的方式很多，其造波机理大同小异，主要有机械式和气动式等。 但迄今为止，造波机仍以机械式为主，即通过造波部件的机械运动对水体施加 扰动产生波动。常见的有如下几种：( 1 ) 摇板式。通过机械驱动使摇板绕固定 轴摆动，使池中水产生波动。摇板的摆动幅度控制波高，波长或周期则由摆动 频率来确定；( 2 ) 活塞式。通过连杆驱动设在水槽一端的活塞进行往复运动， 使池中水产生波动。波高取决于活塞冲程和速度，波长则取决于往复频率；( 3 ) 冲箱式。造波部件为断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直水面方向围绕 水面作往复运动达到造波的目的：( 4 ) 转筒式。转筒式则是通过设置在水面的 圆柱体绕偏心轴旋转使水产生波动。气动式用的较少，主要利用空气气流或气 压的变化产生波动，主要有鼓风式、直空式等，波高的大小取决于气压箱内的 压力冲量。 在以上各种方式中，用得最多的是摇板式和冲箱式，而电液伺服式冲箱造 波机结构简单，能生成各种浪谱，性能优越，所以本系统采用此方式，见图1 3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 竺! ! ! 竺! = ! ! ! ! ! 竺! 竺竺! ! ! 竺! ! 竺! = ! ! ! 竺竺 图1 3 1电液伺服冲箱式造波机结构不愿图， 如图1 3 1 所示，在一定水深的水池中竖立一台冲箱，冲箱在油缸的驱动下 做上下往复运动，水的质点因受到冲箱弧面的冲击而离开其平衡位置，作为恢 复力的重力又使质点回到平衡位置，但由于惯性，质点在回到平衡位置时将继 续朝前运动，这样恢复力矩又将发挥作用，因此，水的质点将反复振荡，在自 由表面上形成波浪。 冲箱往复一次，产生一个波浪，其时间就是波浪的周期。在某一水深h 和 摆动周期t 下，活塞冲程愈大，速度愈高，波高就愈大，但至某一极限值时， 冲箱即将水冲成水花。冲箱的运动由电液伺服系统来控制，从而造出各种波谱 的波浪。 ， 1 4 本系统性能指标及特点 根掘船舶试验的要求，考虑先进性、可靠性、经济性等因素，并参考国内自 行设计的造波机的参数，使用单位提出了以下性能指标： 1 ) 波型：船舶航行中受到规则波或不规则波的影响，要求造波机能造出规则 波和不规则波，造波机只要能造出规则波，不规则波就不难实现，规则波 型为接近n i 弦波； 2 ) 波长：根据船池大小及船舶模型的尺寸，确定波长为1 6 m ； 3 1 波高：根据波长确定波高为o 0 2 m ： 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 造波机造波型式：有冲箱式和摇板式两种型式，选择简单实用的冲箱式： 5 ) 规则波在波高o 1 r n 情况下，在池体长度上达到5 个波； 6 ) 移动式：整个水池都是可移动的，这样试验装置具有很强的机动性。 1 5 本文的主要研究工作 液压伺服冲箱式造波机系统是集计算机技术、自动控制技术、机械电子技 术、液压技术、传感器技术、力学等为一体，是多学科的交叉和综合。本人从 伺服控制的角度出发，根据计划任务研制书的要求，将要做以下几方面的初步 探讨和研究工作： 1 液压伺服冲箱式造波机系统总体结构及各部分功能； 2 根据波浪理论，阐述了造波机造波的原理； 3 分析了造波机控制系统的组成及原理，给出了具体的控制器原理框图， 并进行了分析； 4 基于v i s u a lc + + 6 0 实现了控制系统的软件设计； 5 分析了计算机控制系统中干扰的分类及来源，并根据各种干扰的特点， 提出了具体抗干扰措施： 6 试验调试及结果分析。 l _ _ - _ _ 一- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - i _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ； 华中科技大学硕士学位论文 苎竺! ! 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺! 竺竺竺! ! 竺! ! 竺! 竺! ! ! ! ! = 竺! ! ! 竺 2 造波机总体结构及各部分功能 2 1 引言 本造波机系统结构为电液伺服冲箱式，其设备主要分三大部分：动力系统、 运动系统和控制系统。总体结构简图如图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 造波机总体结构简图 缸 2 2 驱动方式选择3 1 一般造波机的驱动方式有三种：电机驱动、气压驱动和液压驱动。它们各有 优缺点，且适用范围不同。 电机驱动，电机启动容易，控制性能好，快速响应能力强且无污染，但力矩 输出较小，负载能力较弱，如果要获得很大的输出功率，电动机的质量和体积 都会较大。电机驱动和其它形式相比，在高速、高精度、小型节能方面更能满 足要求，冈而在轻载情况f ，国内外采用电机驱动的系统比较多。 气动系统以空气作为介质，响应速度快，且空气可直接从大气中获得，又 一、 - 一 6 华中科技大学硕士学位论文 可排放到大气中，不需要回流系统，与液压系统相比，其系统构成简单、价格 便宜，但工作压力低，因而承受能力低，定位刚度也低。工作载荷在几百牛顿 时，气动系统比较有效。 液压传动虽然油液易泄漏，但输出力矩大，负载能力很强，一个体积与能搬 送1 4 2 4 k g 载荷的气动或电动系统相当的液压系统，就可搬送1 2 0 1 4 0 k g 的 负载，而且还有电动系统相当的精度和响应速度。另一方面，液压系统的油液 能起到对运动部件润滑的作用，并通过油液的流动把热量带走，实现系统的自 冷却，以延长元件和系统的使用寿命。采用液压驱动机构还可以得到很大的速 度范围，其低速特性比电动机要好，当液压执行器泄漏较小时，液压弹簧刚度 大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差比较小。另外，利用液压系统的 集成回路可以把液压系统设计得相当紧凑，减少系统所占空间。 由于造波机系统的静负载较大，可见采用液压驱动最合适，不仅能满足功 率和控制精度的要求，而且从结构上看，液压缸是直线位移式驱动，其运动与 杆件所要求的运动吻合，结构非常紧凑，使系统采用了直线驱动方式，避免了 嵋j 接驱动所带来的麻烦，易获得较高的控制性能。若采用直流电机驱动，不仅 由于负载大使电机本身结构加大，而且还需要减速装置和一套旋转直线位 移转换装置，使系统结构复杂、庞大、且难以控制。因此，在实际系统中采用 了液压驱动方式。 2 3 伺服控制方式选择叫m 删例 控制系统是造波机系统的中枢，它使造波机按所要求的运动方式运动，以 造出符合要求的波浪。根据信号形式不同，伺服控制方式主要有模拟控制、数 字控制、模拟数字混合控制三种。 模拟控制方式是伺服控制系统中最早使用的，它是通过模拟电子器件构成 控制电路，来完成伺服控制，其特点也可以说是所有模拟系统的特点：( 1 ) 运 算速度快，快速响应能力强，排除电路中感抗和容抗的影响，几乎没有时间延 迟；( 2 ) 电流反馈调节方便：( 3 ) 模拟器件的参数会随温度变化和时间推移发 生变化，导致性能下降；( 4 ) 控制参数调整困难，因其用模拟器件实现参数调 f 华中科技大学硕士学位论文 竺! ! 竺! 竺! ! 竺! ! 竺! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 整，必须更换电阻电容。 数字控制的特点是：( 1 ) 几乎不受温度的影响；( 2 ) 系统参数调整容易； ( 3 ) 可实现现代智能算法；( 4 ) 随着运算量增加，时延增大，系统性能会有所 下降；( 5 ) 非常易于同微机接t 3 ；( 6 ) 必须有a d 、d a 接口电路最终驱动模 拟的功放电路。 由此可见，模拟、数字两种控制方式各有优劣。在性能要求不高的机电系 统，模拟控制就可以满足要求，并且性能价格比高。但是对于造波机控制系统 来说，模拟控制在控制精度、鲁棒性上有极大不足。通常来说，这类的系统都 用的是模拟数字混合控制，即在控制回路的某个环节使用模拟控制来实现而其 它部分使用数字电路来实现。 本系统由模拟控制和数字控制两部分组成，综合了模拟控制和数字控制的 优点，系统响应速度快，数字控制信号由计算机产生传输到造波机控制器，由 控制器控制液压系统及冲箱运动造波。 2 4 动力系统乜们 本系统采用了液压动力源给整个系统提供动力，主要由液压站控制柜、液 压泵机组、消声器、滤油器、蓄压器、控制阀件、冷却系统组件、油路集流块、 温度及压力检测仪表、油箱及管路系统等部分组成。 造波机功率的配备很重要，配大了浪费能源，配小了则不能造出所需波浪， 该造波机的功率主要取决于以下几个部分： ( 1 ) 冲箱推动水域形成波浪所需的能量； ( 2 ) 冲箱系统运动所需的惯性能量：电液伺服系统的内耗及其储备能量。 ( 3 ) 电液伺服系统的内耗及其储备能量。 所以一套较成功的电液伺服冲箱式造波机，要做好三方面的工作： ( 】) 按所需波浪性能参数，合理选择总体参数，如冲箱最大行程、最大运动 速度。，等； ( 2 ) 合理设计冲箱，在满足所需功能的结构强度、刚度条件下，尽量减轻重 量，以减少系统惯性能耗： 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 完善设计电液伺服系统，做到高效、节能、可靠。 关r 造波机造波功率的计算，根据波浪理论，传播波能所需功率可按式 2 - 4 1 计算： = 产 i 1 + 丽k h 】 协。_ 1 ) 式中：p m 。造波机所需最大功率，单位瓦： h 推板前波高，单位米； 旯波长，单位米： k 波数，k = 2 口觑； b 水槽或港池的宽度，单位米； 7 1 波周期。 实际采用的造波机功率，还需考虑各种能量损失和一定的富裕量。具体功 率计算见第三章。 因为该型式的造波机往往是一种间隔运动，对泵源而言，系统所需的流量 和压力是个变量，而且随冲箱运动速度和活塞的行程的不同变化很大，因此， 如何提高液压站的效率，减小油温的发热，是设计液压站的首要因素。 选用恒压式变量泵是提高液压系统效率，减小系统发热的个有效措施。液压 站的最大流量，应能满足冲箱作高速周期运动时的平均流量要求。液压站自备 有控制柜，可以由控制柜进行控制或由主控柜进行远控。 2 5 运动系统 运动系统是整个造波机系统的执行机构，主要由冲箱、液压伺服缸组件、 导向杆、固定基座等部分组成。 冲箱是造波机造波的具体执行单元，其结构、外型、材料具有特殊的要求。 冲箱的结构既要有足够的强度和刚度来承受负载，又要有尽可能轻的重量，以 减少运动惯量，降低能耗。冲箱截面一般为弧形，采用占= 4 r a m 的钢板折弯而 成。内部为一空心体，顶部与伺服缸组件刚性连接，还带有两根导向杆，以免 冲箱运动时前后左右摆动。基座为“门”字形结构，四条腿可分别进行高度调 _ 一一一 f 华中科技大学硕士学位论文 ! 竺= = = = ! = ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺! 竺竺! ! ! ! ! 竺! 烹! ! ! ! ! ! 兰 整，以尽可能的在同一平面上，保持整个系统的稳定与安全。整个运动系统简 图如图2 - 5 1 所示。 图2 - 5 1 运动系统简图 在冲箱的设计中，还要注意水蚀问题，可采用热喷涂锌层及外涂富锌环氧 树脂漆的方法，进行专门的防腐处理。 液压伺服缸组件是造波机系统中至关重要的部件。它应具有良好的低速特 性，保证造波机能够实现低速运动要求。同时，在系统出现故障或者停止造波 时，它不仅应能够防止自身的损坏，还应能够将冲箱锁死。因此，液压伺服缸 组件应当具有以下性能： ( 1 1 良好的低速特性； ( 2 ) 足够的稳定性： ( 3 1 防止油腔压力超压； ( 4 ) 防止油腔压力出现负压： ( 5 1 防止活塞杆失速： ( 6 ) 可靠锁定活塞杆； 若液压伺服缸组件的设计或外购能够达到上述要求，将有利于实现整个系 统的高精度控制。在确定系统工作压力p 的前提下，合理选择油缸的筒杆径比 d d 或有效面积a ，由冲箱的振幅可确定行程l 。按常规伺服油缸精心设计， 应注意两点： ( 1 ) 合理调配d a 与的关系，使叫d 尽可能小，以降低加工难度，提 高运动性能； ( 2 ) 油的密封，尤其是受力杆端的密封，不允许受力输出时有油泄漏而 一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 污染水质。 2 6 控制系统 控制系统是整个系统的核，h 主要由控制柜、主控计算机、位移传感器、 伺服放大器、伺服缸、d a 、a d 板等部分组成。 2 6 1 方案选择”1 根据波导实验室的现状，可有两种控制方案，一是分布式控制系统，另一 种是集中式控制系统。 ( 1 ) 分布式控制系统 分布式控制系统一般采用分级的控制结构，上级计算机负责整个系统管理， 以实现整个过程的静态最优化。下级计算机用于监控，通过协调各基本控制器 的工作，完成现场控制任务，并达到过程的动态最优化。分布式控制功能分散， 危险分散，提高了系统的可靠性，各系统之间可以通过通信接口较好的协调， 处理速度快，能满足实时控制的需要。但是系统成本较高，并且通信接口有时 会受到现场干扰，易出现故障。 ( 2 ) 集中式控制系统 集中式控制系统是一种多目的、多任务的控制系统，它把各种各样的任务 都交给一台计算机，利用计算机的高速分时多路处理特点，完成对现场的直接 控制。这种体系具有微机利用率高，系统通道容量大，信号通道和软件设计具 有通用性和灵活性，扩充、修改方便，可以满足用户提出的各种不同要求，采 集数据和处理结果可与任何系统共享等特点。但控制过于集中，危险性也集中 了，降低了系统运行的安全性，因此对完成控制任务的计算机要求较高。 综上所述，二种方案均可实现造波机的自动控制，但分布式控制系统的总 费用要比集中式控制系统高，因此，对本系统我们选用了集中控制这一方案进 行硬件和软件的开发研制。并使整个控制系统具有自动和手动两种功能，在控 制柜面板上有手动按钮，在紧急情况下，可以快速停车，避免破坏性事故的发 生。 华中科技大学硕士学位论文 262 传感器配置o ” 一般控制系统的检测电路产生的误差，要比传感的固有误差小一至二个数 量级，因此，数据采集系统的测量精度与所选用的传感器有密切关系。一般情 况下为了保证系统精度，所选用的传感器精度必须优于系统精度指标。 目前成熟的位移测量装置有电位器式位移传感器、磁致伸缩传感器、磁尺 传感器、电涡流传感器、直线同步感应器等等。然而，以上有的传感器或是由 于量程有限或是响应较慢，不能满足本造波机系统的要求，比较适合本系统的 是电位器式位移传感器和磁致伸缩传感器。 1 8 4 0 年焦尔发现当磁性体被磁化时，其外型尺寸会发生变化，这就是人们 通常所说的磁致伸缩效应，又称焦尔效应。磁致伸缩传感器就是利用此原理制 成的，它是通过计算两个不同磁场相交所产生应变脉冲信号的时间周期，再根 据声波的传递速度获得准确的位置值，具有使用寿命长、耐腐蚀、耐尘、耐压 等一系列特点。但是测量信号中存在固有的毛刺，且价格较高，在整个系统成 本中所占比重较大，性价比较低。 电位器式位移传感器原理较简单，它由电阻体和电刷两部分组成。电阻体 是由电阻系数很大的材料( 如合金电阻丝、金属电阻膜、半导体等) 按一定工 艺要求制成。电刷通常由具有弹性的金属薄片或金属丝按一定形状做成。电刷 的运动有直线位移和角位移方式。电阻体的输出电阻( 或电压) 与电刷在电阻 体上的位移成j 下比，若电阻体是均匀的，则电位器的输出特性为线性，利用此 特性，可精确的测量出位移值，其测量精度较高，且具有结构简单、价格便宜、 输出功率大、被测量和转换量之间容易实现线性或其它需要的函数关系等特点， 因此我们本着选用性能好、价格低的原则，最终选用了c h 一7 型电位器式位移传 感器，测量范围为o 4 0 0 m m ，对应的电压值为0 - - + 1 0 v ，经过长期稳定性实验 和精度测量，其结果证明各项性能指标均能满足此造波机系统的要求。 2 6 3 各部分主要功能 控制柜是操作人员工作的平台，控制柜面板上带有电源总开关、泵站电源 丌关、泵站油温和压力检测指示灯等，从整个面板指示以及显示屏显示的工况， 一一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 操作人员可轻松的知道造波机工作情况，并根据各种情况给出相应的指令。 主控计算机是整个控制系统的核心，根据相应的工作状况确定相应的参数， 产生相应的造波指令，从而控制造波机稳定可靠地造出规则波和不规则波。另 外计算机也提供了方便的人机接口。 位移传感器用来检测活塞杆的位移值，其输出信号直接反映冲箱的位置，此 信号经a d 转换并滤波后发送给计算机，计算机根据此信号调整控制规律，输 出造波信号，经d a 转换器变成模拟电压信号后输给伺服放大器进行功率放大 并转换成电流信号以控制电液伺服阀，使油缸活塞运动驱动冲箱，使它达到所 要求的位置，从而构成一闭环伺服系统。 电液伺服阀可通过电信号对流量和流向进行控制，进而实现对液压缸活塞运 动速度、方向及大小的控制。 f 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! 竺! ! = 墨! = ! = ! ! 竺! 竺! ! ! ! 竺! ! = 竺! ! 竺! ! 竺 3 造波机原理 3 1 引言 在实验室中产生随机波，关键在于制作一列恰当的造波驱动信号，这就要 求对造波板的运动形式、波的传播特性以及波动理论都要有个比较深刻的了 解。本章主要介绍造波的基本原理，实验室模拟波浪的波长、波高、周期及波 面振幅之间的关系，从而为产生恰当的造波信号提供一个理论依据。 3 2 基本原理n 8 m 圳m 列m 1 根据波浪理论，模拟波浪波高a 与激振频率，和激振幅度瓯有关。激振频 率越高，激振幅度越大，波高也越高，通常按激振的最低频率设计，使波高在 给定范围内变化，以使在其它情况下均能满足性能指标要求。根据文献 3 5 1 波 表面振幅氐可用下式表示： s 。= 瓠。面两s h2 丽( k o h 蕊) j ( 3 2 1 ) 式中：s o 2 s 。造波效率：2 s 。推波板的水平振幅：k o 波数； h 水深。 假设水为不可压缩的理想流体，波浪运动为无旋运动，根据波浪理论，有 限深水域( 水深为h ) 向f x 方向传播的平面进行波的速度势为： ( x ，y ，f ) ：一a g c o s h k i o ( f y + h ) c o s ( c a k o x ) ( 3 2 2 ) 0 9c o s n 庀，? 其中a 是波幅，k 。是波数，满足色散关系： k 。t a n h k o h = 2 g ( 3 2 3 ) 其中，是波浪运动的频率，y 轴由原静水面垂直向上。为书写简便，记 f ( ky ) ：巡掣 ( 3 _ 2 - 4 ) c o s n ，c 门 在平面进行波中取一截面，设为z = 0 ，其上游水体对下游水体的推动速度为： 华中科技大学硕士学位论文 娑l ：a g k , , f ( k 。y ) s i n “ ( 3 ，2 剐 ( xj 水质点横向运动的幅值随吃水变化的规律是： s 川0 ) = 丽a m 。，j ，) ( 3 - 2 6 ) 假设有一一块直立柔性板按幅值式( 3 - 2 6 ) 作简谐运动，那么在板的一侧会 生成纯正的平面线性进行波，这是一种理想的情况。此时生成的波形从线性意 义上是纯进行波，没有衰减波，也容易验证此时造波板的平均输出功率恰为维 持进行波的传播所需的平均功率。 实际上人们往往采用一块平均位置为直立的刚性造波板作纯推、纯摇或既推 又摇的简谐运动来模拟水质点横向运动，从而生成平面进行波。由于造波板的 剐性，水池中还会产生诸多的衰减波，影响波形的品质及造波板的受力和造波 效率。通过理论分析和计算比较，可以找到一种推摇混合的造波方式，使造波 板的运动尽可能接近水质点的横向运动，生成的波浪也会接近于平面进行波， 从而得到比较理想的波形，造波效率也是在造波板各种运动形式中最高的。 另外，我们把式( 3 - 2 2 ) 代入线化自由表面条件： 孚+ 硝= 0 ，y = 0 ( 3 2 7 ) 可得出自由面方程掌( l ，) ：一土掣1 go t i 、= n 卫詈訾sin(cot-kox)g c o s i i r l o 力 l ” =a s i n ( c o t k , l x 、 ( 3 - 2 8 ) 由式( 3 - 2 8 ) ，如选取空间某定点，不失股性，可取x = 0 ，则波形是时 间，的函数，显然具有周期： 7 = 2 n m ( 3 - 2 9 ) 如选取某确定时剡，如取，- 0 ，则波形是空间t 的正弦函数，相应波峰或波谷 华中科技大学硕士学位论文 的空间位置为： x = n r ：k ，h = o ，l m 2 ( 3 - 2 1 0 ) 因此，二相邻波峰( 谷) 问的空间长度，即波长丑为： 五= 2 州 ( 3 - 2 1 1 ) 即k 。= 2 州丑，此式说明式( 3 2 7 ) 所描述的正弦波在一个标准周期( 2 i r ) 内， 将有。个周期振荡，即有。个波，因此，称k 。为波数。 工程上，常常知道周期和水深，要求相应的波长。这可根据色散关系( 3 2 3 ) 式，考虑到波长和周期的表达式，得到： a ：嬖t a n h ( 革 ( 3 2 1 2 ) z l l l 从中可看出必须用迭代方法才能求出。 具体处理时，可令 厶= 等，g ( 砌) - t a i l l l ( 孕) 则 = 九g ( 旯，矗) 因此，迭代过程用如下形式表示： = 矗g ( 九， ) 五= 2 0 9 ( 2 t ，h ) ； = 见。g ( 五o ，h ) 为加速迭代收敛速度，一般可用一一和乃一：的平均值( 一，+ 乃一：) 2 作为九一，的 值。 33 造波板运动形式分析卜1 图3 - 3 1 是造波板运动形式示意图。图中线段o b 长度为自由面上水质点横 向运动幅值s ：a t a n h k 。h ，d e 为池底水质点横向运动幅值，其长度为 华中科技大学硕士学位论文 s c o s h ，b e 曲线是水质点横向运动幅值分布曲线。 ， f o 一f fl 图3 - 3 1造波板运动形式示意图 设造波板在水面和池底的位移幅值为s 。和s ，用s 和s ，的关系来表达造波 板的运动形式，叮以有以f 几种方案： 方案i 、使造波板位移幅值成为连接图3 - 3 一l 中b 、c 两点的矩形7 于布，即 s ，= s ，造波板作纯推运动； 方案i i 、使造波板位移幅值成为连接图3 3 1 中b 、d 两点的三角形分布， 即s ，= 0 ，造波板作绕( 0 ，一h ) 的纯摇运动； 方案i i i 、使造波板位移幅值成为连接图3 3 一l 中b 、e 两点的梯形分布，即 s ! = s ，c o s h k 。h ，造波板作推摇混合运动： 方案i v 、使造波板位移幅值成为连接图3 3 1 中b 、f 两点的线性分布，f 点是这样选择的，使b f 是所有通过b 点的直线中与水质点横向运动幅值曲线 s 。( y ) = s f ( k 。y ) 的平均间隙最小的直线，此时造波板也作推摇混合运动。 如果将造波板运动幅值统一写成： s ( j ) = s 。+ ( 彦+ 1 ) ( 3 - 3 1 ) 那么，在方案i 巾，= 0 ；在方案1 1 中，由三角形的性质可知= _ 1 ：在方案 i i i 中，由梯形的性质可知= 裂：在方案l v 中，令 华中科技大学硕士学位论文 d f h s , ( 彦+ 1 ) - s i m 。，州咖= o ( 3 - 3 - 2 ) 来决定口，即 i 勿+ 1 一( 女o ，y ) k 少= 0 ( 3 - 3 3 ) 由此可知 一3 3 ( c o _ s h k o h - 1 ) ( 3 3 4 ) 。 2 h 3 k ；c o s h k o h 这样当频率给定后，4 种方案的均是定值。造波板运动幅值与s 是线性 关系。4 种方案的互不相同，但有以下联系：如果要造极低频的长波，k 。寸0 + ， 方案i i i 和方案的斗0 ，与方案i 趋近，造波板运动成为纯推：反之，若要 造极高频的深水波，k 。 1 ，方案i i l 的。1 ，与方案i i 趋近，造波板运动 成为绕( o ，一h ) 的纯摇，方案的口- - 9 3 2 h ，造波板运动成为绕( o ，一2 h 3 ) 的纯摇。纯推和纯摇都是推摇混合运动的特例，可见推摇混合式造波机适宜造 各种频率的二维波。 根据文献 1 1 1 的分析，方案与其它造波扳的运动方案相比，是最接近理想 情况的，其造波的波浪品质和造波效率也是最佳的。另一种推摇混合方案i i i * n 纯摇方案i i 性能接近，但次于方案i v ，这两种方案也是实际中常常采用的，纯 推方案l 性能差，尤其是在高频时不宜采用。 从以上理论推导和分析可知，如果冲箱的推波面能尽可能按方案运动的 话，那么得到的波形将是比较理想的，造波效率也是比较高的。这就为我们设 计冲箱及其运动形式提供了一个重要依据。 3 4 波浪参数计算1 8 1 咖m 1 h 帅4 1 h 5 1 3 41 波长 冲箱式造波机造波的波长是由冲箱上下振动的周期丁决定的。在深水波的 情况下，波长和周期的关系为： 华中科技大学硕士学位论文 五= g t 二2 z ( 3 - 4 1 ) 式中，五波长( m ) ，g 重力加速度( m s 2 ) 按要求拟定造波的波长为1 6 m ，按式( 3 - 4 1 ) 计算出各周期下的波长， 列于表3 4 一l 。 表3 4 1不同波长对应周期 f 波长五( m ) l23456 l 周期t ( s ) o811 3i3 816 0l7 8l9 6 3 4 2 波高 冲箱造波的波高是由冲箱的几何形状、冲程大小和运动频率决定的。 设冲箱上下振动的规律为( 见图3 - 4 一1 ) ： z = z o c o s ( o r 式及图中：z 。一一冲箱振幅 l 一一冲箱浸深 b 冲箱在水面处的宽度 p ( t 卜一冲箱受力 珊一一圆频率，c o = 2 ，r t ：孥：k g 图3 - 4 1 冲箱示意图 ( 3 4 2 ) ( 3 - 4 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 ! ! = ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! = ! = = ! = ! = ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 冲箱在水面 ：卜- 瑾直振动的兴波问题，司作为脉动源在自由液面下的兴波 来解决。将分布在冲衔表m 】上的脉动源所形成的波跌加起来，并满足所有的边 界条件，便可得到离冲箱较远处的波形。 波形方程： z = 2 z 。k a x ( # ， 7 ) c o s ( o a t k x ) ( 3 - 4 4 ) 其中，口= 07考虑波高沿水池长度逐渐衰减： x ( ，p 7 ) ：拿x ( ，f7 ) 兴波阻力系数，查图3 4 3 ； 西冲箱截向的方形系数； p 7 = 碰，l 为冲箱浸深，k = 2 z 五： 则波高： n = 2 z 。e x b 彳( ，y ) 经过冲箱模型试验，决定采用如图3 - 4 2 所示的截面形状，对此冲箱 b = l m ，l = 06 m ，西= o7 直 睡哆 i 。了叠 m i l 卑 ： 鼍l 吣+ l x ( ，) ( 3 - 4 5 ) 心 访蟛譬故妒。e 2 yi 。f 沁2 ，。尹2 。玎i f 妒， 工r