造波机的控制及其实现（可编辑）

1、造波机的控制及其实现 武汉理工大学 硕士学位论文 造波机的控制及其实现 姓名：张亚群 申请学位级别：硕士 专业：流体力学 指导教师：姜曼松 20070501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 造波作为一项重要的试验技术，造波机作为一种重要的试验装置，在船舶、 港口，海岸工程、海洋工程等领域占有重要的位置。造波机及其相应的造波理 论已有上百年的历史。 造波理论是波浪理论在造波机上的应用，是造波机设计的基础，也是造波 机控制的理论依据。本文叙述造波理论和造波机的发展，国内外的研究现状， 阐述基本的造波理论和吸收式造波理论，把自动控制的概念和理论运用于吸收 式造波机的控制。 目前，交流伺服造波机标志了

2、国外造波机的先进性，引领了国内造波机的 发展趋势。交流伺服造波机，在机械上，主要由滚珠丝杠、滚珠导轨和造波板 组成；在电气上，主要由交流伺服电动机、驱动器、运动控制器和PC机组成。 在16单元交流伺服摇板式水池造波机和交流伺服单板推板式水槽造波机上，运 动控制的编程己经实现。在基于美国NI公司的Labmndow蚋C虚拟仪器编程 平台，完成了集成化的造波软件系统，包括通讯、系统设置、二维规则波生成、 二维不规则波生成、数据采集和实时显示、波谱分析和统计分析等。 吸收式造波机在结构上与普通造波机相同，只是在造波板上增加了浪高传 感器。吸收式造波机是从造波理论的角度上对这类造波机的一种命名，它在造

3、波的同时，做与反射波相位相反的运动，从而消除造波板的二次反射波。从自 动控制的角度上来说，它是全闭环控制的造波机。它在造波板位置内环控制的 基础上，增加了瞬时波高的外环控制，可称为波形反馈，而普通造波机是位置 反馈。为研究吸收式造波技术，在O4m宽，15m长的玻璃水槽上安装了一台交 流伺服单板推板式造波机，编写和调试了普通式造波程序、主动吸收程序、吸 收式造波程序，采集波高和计算调整推板位置每秒1000次。测试数据表明，在 主动式吸收的工况下，水面能快速平静；在吸收式造波工况下，波高自动调整 到给定值，波形稳定性好。在吸收式造波机的控制中，实时的数字滤波和实时 的控制算法是关键。 关键词：造波

4、机，吸收式造波机，Labwindowsc，交流伺服，运动控制 武汉理工大学硕士学位论文 Abstract isall test makerisan Wave-makingtechnologyimportanttechnology；wave the in both those position testerTheyoccupyimportant Filed,such鹬ship important hasbeenmorethan sinceWave engineering,oceanengineeringIt port,coa$tal years makerandits theoryappeare

5、d isthe ofwave towave Wave-makingtheory applicationtheory maker,the maker basisof wavemakerContr01 foundmionofwave design,thetheory researchand state ofwavemakerare Wave-makingtheory,the development essemialand areoutlinedThe describedThe absorbingwave-makingtheory concept and ofautomaticcomrolare t

6、othecontrol wavemaker theory applied ofabsorbing At wavemakershowstheadvanced ofwave present,AC驼IVO development makerat alsothe trendofwavemakerin servo aboard，anddeveloping chinaAC wavemakerismadofball in made up crew,parallels，wave-makingplatemachine,is ofACscrvo ControllerandPCinelectricIntheACSe

7、IVO up motor,Driver,Motion 16cells wavemakeandintheACservo flume pool singleplatepush rocker-flap ofmotioncontrolhas wave achievedOnthe maker,programmingimplementation baseof forVirtual isaC LabWindowsCVI c Instrumentation whichlanguage latformownedNational developmentP by Instrument,wave-makingprog

8、ramsystem hasbeen includes realizedThe programsystem communication,systemsetup，2D andrealtime regulargeneration,2Dirregulargeneration,dataacquisition display， spectrumanalysis,stati出csanalysis which forawave isinstalledbefore wave Except probe height plate,absorbing makeristhesameaseom_*nononeFromth

9、e hasthat pointofwavemakingtheory,it has adverse been nameWhenthemotionthat the ofthereflectedwaveis done， phase atthesametime second wavecaused dothe reflected wave-makingmotion,the by isbeenavoidedFromthe ofautomatic wave-makingplate point wave makerisa closedoneOnthebaseof fully loop wavemakingpl

10、atesposition ofinside wave ofoutsideis wave-form loop,real-timeheight loopadded，named n 武汉理工大学硕士学位论文 has t0d0 feedbackCommonwavemaker feedbackInorder the only position researchabout do wave-makingtechnology,we absorbing following aAC flumewavemakerona flumewhichisO4mwide gcrvo singleplatepush glass

11、and15m and of common debuggingprogram,including long；compiling and wave and wave-makingabsorbingwave-making；acquittingheight，calculating timessecondAsoftest adjustingwave-makingplatesposition,1000per aresult data, whenactive isusedthesurfacecloud tI肌to absorption quickly calmness；when is to used，wav

12、e settingvalue， absorbingwave-making heightautomatimttyadjusts andwave both andcontrolarithmetic keepgoodstabilityThatdigitalfiltering shape be mustreal-timeisthe inthecontrol wavemaker key ofabsorbing words：wave wave Key maker,absorption scrvo， motioncontrol 111 武汉理工大学硕士学位论文 第1章绪论 造波作为一项重要的试验技术，造波机

13、作为一种重要的实验室装置，在船 舶、港口、海岸工程、海洋工程等领域占有重要的位置【”。 造波机主要的任务是生成符合要求的波浪。这种要求包括规则波和不规则 波，二维波和三维波以及有特殊要求的波，规则波包括对波高、周期的精度和 稳定性的要求，不规则波包括对有义波高，谱峰周期、能量和重复性的要求， 等等。 11造波机的发展历史 模拟实际的海浪是造波机的一项主要任务21。海浪是一种三维的随机过程， 其周期、波高均随机变化。从模拟技术的角度，我们通常使用规则波、二维不 规则波、二维方向波 斜波 、三维不规则波来 三维方向波 来对海浪进行描 述。 国内从50年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波

14、正弦波或 余弦波称为规则波 开始研究。50年代初，中国第一台规则波造波机研制成功。 70年代，我国造波系统逐渐采用模拟信号装置来控制。70年代末大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室利用引进的“CROMEMC”微机作为控制机， 研制了国内第一台不规则波造波机调频式造波机，因其机械惯性较大，仅 能模拟一些简单的波谱。80年代初期，在对从美国引进的大型水槽不规则波造 波机及多向不规则波造波机等设备消化吸收的基础上，国内几家科研单位研制 了低惯量电机驱动的不规则波造波机和电液压伺服不规则波造波机。90年代以 后，造波机逐渐开始采用计算机控制。 建于1956年的荷兰瓦格宁根水池31，是世界上最早的

15、一座耐波性水池，该 水池长100米，宽245米，深25米，采用摇板式蛇形造波机，摇板高14米， 年，水池为矩形，主尺度为110X736米。造波机采用空气式造波机，造波范 武汉理工大学硕士学位论文 行模拟。英国哈斯拉水池，建于1957年，安装有冲箱式造波机，可造长峰波规 则波和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和 不规和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和 不规则波。日本三鹰露天水池，装有摇板式造波机，可造波长为O7米，最大波 高04米。 20世纪80年代以后，国际上建造的造波机都向具有生成规则波、二维不规 则波和三维不规则波的造波能力方向发展

16、。 12造波理论的发展 问的关系 波高摇幅比 ，被认为是关于造波机原理最详细最完整的论述。1957 年，日本鹤田千里阐述了造波机的设计理论，1959年，Ursell在美国麻省理工学 院制造了推板式造波机，与上述理论做了实验对比；1971年，Gibert给出了表 示为波浪周期函数的波高摇幅比，1976年，美国航水杂志发表两篇文章，对摇 板式和冲箱式造波机应用上述理论做了数值计算。 在国内，1979年，杨森华整理了鹤田千里和Blesel的造波理论，1987年， 刘子琪做了类似的事情。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。 13吸收式造波机的出现 目前，造波机在向着吸收式造波机的方

17、向发展。国内外都在进行这方面的 研究。 在实验当中，水池中传播的波浪往往达不到要求f4】。在波浪与海岸建筑物相 互作用的物理模型实验中，由造波机产生的入射波沿着水池方向向前传播。由 于水池长度有限，一段时间内一部分波浪传播到水池的尽头，碰到池壁反射回 来形成反射波；另外一部分波浪作用于实验模型，被实验模型反射回去，也形 成了反射波。反射波以与入射波相反的方向传播，遇到造波板上，就形成了二 2 武汉理工大学硕士学位论文 次反射波。在水池封闭的环境中，反射波又与试验模型和入射波反复相遇，多 次来回反射。由于两种反射波浪的干扰，很大程度上影响了波浪的质量，也影 响了整个实验的准确度和精度I，】。这样

18、，在试验最终结果上，需要对实验数据做 一些额外的数据处理才能保证数据的实用性，需要耗费大量的时问和资源。为 了解决这个问题，试验人员想到加长实验永池的长度，或是减短造波的时间， 但这都不能有效解决问题。在这种情况下，无反射造波技术便应运而生。上世 纪90年代以来，无反射造波技术在国际上开展起来。 实验室有两种常用的消波方式称为主动消波和被动消波。 在波浪模拟系统中，目前广泛采用的是被动式的消波方法设置在水池中 的消波装置，利用其特定的结构，使褥入射波浪以及池壁反射波的锈量在其中 耗散掉，从丽消除池壁对波浪的反射作用。目前国内外普遍采用的被动消波装 置有消波板 又称为压浪板 、消波堤、直立尼龙丝

19、滤波网以及一些漂浮在水面 的滤波物。 被动式消波系统可以在定程度上吸收次反射波，不能消除二次反射波。 而主动式游波系统能够使生成波总是保持在个较为理想的状态。 所谓主动式消波包含两方面的含义；一是这个系统能够造出符合试验精度 要求的波浪；二是在造波的同时，这个系统能够有效地消除从船模、对面池壁 和消波装置上反射回来的波浪，从而避免它们撞击造波机构再次产生反射波。 主动式消波方法就是通过主动式消波装置产生合适的生成波抵消反射波。 主动消波系统，是指在常规被动消波系统中用消波机代替被动消波装置。消波 机根据水池中已有的波浪运动产生合适的生成波，该生成波与原有的波浪运动 叠加，从而可以有效地抑制反射

20、的波浪运动，消波机实际上也是一台造波机。 当造波机同时具有吸收反射波和造波功能时，我们称之为吸收式造波机。在造 船工业发达的西欧和日本，试验水池都已经采用主动式消波系统。 原始的主动消除反射波曾采用在造波板前布置消波网格的方法，但这种方 法只在小波高和一定周期范围内可用Mildam最早提出现代的主动消波方法， 在预期的试验入射波信号中减去二次反射形成的造波信号，即把二次反射波与 造波机产生的波叠加在一起形成预期试验波。其后许多学者经过长期的实验和 探讨之后有了一些比较成熟的理论，在实践上也得到了进一步的证实。 在国内，也有开始尝试做一些无反射造波的实验，但未见成熟运用的技术 出现。去年天津港湾

21、工程研究所从日本引进了无反射造波实验水池，为国内首 武汉理工大学硕士学位论文 台可以实现无二次反射的造波机。该造波机利用三点法和五点法分离入射波和 反射波，从而达到了吸收了二次反射波的目的。 14本文研究的意义 通过在船池中模拟实际的海况，测试模型在波浪中的各种响应特性，是目 前船舶耐波性试验的基本方法。模型试验结果的准确性及可靠性一方面取决于 模型本身能不能够很好的反映实际结构工程的几何及力学性质，另一方面取决 于实验环境是否能够准确的反应自然的海浪环境。为了能够提供高质量的实验 环境，就必须不断改善和提高造波技术。 ， 就海岸工程的研究而言，由于现场测量所需的人力、物力相当可观，再加 上受

22、限于自然气候的因素，通常只能进行局部而且短暂的现场测量。较全面而 且详细的研究，必须通过实验室物理模型实验。物理模型实验探讨海岸工程问 题，相当重要且属于基础性的课题。要对海岸工程物理模型实验结果有正确的 分析，首先需对造波机造出的波场有充分的了解，尤其是非线性造波时，造波 机本身的操作控制与反应特性，对形成波浪的相互作用影响的研究，更为重要。 拥有性能良好的造波系统是提高波浪模拟技术的重要一环。造波机及其造波 技术已有上百年的历史，但是随着对船舶耐波性和安全性研究的深入，随着对 港口工程、海岸工程研究的深入，对造波试验也提出了更高的要求。 国内船舶研究单位拥有几十座各种造波装置，海岸工程研究

23、单位拥有一百多 座大小不同的造波装置。为了提高造波精度和模拟不规则波，其中大部分造波 机面临改造的任务。新的研究项目使新的大型造波项目不断出现，其中不乏重 金从国外引进。国内对造波机做过许多的研究，已有相当的水平，积累了相当 的经验，但在新技术日新月异的今天，与国外造波水平仍有明显的差距，这种 差距主要表现在对造波机的控制上 造波是一门综合科学技术它涉及到波浪理论、自动控制理论、海洋学、 机械原理、电力电子技术、传感器技术等多种学科。现在，高新技术的快速发 展，为造波技术的进一步提高提供可能。 因此，本文的研究具有十分现实的意义 4 武汉理工大学硕士学位论文 15本文的主要工作 本文叙述造波机

24、的发展，国内外的研究现状，阐述基本的造波理论和吸收 式造波理论，阐述自动控制理论在造波机上的应用，在此基础上，本文的主要 工作是： 1在造波机上实现了交流伺服和运动控制的新技术。 工作，其中包括：通讯、系统设置、规则波的生成、基于海浪谱的不规则波的 生成、数据采集和实时显示、波浪的谱分析和统计分析等。 3。提出波形反馈的概念。在交流伺服控制的基础上开发出具有吸收功能的 造波技术。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2章造波理论 21造波机的形式 造波机的造波形式多种多样，迄今为止有如下几种： 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，波长和周期则由摆动

25、频率来确定。 2。活塞式。活塞式又称为推板式。通过连杆驱动设在水槽中一端的活塞进 行往复运动，使池中水产生波动。波高取决于活塞的冲程，波长则取决于往复 的频率 3冲箱式I埘。造波部件为断面呈特殊形状的箱体。通过该部件沿垂直水面 方向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。 5气压式。气压式是利用气压的变化来产生水面波动。如负压提升法，也 可以是通过鼓风机产生的高压气体作为扰动源，通过改变气压的大小改变波高， 气量的大小改变波长。 目前摇板式造波机和推板式造波机为应用最为广泛，因为这两者具有结构 简单、控制方便、便于维护的特点。摇板式造波

26、机一般应用于深水域造波，而 推板式造波机般运用于浅水域造波。 22摇板造波理论 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。由于年代久远，可以查阅的理论推导在印刷上多有错误，为严谨起见】 本节文从微幅波理论四【13出发，来推导摇板造波【141的理论公式 6 武汉理工大学硕士学位论文 图21摇板造波参数示意图 如图21为推导摇板造波理论公式的参数示意图。设水深为h；造波板水面 下垂直深度为，；水面处摇幅为E；造波板以振幅A来运动产生波浪；设波浪高 度为H；波长为A，周期为T。波浪传播方向设为正，X轴与水池底部平面重合， Y轴与造波板的处在垂直位置时重合，且方向向上。

27、 摇板上不同水深处摇板的摇幅e： Po， 0 0Y 一D PO， 等o，一办+D |jl-I yh ， 2一1 摇板的水平位移： x2e y sincot 22 摇板的水平速度： 鱼 国PLv cos国f dt 23 摇板的水平加速度： 出 式中，波浪的角频率： 彩：2衫：娶 25 7 武汉理工大学硕士学位论文 T为坡浪的刷期，f为波浪的频翠。 基于微幅波的假定，HPX A，设速度势为Q，造波板处波浪的水平速度为u， 垂直速度为v，则 譬 国PO coS -Of 26 娑 v 27 速度势满足拉普拉斯方程： 窘+窘 。aa 仁s，、 7 边界条件： 水底处垂直速度为零： ， v 掣 删 o 2

28、-9 oy 水面边界条件的关系式： 事增茜 0 满足上述方程的速度势的一般解为： 一。：i 吒 对行进波又可写成： 矿2 2-12 对币求导，并带入 2一10 式可解得： 础五嘶一搿洋一碳四+豇国。0s cos 耐硭一酬刎：o ： 2-13 当y h时，该式要成立，l【。和k由下式解出： D2-kogtanh koh 0 2-14 8 武汉理工大学硕士学位论文 国2+kgtan kh、 O 佗-15 对十 215 式，采个回足的国，硐尢男多个k与之对J匝，记为拓，n l，2，拓 入 26 ，两边乘以ch koy 并积分，得： Cocos魄x r幽2 koy陟+ 由 214 的关系可证明上式中的

29、J。幽 盂cos 毛少l砂等于零，并根据微幅 理论，当质点的水平运动振幅很小时，COS kdx 将趋于1，于是可解得： co一锩等 ：下盥翌坠 217 宏眠h+sh ko而渺 ：2kIoe y ch koy dy 将 2-1 带入，积分，可得： co 嚣地嘴怒羰群四 同理，将p带入 2?6 ，两边乘以cos k。y ，积分后得： 当mn时，可解得r西 蛐 cos ky ay o，当m n时，因 c 氐y c。s 七。y dy o，上式变为： r 220 芝Ge一”J：，cos2 I 方 rP y cos k。y dy 武汉理工大学硕士学位论文 当x一0时，e一”专1，故有： G：J：eF y_

30、 eos k一y + 2-21 J。COS2 ky ay 将 21 带入，积分，可得： 8 kh+sin kh eos kh 由 2?7 式可计算水质点垂直方向的平均位移： 歹 f挚 2-23 上式中，等式右边第一部分为行进波，第二部分为造波板产生的驻波。 可知造波板前的半波高为； 彳2co曲瓴JI， 224 将式带入，得： 止号趔趔koh+sh亟 ko坐h ch蔫 ko幽螂 n，、 四 无因次化，令 E +5喇鼬 曲 Jj， 佗26 则 这就是波高和摇板冲程的关系 10 武汉理工大学硕士学位论文 23推板造波理论 一Z rl_：一-、了 。 基 l l卜仆莲 几 l f 一 L I l r孙

31、 如l杉纵淹 图2-2推板式造波机结构示意图 在如图22所示的推板式造波机简图中，选择坐标系使得z轴与造波板的平 均位置重合，z轴向上为正，选择x轴与静止水面重合。同时假定造波板作小 振幅简谐运动，设水槽中的水深为h；造波板以振幅E，往复作活塞式运动；造 波板运动产生波浪，其波高为H，波长为L，周期为T。 ， 推板造波理论与摇板造波理论都是建立在微幅波理论的基础上。推板造波只 是e y 与摇板造波不同m】。 在式 21 中，推板的推幅为 带入式 27 ，得到 1砌I 一i司咖。 2-29 ro CoEcOS0+巴Esin 搿 230 ，#d 上式中，为水质点垂直方向的平均位移。等式右边第一部分

32、为行进波，第二 部分为造波板产生的驻波。 武汉理工大学硕士学位论文 第3章造波机的系统组成 3_1交流伺服造波系统的组成 交流伺服造波系统采用交流伺服电机驱动，主要分为以下几个部分组成： 造波板、机械框架、伺服系统、数据采集系统、控制系统。图31能够具体的说 明交流伺服造波系统的组成1211。 图31基于交流伺服电机的摇板式造波机系统框图 32交流伺服电机及驱动器 321造波机驱动方式 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。其优点是：体积小，电机启动容易，控制性能好，快速响应 武汉理工大学硕士学位论文 能力强且无污染；其缺点是：

33、力矩输出较小，负载能力较弱，如果要过得很大 得输出功率，电机得质量和体积都会很大。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，因而在轻载情况下，国内外采用电机驱 动的系统比较多 气压驱动。气动系统以空气为介质，相应速度快，且空气可直接从大气 中获得，又可排放到大气中，不需要回流系统，与液压系统相比，气动系统构 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，启动系统比较有效。 夺液压驱动【l”。液压传动虽然油液易泄漏，但输出力矩大，负载能力强， 一个体积与能搬送1423kg载荷低气动或电动系统相当低液压系统，就可搬送 130140k

34、g的负载，而且还有电动系统相当低精度和响应速度。另一方面，液 压系统的油液能起到对运动部件润滑的作用，并通过油液低流动把热量带走， 实现系统低自冷却，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。 从以上所述，综合成本、能源、环境等各个方面的因素，我们可以看出采 用电机驱动方式是最为合适的。目前我们的造波机系统采用的都是交流伺服电 机。交流伺服电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个 特点，它可以和现代的数字控制技术相结合。交流伺服电机在控制的精度、速 度变化范围、低速性能方面都具有其它类型的电