单板造波机控制软件使用说明

1、液压伺服不规则波造波机软件使用说明书大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室2004年 5 月 20 日0. 前言：液压伺服波浪水槽造波机系统采用闭环反馈方式控制液压伺服作动器，推动水体产生波浪，其控制原理图如图 1 所示。研制造波机系统的主要难度体现在众多组件协调运作的实现上和控制软件的精心设计上，使得不熟悉控制理论和波浪理论的操作员也能够方便、灵活地使用设备。图 1造波机控制框图从图 1 可以看出，计算机发出的D/A 信号控制整个造波机系统运行，系统性能的好坏，除了与其机械（液压）设备的频率响应特性和稳定性有关外，主要取决于D/A信号序列。与所有的控制系统一样，在计算D/A 信号时应该实现

2、系统的传递函数。由于波浪的最高频率在2 赫兹左右，因此只需要考虑造波机系统的低频响应。考虑波浪运动特性，控制软件中当产生斜向波浪时采用的传递函数的表达式如下所示：(sinh(2 0wkDepth)2 0wkDepth)TranRatio2 0(cosh(2 0wkDepth)1 0其中， Depth 为水深， wk 为波数， Angle 为波浪角度。该公式是造波机系统的水动力传递函数，在把造波机系统看作是线性控制系统的前提下，反映了浪高与造波板运动(控制信号 )之间的关系， 是一种对非线性系统 （包括放大电路部分和机械部分）的近似。当要进行模拟实验时，首先根据实验要求先计算需要模拟的波浪浪高序

3、列，而后换算成控制用的D/A 信号。具体关于如何由所需波谱计算控制信号序列，可以参阅俞聿修教授编写的“随机波浪理论及其工程应用”一书。控制软件的名称为WaveMaker.exe,在由微软公司提供的Visual C+6.0 环境下开发而成，下面将对软件的使用作详细介绍。- 1 -一、初始程序界面在 Windows 下启动 WaveMaker.exe后，出现如图 2 所示的初始程序界面。其中包括“文件”、“波流选择”、“仪器标定”、“采样设置”、 “实验”、“数据处理” 、“凑谱” 、“造流参数”和“帮助”菜单选项。图 2初始程序界面其中“波流选择”与“造流参数”两项仅在需要造流时使用，如果单独造

4、波，可不必关心这两项，下面先介绍造波，造流部分在后面说明。- 2 -二、仪器标定在使用传感器之前，需要对仪器进行精确的标定，菜单“仪器标定”中的内容就起到这种作用。点击“仪器标定”后，出现如图3 所示的 2 项内容， “标定仪器”和“信息读入”。图 3 “仪器标定”菜单菜单中的“信息读入”起到读取标定文件的作用，用来从磁盘中读取仪器的信息，文件的缺省扩展名为“ .cif ”。点击后出现文件对话框，使用过 Windows 操作系统的人都可以进行该项操作。* 说明：用户可将标定文件命名为zbj.cif ，复制到“”目录下，程序将在启动时自动读入仪器信息。点击下拉菜单中的“标定仪器”后，出现如图4

5、所示的对话框。图 4“标定仪器”对话框- 3 -任何在造波机系统中使用的传感器，都认为是线性的，即：y=a× x+b。其中： x是传感器的电压输出， y 是传感器当前承受的工程值， a 是比例放大系数， b 是平移系数。进行仪器标定时，首先在“通道选择”的下拉框中选定即将标定的传感器所在的 A/D 通道号。然后在“数据采集与对应”组合中设置当前的工程值，如浪高仪的入水深度等，点击 “采集 ”按钮， A/D 卡获得当前采样通道的电压值将出现在编辑框中，点击“添加”按钮，列表框出现一组工程值和电压值。希望对当前列表框中的几组数据进行统计标定时，只需点击“计算”按钮，该传感器的近似线性标定

6、系数将出现在“标定结果”组合的“系数a” 和“系数 b”对应的编辑框中， 标定曲线与参加标定的数据点出现在图片中， “相关率” 对应的编辑框中的数字显示了当前统计运算的相关系数，表明工程值和输出电压值之间的线性相关程度，该值越接近 1，传感器的线性越好。点击“退出”按钮后，退出标定程序，标定的结果作为当前仪器的标定参数，将在程序以后运行中使用。如果希望把当前的标定结果作为历史数据存储，可以点击“存盘”选择一个文件名，把当前仪器的信息保存到磁盘上，- 4 -三、采样设置本系统中所用采集卡最多可以采集 16 路的模拟电压信号，在进行实验时，并不是所有采样通道都要使用，通道之间的开启情况需要进行设置

7、。另外，各通道在采样过程中是否显示当前数据图形和相应要采集的数据长度也要进行设置。这是菜单“采样设置”要完成的功能。点击菜单“采样设置”后，出现如图 5 所示的对话框，包括“打开通道”，“显示通道” 和“采样长度” 三个属性页。初始为 “打开通道” 属性页，可以通过点击对话框中的复选框选择相应通道的使用情况。图 5“打开通道”属性页点击“显示通道”后，出现如图 6 所示的对话框。这里，并非所有通道可以进行绘图，只有在图 5 中打开的通道才有效，且只可选择一路通道。与图 5 一样，可以通过点击对话框中的可写复选框选择相应通道的显示情况。- 5 -图 6“显示通道”属性页点击“采样长度”后，出现如

8、图 7 所示的对话框，可以通过改变对话框中“采样序列长度” 对应的编辑框中的数据来设置采样序列的长度。 对于不规则波模拟的情况，该数据应是 2m，m 为整数。图 7 “采样长度”属性页- 6 -四、凑谱在进行正规波浪实验时，需要进行相应的凑谱实验，以便得到产生所期望波浪的造波机控制信号，菜单项“凑谱”实现该功能。点击“凑谱”后，控制软件的菜单界面发生变化，出现如图 8 所示的新界面，这是为了防止凑谱实验与正规实验发生混淆所采取的必要措施。图 8 “凑谱”界面点击“返回”菜单，就可以使软件返回到图 2 所示的初始程序界面。（一）、计算波列“计算波列”菜单含有如图9 所示的 4 项：“正弦波”、“

9、椭余波”、“不规则波”、“破碎波”。图 9“计算波列”菜单- 7 -点击“规则波” 或“椭余波” 会出现如图 10 所示的对话框， 可以进行相应的水深、波高、周期和控制间隔（以毫秒为单位）的设置，点击“确定”按钮后就获得相应的造波信号。图 10规则波的设置点击“不规则波” 出现如图 11 所示的对话框， 可以进行谱类型、 水深、有效波高、周期、随机种子、方向、波列长度（造波机控制信号时间序列长度，取 2m，m 是整数）和控制间隔（以毫秒为单位）的设置。图 11不规则波的设置点击“破碎波” 菜单后，出现如图 12 所示的对话框， 可以进行相应的设置： 水深、- 8 -有效波高、破碎距离、破碎个数

10、和破碎间隔等。图 12破碎波的设置* 说明：(1) 对于不规则波，各种谱型对应的波浪参数可参考有关文献，本软件中，波浪周期均指波浪的有效周期；规范谱指最新颁布的港口工程规范谱；J 谱采用合田改进的 JONSWAP 谱。(2) 自定义谱是指用户定义的任意谱，如在图 16 或 17 中选定该谱型，用户需要给定自定义谱的离散数据文件，第一行为数据点数，第二行开始为谱点，第一列为频率，第二列为对应的谱密度值。(3) 随机种子为合成造波机信号时确定随机相位所设， 用户可根据模拟的波浪情况选用。(4) 破碎波只能产生正向波， “破碎距离” 是指欲产生破碎波距造波板的距离； “破碎个数”是指欲产生破碎波浪的

11、个数； “破碎间隔”为相邻两个破碎波之间的时间。(5) 聚焦波是指在指定的聚焦时间在指定的位置产生所指定振幅的聚焦波浪， 聚焦波浪的特性取决于聚焦波的位置、指定的频率范围和频谱分布，本造波程序中有两种谱可以选择，频谱选 1 时为等幅分布，频谱为 2 时为等波陡分布，聚焦时间和造波时间长度应合理选择， 以便使得造波机在合适的时间开始并在合适的时间结束。(6) 造波信号计算结束后，软件自动建议存储造波信号，用户可以选择任何路径和文件名存储当前计算好的造波信号，文件缺省扩展名为“ .mak”。（二）、造波控制菜单“造波控制” 下含有 6 项：“开始造波”、“停止造波”、“开始采样”、“停止采- 9

12、-样”、“保存数据”和“采集零点” ，如图 13 所示。图 13“造波控制”菜单点击“采集零点” 菜单，出现图 14 所示对话框，分为单路采集和多路同时采集，在单路采集中，选择相应通道后点击单路采集按钮即可，如果多路同时采集，单击采集按钮，即可采集所有打开通道的零点。图 14“采集零点”对话框-10-其他菜单的功能与其名称一致，这里不进行详细介绍。下面介绍一下关于造波控制的过程和结果显示。选择频谱为 J 谱的不规则波凑谱为例，过程显示如图 15 所示。图中同时显示了当前试验所采用的谱型和波浪参数等。图 15 采集过程实时显示采样结束后，自动出现如图 16 所示的对话框。图 16凑谱分析结果-1

13、1-此对话框可对不同通道进行频谱分析，选择通道后，点击“频谱分析”，分析结果显示在列表框中，并画出频谱图；使用者可以根据监测点频谱分析结果和频谱图确定是否进行造波信号修正 (由点击“修正”按钮完成)。点击“打印”按钮， 谱形将在打印机上输出。如使用者点击“结果存盘”按钮，可把当前采集数据的分析结果和谱形数据保存起来，文件扩展名为“.spe”。点击“退出”即退出该对话框。如果用户需要保存当前采集的数据，可点击图 13 所示的下拉菜单中的 “保存数据”项保存采集的数据。* 说明：软件中频谱的分析采用 FFT 方法，频谱的光滑采用滑动平均的方法，用户可根据情况选定和合适的光滑点数和光滑次数。-12-

14、五、实验凑谱结束后，点击“返回”返回原来的菜单，进行正规的波浪实验。“实验”菜单下含有 6 项：“打开文件”、“开始造波”、“停止造波”、“开始采样”、“停止采样”和“采集零点”，如图 17 所示。图 17 “实验”菜单点击“打开文件”选项，可以打开凑谱过程中确定的造波机控制信号文件。“开始造波”、“停止造波”、“开始采样”、“停止采样”和“采集零点”五项功能与图 13“造波控制”菜单中的相应各项功能完全相同，不再重复。在试验过程中，每次试验采样结束后，程序自动提示存储当前所采集的数据，用户可根据需要保存数据，数据缺省扩展名为“ .dat”。* 说明：如果根据特殊试验要求， 用户需要自行计算造

15、波信号进行造波机控制， 用户可按照以下的数据文件格式存储数据， 从而可采用本软件读取造波信号控制造波机运动。用户自定义波格式：( 未加注释的，请按照所给数据写入，加注释的数据可根据实际试验更改)3004096 造波文件序列个数20 控制间隔0.080000 波高1.200000 周期0.400000 水深-13-0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.010000 以下为造波时需要的推板位移序列0.0200000.0300000.040000.-14-六、数据处理“数据处理”菜单中含有如图 18 所示的 6 项：“保存数据”、“读取数

16、据”、“极值分析”、“统计分析”、“频谱分析”和“过程曲线” 。图 18“数据处理”菜单“保存数据”是指保存试验过程中采集的试验数据。“读取数据”是指读取已有采集的试验数据，可用于数据分析。点击“极值分析”后，出现如图19 所示的对话框。图 19极值分析-15-在此对话框中，点击“分析”按钮，弹出如图20 所示的对话框，可在此对话框中选择分析通道及所要分析的开始点和结束点，“确定” 后，则将分析结果显示在列表框中。* 说明：分析结果中所显示的极值均已减掉了零点，并已将零点保存在数据文件中，可根据需要进行处理。图 20选择分析参数在图 19 中点击“结果存盘”弹出如图 21 所示的对话框，在此对

17、话框中可选择保存分析数据的通道。 “确定”后，将所选择通道的分析结果存入文件中。图 21选择分析通道在图 18 中选择“统计分析” ，分析过程与“极值分析”大体相同，不再赘述。在图 18 中点击“频谱分析” ，则弹出如图 22 所示的对话框。-16-图 22 频谱分析在此对话框中，点击“分析”按钮，弹出如图 23 所示对话框。图 23频谱分析参数选择分析参数后，点击“ OK”，则将分析结果显示在列表框中，并画出频谱图。在图 22 中点击“理论谱”，则弹出如图 24 所示的对话框，可选择一种理论谱及其参数，确定后，画出理论谱，可与实测谱进行比较。-17-图 24理论谱参数在图 22 中点击“打印

18、”，则将分析结果与频谱图在打印机上输出。 “结果存盘”与极值分析相同。在图 18 的菜单中选择“过程曲线”后，出现如图 25 所示的对话框，选择参数后，点击确定，可见如图 26 所示的结果。图 25“过程曲线”对话框-18-图 26过程曲线的显示-19-七、帮助如图 27 所示，“帮助”菜单包括“造波信息”“调用 EXCEL ”。图 27 “帮助”菜单点击“造波信息”，出现图 28 所示的对话框，显示当前缺省的造波信息。图 28 “造波信息”对话框点击“调用 EXCEL ”，可以自动打开 Microsoft EXCEL 软件，在 EXCEL 中可查看 “ .dat数”据文件、 “ .mak造”

19、波文件 及 “ .spe谱”形文件。后记至此，我们已经把单板造波机控制软件作了简要介绍。由于Windows 操作系统友好的交互性，用户可以灵活的进行控制操作。只要遵守波浪试验的操作顺序，正确的设置参数，就可以完成高质量的波浪模拟试验。-20-附录 1采集数据文件格式说明1打开通道总数0打开通道0.200000 该通道标定系数0.000000 该通道 X 坐标0.000000该通道Y坐标0 0072 该通道零点（老程序没有此项）/ 打开几个通道，则对应有几个通道的信息1024 采样长度0规则and不规则 and破碎波 ( 依次对应 0， 1， 2)0是否是多向波( 破碎波 and多向不规则波为1，其余为 0)0具体类型( 规则中， 0为正弦波，1为椭余波 )( 不规则波中，按对话框中各造波类型的顺序从0-7)2000 DA个数20控制间隔0.100000 波高2.000000 周期0.400000 水深0.000000 方向30.000000 方向集中度12345.000000 随机种子3.300000 Gama0.000000 ampl_SW0.000000 Bata以下为采集的数据的工程值.-21-附录 II造流部分软件使用说明一、波流选择图29“波流选择”菜单如图所示，默认为造波，单独造波实验时可不必选择；如