（控制理论与控制工程专业论文）室内小型多功能风浪水槽控制系统研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fm a r i n ed e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no fl a r g eh y d r a u l i cp r o j e c t w a v et h e o r yh a si n c r e a s i n g l yb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d a n dw a v em a c h i n ei sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e da sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht 0 0 1 c o r r e s p o n d i n g l y t h ew a v em a c h i n e t h e o r ya l s oh a sas i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t w a v et h e o r yi sn o to n l yt h eb a s i so ft h ed e s i g no ft h ew a v em a k e r b u ta l s ot h e t h e o r e t i c a lb a s i so fw a v em a c h i n ec o n t r 0 1 w a v em a c h i n et h e o r yi sd e v e l o p e do nt h eb a s e o ft h ew a v et h e o r y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cw a v et h e o r y i n t r o d u c e st h et h e o r yo f w i i l dw a v e a n ds u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ew a v em a k e ra n dw a v em a c h i n e t h e o r ya sw e l la sr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d o nt h i sb a s i s a c c o r d i n gt ot h ev i e w o fe n e r g yc o n s e r v a t i o n t h ec o n c e p to fu n e q u a lc y c l eo p e r a t i o ni np a d d l ew a v em a k e ri s p u tf o r w a r d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rs p e e da n dw a v es p e e di sa n a l y s e d i n a d d i t i o n t h ed e s i g np r o c e s so ft h ew a v em a k e rc o n t r o lh a r d w a r ei sa n a l y s e di nd e t a i l a n d ag e n e r a ls e l e c t i o nm e t h o do ft h em o t o rp o w e ri sp r o p o s e d a sa ni m p o r t a n tt e s tp l a t f o r m t h ew i n dw a v ei sa d d e dt ot h ew a v em a k e rs y s t e m w h i c hi sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp a d d l ew a v em a k e r w i n dw a v ei s m a i n l yu s e dt o g e n e r a t ec a p i l l a r yw a v e sf o rt h ec o n v e n i e n c eo fo t h e rr e s e a r c h a n df a nm a k e sw a v eb y w a yo fs u c t i o n a st ot h ep a d d l ew a v em a k e r t h es y s t e mu s e sl i n e a rm o d u l ea n da c s e r v ot od r i v e c o n t r o ls o f t w a r eu s e st h ec o m p a n y su s n il a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n t t e s tp l a t f o r m a n dt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e ms o f t w a r ei sc o m p l e t e di nt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h es y s t e ms o f t w a r em a i n l yi n c l u d e s b a c k g r o u n dc o m m u n i c a t i o n t h eu s e rm a n a g e m e n t f a nc o n t r o l s e r v oc o n t r o l a l a r mc o n t r o l d a t aq u e r y w a v e f o r m d a t aq u e r y w a v e f o r md a t aa n a l y s i s e t c b a s e do nt h es o f t w a r ep l a t f o r m c o m b i n e dw i t h w a v eh e i g h tm e t e r a n e m o m e t e rs e n s o r sa n dp c ic o n t r o lc a r d t h ew h o l ec l o s e d l o o p c o n t r o lo ft h ep a d d l ew a v em a k e ra n df a ni sc o m p l e t e d i na d d i t i o n t h es y s t e mi t s e l fm a i n l yp r o v i d e saw o r k i n gp l a t f o r mf o ro t h e rt e s t e q u i p m e n tt ou s e s ot h es y s t e mh a sd o n eap r e l i m i n a r ya n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e a n di tg i v e ss o l u t i o n sa n da c h i e v e sg o o dw o r k i n gr e s u l t s k e yw o r d s p a d d l ew a v em a k e r w i n dw a v e l a b v i e w m o t i o nc o n t r o l e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e n 5叫7删7 3 3 7 ii l删y i 目录 第一章引言 1 1 1 本课题的研究意义 1 1 2 造波机及造波理论的发展 2 1 2 1 造波机的发展 2 1 2 2 造波机的型式 2 1 2 3 造波理论的发展 3 1 3 论文主要工作 3 第二章摇板式造波机及风机造波理论 5 2 1 理论基础 5 2 1 1 有限水深波理论 5 2 1 2 毛细波理论 7 2 2 摇板式造波系统 8 2 2 1 摇板式造波理论 8 2 2 2 摇板运动分析 9 2 2 3 造波机传递函数 1 1 2 3 风机造波系统 1 2 2 4 数据准备 1 3 第三章造波机硬件系统设计 1 7 3 1 硬件系统概述 1 7 3 2 摇板电气系统设计 1 7 3 2 1 执行机构设计 1 7 3 2 2 控制方案设计 2 3 3 3 造风系统的设计 2 5 3 4 抗电磁干扰设计 2 7 第四章规则波与不规则波 3 l 4 1 概述 3 1 4 2 规则波 3 l 4 3 不规则波 3 l 4 4 谱修正 3 6 第五章造波编程及其实现 3 7 5 1 概述 3 7 5 1 1 虚拟仪器技术简介 3 7 5 1 2l a b v i e w 简介 3 7 5 1 3l a b v i e w 程序结构 3 7 5 2 程序设计 3 9 5 3 控制系统编程及实现 4 0 5 3 1 造风控制编程及实现 4 0 1 1 1 5 3 2 规则波编程及实现 4 3 5 3 3 不规则波编程及实现 4 6 5 3 4 其他功能简介 4 9 结论与展望 5 4 参考文献 5 5 攻读学位期间的研究成果 5 7 致谢 5 8 学位论文独创性声明 学位论文知识产权权属声明 5 9 i v 青岛人学硕七学位论文 第一章引言 1 1 本课题的研究意义 波浪运动是自然界中一种常见的现象 包含了许多深刻的自然规律有待人们去 探索认识 随着对波浪运动规律的认识的加深 其影响力也在不断扩大 一个典型 的例子就是孤子理论 是在1 8 3 4 年由英国科学家约翰 z 斯科特 罗素首先在流体 中发现的 其后 1 8 9 5 年 卡维特等人对此进行了进一步研究 使人们对孤子 有了更清楚的认识 并先后发现了声孤子 电孤子和光孤子等现象 如今已经 扩展到电磁学 数学 生物学等众多学科中 随着科技的进步 人类越来越迫切的 需要认识流体规律 利用流体去为人类服务 其中一个热点的方面就是认识海洋 开发海洋 而在海洋中波浪是非常重要和普遍的自然现象 是海岸与海洋工程建筑 物以及船舶受到的主要载荷 也是引起海岸泥沙运动的主要动力之一 更是影响全 球气候变化的关键因素所在 目前 研究波浪及其作用有三种途径 lj 一是现场观测 二是在实验室内进行 物理模拟 三是理论分析和数值模拟 由于波浪的复杂性和多变性 加上现场环境 恶劣 进行现场观测需要花费大量的人力物力 理论研究目前也有许多的局限性 特别是对于不规则波浪 很多问题还有赖于室内的物理模拟研究 于是 在实验室 利用造波机来模拟大自然的一些波浪 从而研究其对海上建筑物 海洋运输工具以 及大气的影响等便是很可行和实际的一种方法 在水槽内利用风和造波机进行物理模拟 一直都是研究各种波浪现象的重要方 法 这不仅可以为海岸工程 海洋工程 船舶工程 水利工程等设计布局提供最直 接的实验数据 使得设计更加安全 经济 合理 而且在实验室中的研究比其他方 式更加安全可靠 可以促进理论研究的发展 本系统设计的小型室内多功能风浪水槽是一种可广泛应用的综合性水文实验装 置 具备室内常温环境下 可预置参数 可编程的自动造风 造波功能 并可实时 提供水槽风浪参数 提供多种可组装的 高度 角度可精密调节的光学及电子设备 安装支座和支架 能够满足海面微结构光学测量装置 微尺度动力过程光学测量装 置 p i v 和l i f 红外热像系统 声学多普勒流速仪 a d v 等实验设备的安装要 求 该水槽适合用于海气界面微尺度动力过程的室内模拟观测 也可用于微波遥感 机理研究 本小型室内多功能风浪水槽采用模块化设计 包括控制模块 造波段模块 消 波段模块 实验段模块 造风系统模块 控制测试软件模块和传感器模块 各模块 均设计为可移动式 各模块之间通过标准接口连接 方便整个实验装置的转移和安 装 使得用户对实验室部署具有更大的灵活性 随着科技进步 造波机的型式越来越多 控制也越来越复杂 在众多的型式中 不论大型的还是小型的 其基本型式仍然主要是以下几种1 5 1 1 摇板式 是通过驱动摇板绕固定轴按设定规律摆动产生水波 如图1 1 所示 2 推板式 是通过驱动水槽中的推板按设定规律做往复运动产生水波 如图1 2 所示 3 冲箱式 是造波部件为断面呈特殊形状的箱体 通过控制该部件沿垂直水面 方向的运动规律来产生水波 如图1 3 所示 4 气动式 是控制气压按设定规律变化来产生水波 如图1 4 所示 在这些结构中 由于摇板式和推板式造波机具有结构简单 控制方便等特点 目前得到了最广泛应用 且由其结构特点 摇板式造波机多应用于深水域造波 而 推板式造波机一般用于浅水域 2 青岛人学硕十学位论文 1 o 1 0 0 推 板 l i i 一 l i iv 图1 1 摇板式造波机示意图图1 2 推板式造波机示意图 图1 3 冲箱式造波机示意图 图1 4 气动式造波机示意图 1 2 3 造波理论的发展 造波理论的发展是伴随着造波机的发展而发展的 但是在开始阶段明显滞后于 造波机的发展 直到1 9 2 9 年才有了对造波机的水动力学原理的专门著作 到二十世 纪中期 法国d a u p h i n o i s 水力学实验室的b l e s e l 和s u q u e t 根据微幅波理论建立了 造波板运动行程与波高之间的关系 即摇幅波高比 这一研究成果被认为是关于造 波机理论的最详细最完整的论述 5 1 此后对造波机的理论研究逐渐完善 到二十世 纪七十年代末 造波机理论基本发展成熟 在二十世纪七 八十年代期间 国内学者总结了国外的造波机理论 其中杨森 华和刘子琪的工作最为突出 他们两人的工作 成为后来国内造波机设计的主要参 考依据 目前 造波机在向着吸收式造波机的方向发展 6 1 日本 欧美等发达国家 对这方面的研究比较多 h i r o m a r uh i r a k u c h i1 7 j c h i ac h u e nk a o 和s h i hs h e n gs h u p j p e t e rf r i g a a r d 和m o r t e nc h r i s t e n s e n l 9 1 是这方面研究的先驱 1 3 论文主要工作 本文总结了造波机的发展历程及国内外的研究现状 并叙述了基本的造波理论 及风浪理论 在此基础上做了一些理论分析 并结合实际设计出一套切实可行的摇 板式造波机控制系统 本文的主要工作是 1 根据能量守恒原理 提出了不等分周期的概念 对摇板的摆动周期t 进行 第1 章引言 重新分配 2 对波速和水质点速度做了分析 为近似计算提供了理论依据 3 对摇板式造波机电气系统的设计做了系统的总结 给出了切实可行的设计 步骤 并总结了一种通用的电机功率选择方法 4 对系统设计及调试中遇到的电磁干扰问题 做了系统的分析 并给出了解 决方案 5 基于l a b v i e w 虚拟软件编程平台 完成集成化的造波软件开发工作 其 中包括 后台通讯 登陆用户管理 风机控制 伺服控制 报警控制 数据 查询 波形数据查询和波形数据分析等模块 4 青岛人学硕十学位论文 2 1 理论基础 第二章摇板式造波机及风机造波理论 图2 1 波浪的特征参数 现将论文中用到的波浪基本概念及符号约定介绍如下 波浪的主要特征参数有 波高日 波长五和周期丁 如图2 1 所示 1 0 1 波高日是波峰与波谷之间的垂直距离 波长五是在波浪前进的方向上两个相邻的波峰或波谷之间的水平距离 周期丁是两 个相邻的波峰或波谷通过空间一固定点的时间差 波陡是波高与波长之比 2 波 幅么是波高的一半 波速c 是波在时间丁所经过的距离五 也称为波的相速度 波 数k 是单位距离内含有波长五的个数 波数表示波在空间上的密度 将坐标原点取于静水位 沿波传播方向的水平轴为x 轴 与z 轴铅垂向上为y 轴 静水位处y 0 z 轴垂直与砂平面 于是波面方程一般用水x y t 表示 2 1 1 有限水深波理论 一般将水深与波长的比值作为区分深水与浅水的标准 通常规定i l l j 办 兄 1 2 0 为浅水波 办 旯 1 2 为深水波 1 2 0 h 五 1 2为有限水深波 小振幅波理论是基于线性化和波浪振幅相对于波长是个微量的假定 并认为水 面质点以固定的角频率作简谐振动的理论 是描述波浪运动最基本的理论 在小振 幅波理论中 水波的波形呈正弦波分布 其模型可用正弦函数来描述 般来说可假定流体是理想和正压的 作用在流体上的压力是有势的 而且流 体从静止开始运动 那么根据h e l m h o l t z 定理可知流体的运动是无旋的 一般设流 体的速度势为缈 速度势缈的物理意义 1 2 j 如图2 2 所示 5 第2 章摇板式造波机及风机造波理论 图2 2 质点的速度势 点p 在垂直方向上的速度娑应该包括两部分 一部分是因为点p 在自由面 g y 随着自由面的升降而获得速度譬 另一部分是因为点p 只能沿着自由面运 水平方向的速度譬必须使点p 获得一个垂直方向的速度譬孕 溅ox a c 二维情形下 假定各物理量沿z 轴是不变的 而目 底部是水平直线 如图2 3 v i巩五弘f 以 匕 o f 7 那么速度势缈满足 在自由面y o 上 有 在底部y h 上 有 图2 3 二维水波 等 軎一 缸2 加2 丝 g 塑 o 蒂怊茜 0 a 缈 n 一2 u 砂 6 2 一 1 2 一 2 2 一 3 青岛人学硕士学位论文 由以上方程和边界条件可以推导出许多重要的关系式1 1 2 1 1 色散关系式 功2 g k t a n h k h 式中国为波动频率 k 为波动波数 h 为水深 2 行波关系式 7 7 x as i n k x w t 式中彳为振幅 七为波数 c o 为角频率 f 为时间 3 色散关系式用相速度c 和波长 来表示为 弘脬 2 一 4 2 一 5 2 一 6 在水槽造波理论计算中 常常依据周期丁和水深h 来计算对应的波长五和波速 c 但直接根据以上公式计算是很不方便的 因为表示水深影响的因子t a n h k h 本身 还包含有未知波长a 所以 为使用方便 才有本节开始时的水深划分约定 2 1 2 毛细波理论 本文研究毛细波理论主要是为给风机造波时 提供理论依据 对毛细波来说影 响其形状的关键因素是表面张力 由于表面张力的方向与流体的界面相切 当界面 的曲率半径较小时 表面张力在界面法向上的分量将变大 这时表面张力将影响了 法向力的平衡 从而使界面两侧的压力p j 和刀不再相等 眩 如图2 4 所示 因此 对于波长较短的波必须考虑表面张力的影响 图2 4 毛细波 在水深h 为常数时的二维小振幅波波动时 对短波来说相速度 7 一 7 不 著 随着 毛细 波称 米 2 3 2 1 摇板摇幅e 与波幅么的关系 摇板造波理论建立在微幅波理论的基础上 是微幅波理论在实际方面的一个应 用 其中最为经典的一个关系式是关于摇板摇幅与波幅的关系式 5 1 如式2 一 8 所示 则 一a m 2sinh kh kh sinh kh c osh kh 1 2 一 8 一 一 z i ek h k h s i n h k h c o s h k h a i m e 2 一 9 这就是摇板摇幅和波幅的关系式 2 波速c 和水质点的水平速度娑的关系 o 由微幅波理论 在波面方程为 7 a s i n k x r n t 速度势函数为 8 青岛人学硕士学位论文 矽 h g c o t h k h 一y p h 一耐 时 l0 1 有 2 国c o t hk h 丝 一kh g c o t h k h y s i n 缸一纠 2 一 1 0 缸2 c o t hk h 对于深水波而言t a n h k h 1 则 c 摆 2 川 水质点的水平速度票的绝对值的最大值i i 缸 等 万 则 o x z 等知 万等c 2 一 1 2 由式2 一 1 2 可见 对于驯彳 0 3 1 8 的波 卜i 一 o 3 1 8 的波 川一 c 此时波能的传播中l 甜i 醛的影响将加大 因此水的 波动将会变得剧烈 另 据j h m i c h e l l 的研究 水波做无旋波动的条件是波陡即最大波高与波长的 比办0 1 4 2 即波高接近与波长的七分之一 1 3 2 2 2 摇板运动分析 在此首先假定摇板做等分周期运动 则摇板的运动过程如图2 5 一图2 8 所示 0t 2t3 t 2 2 t 0耽ct3 t 2 2 t 图2 5 起始位置 0 图2 6 起波段 o t 2 9 第2 章摇板式造波机及风机造波理论 图2 7 造波段1 t 1 2 一t 图2 8 造波段2 t 3 t 2 由微幅波理论知 波峰与波谷的能量由动能和势能组成 且动能和势能是相等 的 2 5 1 以f 表示 则 1 起波段 o t 2 摇板由a 到b 运动 此时摇板与水波同向 l 仞2 毋庐2 f 2 一 1 3 其物理意义为 流体的初始动能和势能均由摇板产生 2 造波段1 t 2 一t 摇板由b 到a 运动 此时摇板与水波反向 一f 2 一 1 4 其物理意义为 摇板反向运动时生成一个具有一f 势能的长波谷 负号表示波的 势能在静水位以下 3 造波段2 t 一3 t 2 摇板由a 到b 运动 此时摇板与水波同向 2 历 房易 3 e 2 一 1 5 其物理意义为 摇板由a 到b 运动时 首先要传递一个动能f 给流体 以使造 出的波谷与之前的波峰具有相等的向前传播的能量 其次摇板需传递能量 毋d 给流体 以再产生一个相同的波峰 由以上能量分析可见 摇板在每次运动时具有的能量并不一样 由于造波段1 与造波段2 构成一完整造波周期 则 急 3 2 1 6 巴b 2 设摇板在各段的平均速度分别为 和 由能量守恒定律可知 急 万1 3 l o 2 一 1 7 由以上分析可见 摇板在不同的运动阶段运动时间并不对称 2 2 3 造波机传递函数 现在 一般的造波机大都是用伺服驱动控制装置来控制造波板的运动的 改变 驱动信号 便可以在水池中模拟出所要求得波浪 假定在传播过程中波浪无衰减 且波浪是以相速度传播的 对于摇板的控制来说 以相应波谱的功率谱f 缈 作为输 入 以摇板的速度作为输出 设为y s 设伺服电机等的驱动的传递函数为g l s 则他们之间的关系为 v s f 缈 g l s 2 一 2 2 对于水波的控制来说 摇板的速度y s 可以作为输入 而输出则是水波在距造 波机x 米处的波y 眵e s 故可以将其看作一延时滞后环节 设水波的传递函数为 g 2 s 则 叩 s v s g 2 s 2 一 2 3 把式2 2 2 带入式2 一 2 3 得 e s f g 1 s g 2 s 2 一 2 4 第2 章摇板式造波机及风机造波理论 系统的传递函数矽 s 为 而r t s g l s g 2 s 2 一 2 5 传递函数之间的关系如图2 9 所示 图2 9 造波机传递函数框图 率谱f 彩 可以通过谱分析得到 伺服电机等的驱动的传递函数为g l s 由 高仪传感器的延时作用 所以会包含一滞后环节 水波的传递函数为g 2 s 可 以通过理论分析得到 再通过实验校正 这样 就可以得出造波机模拟出的波浪对 驱动信号的传递函数了 2 3 风机造波系统 由于目前风机造波可参考的文献较少 在前面毛细波理论基础上再总结一些风 力与水面波动相互作用的理论 风波是当流动的气体经过液体表面时 由于摩擦作 用 形成的一定波状界面 形成风波的基本过程是 当风吹到风波的凸面处时 水 面气流流线较密 流速将增大 压强将减小 在凹面处 水面气流流线较稀疏 流 速将减小 压力将增大 在不平衡的压力作用下 凹面下降 凸面上升 使波高增 大 直到在水面建立新的压力平衡 由于风吹过水面将使波浪的背风面发生漩涡 压力减小 而向风面由于直接接 受风力作用 压力较大 便使波浪形成前陡后坦的现象 因此风成波的外形是不对 称的曲线 又因波浪的向风面充分受到风力作用 故向风面上又可能形成新的波浪 这种波浪称为二级波 二级波的波高和波长都较一级波浪为小 有时二级波上还可 1 2 青岛大学硕 学位论文 能形成三级波1 1 4 1 早期 汤姆森和亥姆霍兹在不考虑摩擦影响 仅考虑表面张力的前提下 用位 流理论研究过有风吹过水面时的波动情况 按照他们的理论 当风速不小于约6 4 m s 时可以产生水波 速度最少是2 3 3c m s 波长是1 7 2c m 这就是微幅波理论 中的结论 维斯特根据层流边界层和它的稳定性 得出了引起水波的最小风速是 0 7 m s 的结论 g 诺依曼用另一种方法也得出了这个值 这与早期和近期的实验 例如杰傅瑞斯和罗尔所得结果很相符合 近代 菲利普斯研究了以平均风速为 运 动的某一波长的压力波动 和同一波长但速度为c u c o s p 是这个波的传播方向 与风的方向之问的夹角 的表面运动的部分波之间的共振关系 而对于波系的进一步 增长 迈尔斯假设在风的波和压力波动之间有相互作用 这时平均风速u 不再看作 是常值而是随着高度y 而增长的 他指出 当风的压力波动和表面波之问起共振时 由风传递给波的 随时间指数函数增长的 能量与速度剖面恰好是u c o s f l c 这个 对于小波幅同样还是线性的理论 说明了最初是短波的增长 以后是那些长波的增 长 其长度直到波高与波长的临界比值大约是1 7 的时候都能用 在这以后 由于 波的崩溃以及由于海浪的不同波分量之间的相互作用 就产生了非线性效应 这种 相互作用导致能量在波谱内的重新分布 特别是长波到短波 对这个非常复杂的现 象 菲利普斯和哈塞尔曼特别作了研究l j 2 4 数据准备 这一部分是根据前述的理论公式为接下来的设计工作提供指导 这也是理论研 究很重要的意义所在一可以指导实践 本系统的实验水深一般为0 4 m 水槽总长 5 m 实验段长度在2 5 m 左右 则本水槽应该属于有限水深范围 造波时只有波高 日 水深h 和周期丁为已知量 现将部分数据列表如下表2 1 一表2 5 所示 表中数 据主要由公式2 一 4 公式2 一 6 公式2 一 8 计算得到 表2 1 不同周期时的波长五 x 0 0 5o 1o 1 50 2 o 2 5o 3o 3 50 4 o 1 0 0 1 5 60 0 1 5 6o 0 1 5 6o 0 1 5 60 0 1 5 6o 0 1 5 60 0 1 5 6o 0 1 5 6 o 2 5o 0 9 7 20 0 9 7 50 0 9 7 50 0 9 7 5o 0 9 7 50 0 9 7 5 0 0 9 7 5 0 0 9 7 5 0 5o 3 0 2 90 3 6 5 60 3 8 4 2o 3 8 8 7o 3 8 9 7o 3 8 9 90 3 8 9 90 3 8 9 9 o 7 50 4 9 3 5o 6 5 3 50 7 4 7 10 8 0 3 7 o 8 3 7 l 0 8 5 6 l0 8 6 6 5 o 8 7 1 9 l0 6 7 6 4o 9 2 3 21 0 8 9 81 2 1 1 61 3 0 2 91 3 7 1 91 4 2 3 81 4 6 2 5 1 2 50 8 5 6 21 1 8 4 11 4 1 7 4 1 5 9 8 9 1 7 4 5 51 8 6 6 21 9 6 6 62 0 5 0 4 1 51 0 3 4 3 1 4 4 0 51 7 3 7 01 9 7 4 22 1 7 1 92 3 4 0 72 4 8 6 72 6 1 4 l 1 7 51 2 1 1 61 6 9 4 42 0 5 1 8 2 3 4 2 2 2 5 8 8 52 8 0 2 4 2 9 9 1 3 3 1 5 9 6 1 3 第2 章摇板式造波机及风机造波理论 表2 2 水面摇幅e 理论值 o 0 5o 1o 1 50 2 0 2 50 30 3 50 4 0 1 0 0 0 0 60 0 0 0 6 0 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 6 0 0 0 0 60 0 0 0 6 0 2 5 o 0 0 4 90 0 0 4 1 0 0 0 3 90 0 0 3 80 0 0 3 70 0 0 3 6 0 0 0 3 60 0 0 3 6 0 5 0 0 3 0 40 0 2 6 6 0 0 2 2 30 0 1 9 7o 0 1 8 3o 0 1 7 4 0 0 1 6 8o 0 1 6 4 0 7 5 0 0 6 0 2o 0 6 8 2 0 0 6 7 0o 0 6 2 50 0 5 7 40 0 5 2 9 0 0 4 9 30 0 4 6 5 l0 0 8 8 2o 1 1 0 40 1 1 9 5o 1 2 1 70 1 2 0 l0 1 1 6 40 1 1 1 7 0 1 0 6 6 1 2 5 0 n 5 2 o 1 5 0 80 1 7 0 7o 1 8 2 10 1 8 8 0o 1 9 0 l 0 1 8 9 7o 1 8 7 2 1 5 0 1 4 1 5o 1 8 9 7 0 2 2 0 20 2 4 0 80 2 5 4 80 2 6 4 20 2 6 9 9 0 2 7 3 0 1 7 5 0 1 6 7 40 2 2 7 7 0 2 6 8 10 2 9 7 6o 3 1 9 7o 3 3 6 40 3 4 9 0 0 3 5 8 3 表2 3 丝杆最大行程t s v m a x 理论值 摇板长0 5 2 曲 x o 0 5o 1o 1 50 2o 2 5 0 30 3 50 4 0 1o 0 1 2 10 0 0 5 90 0 0 3 90 0 0 2 9 0 0 0 2 30 0 0 1 90 0 0 1 70 0 0 1 4 o 2 5o 1 0 2 50 0 4 2 60 0 2 6 8o 0 1 9 5o 0 1 5 30 0 1 2 7 0 0 1 0 80 0 0 9 4 0 50 6 3 3 00 2 7 7 1o 1 5 4 40 1 0 2 50 0 7 6 00 0 6 0 3 0 0 4 9 90 0 4 2 6 o 7 51 2 5 2 0o 7 0 9 80 4 6 4 4 0 3 2 5 00 2 3 8 9o 1 8 3 40 1 4 6 4o 1 2 0 9 l1 8 3 5 21 1 4 8 50 8 2 8 30 6 3 3 0 0 4 9 9 8o 4 0 3 6o 3 3 1 80 2 7 7 l 1 2 52 2 3 9 5 51 5 6 8 01 1 8 3 8o 9 4 7 2 0 7 8 2 20 6 5 9 10 5 6 3 30 4 8 6 6 1 52 9 4 2 51 9 7 2 8 1 5 2 6 41 2 5 2 01 0 6 0 lo 9 1 5 8 o 8 0 2 l0 7 0 9 8 1 7 53 4 8 1 32 3 6 7 7 2 1 8 5 8 81 5 4 7 31 3 2 9 91 1 6 6 31 0 3 7 1 o 9 3 1 6 1 4 青岛人学硕士学位论文 表2 4 摇板顶部圪 理论值 x 0 0 5 o 1o 1 50 20 2 5o 30 3 5o 4 0 10 3 8 0 70 1 8 5 5o 1 2 2 6o 0 9 1 6 0 0 7 3 l0 0 6 0 80 0 5 2 10 0 4 5 5 o 2 51 2 8 8 1 0 5 3 5 00 3 3 6 30 2 4 5 2o 1 9 2 9o 1 5 9 0o 1 3 5 20 1 1 7 6 o 53 9 7 7 01 7 4 0 80 9 7 0 10 6 4 4 00 4 7 7 80 3 7 9 0o 3 1 3 70 2 6 7 5 0 7 55 2 4 4 32 9 7 3 0l 9 4 5 31 3 6 1 31 0 0 0 70 7 6 8 40 6 1 3 40 5 0 6 3 15 7 6 5 53 6 0 8 22 6 0 2 l1 9 8 8 51 5 7 0 2 1 2 6 8 01 0 4 2 40 8 7 0 4 1 2 56 0 2 0 53 9 4 0 9 2 9 7 5 32 3 8 0 51 9 6 5 81 6 5 6 41 4 1 5 71 2 2 3 0 1 5 6 1 6 2 74 1 3 1 93 1 9 6 92 6 2 2 l2 2 2 0 21 9 1 8 01 6 8 0 01 4 8 6 5 1 7 5 6 2 4 9 74 2 5 0 53 3 3 7 02 7 7 7 82 3 8 7 42 0 9 3 71 8 6 1 81 6 7 2 3 表2 5 水面处摇板最大速度圪 理论值 x 0 0 5 o 1o 1 50 20 2 50 30 3 50 4 0 1o 0 1 1 60 0 1 1 4o 0 1 1 3 o 0 1 1 20 o l l 2o 0 1 1 2o 0 1 1 20 0 1 1 1 0 2 5o 0 3 9 40 0 3 2 8 0 0 3 0 90 0 3 0 00 0 2 9 50 0 2 9 20 0 2 9 00 0 2 8 8 o 5 o 1 2 1 7o 1 0 6 60 0 8 9 10 0 7 8 80 0 7 3 l0 0 6 9 60 0 6 7 2o 0 6 5 5 0 7 50 1 6 0 5o 1 8 2 0o 1 7 8 6o 1 6 6 7o 1 5 3 lo 1 4 1 lo 1 3 1 4o 1 2 4 0 10 1 7 6 5o 2 2 0 90 2 3 8 9o 2 4 3 40 2 4 0 30 2 3 2 90 2 2 3 3o 2 1 3 1 1 2 5o 1 8 4 30 2 4 1 20 2 7 3 20 2 9 1 40 3 0 0 80 3 0 4 20 3 0 3 3 0 2 9 9 5 1 5o 1 8 8 60 2 5 2 90 2 9 3 5 o 3 2 1 0 0 3 3 9 80 3 5 2 2 o 3 5 9 90 3 6 4 0 1 7 5o 1 9 1 3 0 2 6 0 2o 3 0 6 40 3 4 0 1 0 3 6 5 4 0 3 8 4 5 0 3 9 8 9 0 4 0 9 5 注 灰色的数据表示超出造波机电机的造波能力范围 故仅作为参考 1 5 第2 章摇板式造波机及风机造波理论 1 6 青岛人学硕十学位论文 第三章造波机硬件系统设计 3 1 硬件系统概述 整个摇板式造波机的硬件主要包括工控机 运动控制卡 数据采集卡 伺服驱 动器 变频器 伺服电机和风机 浪高仪和风速仪等 如图3 1 所示 工控机 运 动控制卡和数据采集卡等组成造波机的控制系统 工控机作为上位机 并安装 l a b v i e w 软件 完成运动控制 数据采集 数据显示及分析等控制功能 运动控制 卡负责将控制命令传达给伺服驱动器 数据采集卡负责采集现场数据信息 图3 1 造波机原理图 运动控制卡采用n i 公司基于p c 总线的p c i 7 3 9 0 卡 控制伺服电机带动摇板 产生相应的运动 数字量输入输出卡采用凌华的p c i 7 2 5 6 卡 负责各种开关量信号 的采集及控制信号的输出 模拟量输入输出卡采用凌华的p c i 9 11 2 卡 负责风机系 统的控制 浪高仪通过r s 2 3 2 串口读取到工控机 以便分析使用 3 2 摇板电气系统设计 3 2 1 执行机构设计 目前 摇板式造波机的执行机构一般选用伺服电机加传动机械的组合方式 在 本系统中采用的设计方案就是伺服电机加直线模组的传动方式 另外 若是系统对 传动系统的性能要求特别高 也可以采用直线电机的传动方式 直线电机性能优越 可以满足绝大多数的控制要求 在设计过程中 确定合适的驱动电机类型是非常关键的 目前 通用交流伺服 电机一般分为大惯量 中惯量 低惯量和超低惯量四种类型 决定驱动电机设计时 一般需要功率匹配 力矩匹配和惯量匹配三种指标 三种技术指标对电机代表的意 义也不一样 功率匹配 主要是针对电机的工作制而言的 如电机是短时工作还是 1 7 第3 章造波机硬件系统设计 长时工作等 力矩匹配 主要是针对电机带负载能力而言的 如电机是重载启动还 是轻载启动等 惯量匹配 主要是针对电机的调速性能而言的 如电机是变速运行 还是缓慢平稳运行等 由此可见本造波机的电机应该是属于短时工作 轻载运行 动态变速 由造波机的工作特点可知 对电机的动态响应性能要求很高 故惯量匹 配在指标中应占主导地位 一般而言 为保证电机的动态响应性能 负载惯量最好 在电机惯量的l o 倍以下 同样 线性模纠2 2 也是传动系统的关键部件 设计时主要考虑以下几个指标 滚珠丝杆 2 3 j 的基本静负荷 基本动负荷和导程 线性滑轨的基本静负荷和基本动负 荷 线性模组的精密等级 最高转速等 其中线性模组的精密等级除了会影响到定 位精度外 还会直接影响到运行时的噪音大小 并对电机的负载产生影响 因此 应根据使用场合选用合适的精密等级 另外 由于是在造波机中使用 所以还要考 虑线性模组的防水 防尘等防护措施 依据第二章的理论分析和数据计算 由表2 1 一表2 5 选取的数据如下 水槽 宽度6 l m 最大水深h 0 4 m 波高h 0 2 m 周期弘1 s 造波板水面行程e 0 1 0 6 6 m 造波板最大行程趾 0 2 7 7 1 m 造波板最大速度 0 8 7 0 4 m s 波长五 1 4 6 2 5 m 水的密度p 1 0 0 0 k g m 3 1 波速c 2 丝杆导程l 设电机转速 c 兰 1 4 6 2 5m s 3 一 1 丁 一 3 一 2 3 一 3 初选导程l 为2 0 m m 3 负载惯量以 惯量匹配 由于在摆动过程中摇板的摆幅并不大 因此将摇板排开的水看作一整体 这样 做可以大大降低计算的复杂度 实践证明这样做得出的结果是可以接受的 摇板摆动一次排开水的最大体积伊 1 8 到这个速度 因此 计算得到的力矩是大于系统的最大负载力矩的 所以选择伺服 电机额定力矩在1 5 n m 一 3 o n m 之间是合适的 5 电机功率 功率匹配 计算功率的方法有很多 本文介绍三种 前两种是引用水波理论推导出的结论 称为公式法 最后一种是由能量守恒推导出的具有普遍性的计算方法 称为能量估 1 9 第3 章造波机硬件系统设计 算法 a 公式法l 根据水力学理论 当面积为s 的平板在水中以垂直于板面的速度v 移动时 所受 的阻力础下式计算 f c s 生 2 3 一 1 1 式中c 为阻力系数 边长比为1 4 时 c 1 1 9 f 1 5 现将造波板水中部分中点速度作为平板的平均速度 将造波板的摆动等价为平 板的移动 则 1 2 0 5 水圪戡 0 4 3 5m s 3 一 1 2 造波板水中的截面积s d 0 4m2 所以 f 4 5n 理想功率p l p l f v 2 0 w 3 一 1 3 3 1 4 考虑联轴器传动效率为o 9 2 丝杆传动效率为o 9 8 执行机构效率为0 8 则 总的机械效率r 为 故计算功率p 为 r 0 9 2 宰0 9 8 木0 8 o 7 2 1 3 一 15 p p l r l 2 8w b 公式法2 由微幅波理论可知 半个波长的能量e 为 2 5 j 则 其功率p 2 为 3 一 1 6 e 百1 麒 3 6 3 1 7 p 2 e t 7 2w 2 0 3 一 1 8 青岛大学硕士学位论文 式中f r 2 故计算功率p 为 p p r l 1 0 0w 3 一 1 9 c 能量估算法 由于造波板的能量最终转换为水的动能和势能 设水的一个波峰的动能为巨 则 e 圭脚2 3 2 0 这罩的v 为水质点的平均速度 直接求取水质点的速度是困难的 考虑用波速c 替换 其理论根据 可以考虑公式2 一 1 2 综合表2 1 一表2 5 中的的典型周期数据 得到表3 1 表3 1 i l 万驯a 弦的关系 i周期t s 0 2 5o 51 1 i万h 兄1 3 一4 20 7 1 80 4 1 l 考虑积分过程 则由表中可以看出用波速c 代替 1 还是合理的 由式3 一 1 则 水的势能 巨 4 6 j 3 一 2 1 易 m i 木g 宰4 2 l j 3 一 2 2 这里4 为平均波高估计值0 0 5 m g 是重力加速度9 8m s 2 则一个波峰的总能量e o 岛 互 岛 6 7 j 3 一 2 3 将式3 一 1 2 代人3 一 2 0 则摇板的动能为 e 0 5 术m 2 术1 2 2 3 一 2 4 故所需的总能量e 为 2 1 第3 章造波机硬件系统设计 是合适的 故实际功率p 庐磊 易 6 9j 3 一 2 5 p 2 w t 13 8w 3 一 2 6 p 别刁 1 9 1w 3 一 2 7 了许多能量损失 根据工作经验 选择3 倍的安全系数 p 产3 p 5 7 3w3 一 2 8 6 选型 线性模组选导程2 0m m 最高速度大于1 0 0 0m m s 伺服电机最终选择三菱公司h c m f s 超低惯量系列 型号为h c m f s 7 3 伺服电 机额定数据与计算数据对比如表3 2 所示 表3 2 伺服电机选型表 惯量匹配力矩匹配功率匹配 1 0 一k g m 2 砌 功 计算值 4 8 71 5 3 o5 7 3 额定值 o 6 2 4 最大7 2 7 5 0 为保证电机的快速响应性能 三菱公司推荐l l6 的负载惯性比是3 0 倍以下 4 8 7 0 6 8 1 该谱包含5 个参数 除 4 和互外还有厂 和吼几 根据北海区域的实测数据 可取7 3 3 o 0 7 和吒 o 0 9 4 b r e t s c h n e i d e r 谱 这是b r e t s c h n e i d e r 在窄谱和波高 波周期服从r a y l e i g h 分布的假定下 导出的 其谱公式为 跏 0 1 6 7 8 h 等e x p 娟7 5 詈 4 4 1 7 式中 q 一有义波高 q 2 7 r r z 一有义波周期 这是描述充分发展海况的公式 对充分发展的海况 波高 波周期与风速具有 如下的经验公式 g i l l 3 0 2 8 2 4 一 1 8 因此 知道了等价的平均风速玑 便可据此导出相应的有义波高