伺服冲箱式造波机控制系统研究（可编辑）

1、伺服冲箱式造波机控制系统研究 华中科技大学硕士学位论文伺服冲箱式造波机控制系统研究姓名:王伟申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:徐国华2002.1.13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,控制结构为模拟调节器,当计算机出现故障时,”由模拟调节器独立完成操作,提高

2、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,采用了模拟和数字混台的控制簇略,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控制玎关,从而可以方便的实现数字和模拟控制。本爻还针对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的高精度定时.并用.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:扰措施。还通过体试验,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

3、制稳定可靠,各项性能指标均到达使用单位的要求。控制关键词:电液伺服装硫 造疲机 普通瓷时器 多媒体河面抗干扰计算机控制?,.,.。.:.。.。.,.:,.?一?华中科技大学硕士学位论文竺竺竺竺竺竺竺竺., , . ,“ . . ?. . .,? . &、., :?一华中科技大学硕士学位论文概论.课题来源及意义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

4、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

5、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,

6、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

7、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,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

8、起来更加方便,整个实验设备可随“身”携带。.国内外概况九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,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.,比单自由度造波机有更为理想的效果。年以后,德国的.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。年代初,法国试验所研制出分段式造波机用于产生斜向规贝波,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

9、,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,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。.造波机理嘲。们“”能用来造波的方式很多,其造波机理大

10、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: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;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;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: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

11、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?。华中科技大学硕士学位论文竺竺竺竺竺竺竺竺竺图? 电液伺服冲箱式造波机结构不愿图,如图.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。在某一水深和

12、摆动周期下,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。.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: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,规则波型为接近弦波;波长:根据船池大小及船舶模型的尺寸,确定波长为;波高:根据波长确定波高为.:华中科技大学硕士学位论文造波机造波型式:有冲箱式和摇板式两种型式,选择简单实用的冲箱式:规则波在波高

13、.情况下,在池体长度上达到个波;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。.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:.液压伺服冲箱式造波机系统总体结构及各部分功能;.根据波浪理论,阐述了造波机造波的原理;.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;.基于.实现了控制系统的软件设计;.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

14、体抗干扰措施:.试验调试及结果分析。一。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造波机总体结构及各部分功能.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.?所示。缸图?造波机总体结构简图.驱动方式选择九九一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,国内

15、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,一个体积与能搬送载荷的气动或电动系统相当的液压系统,就可搬送的负载,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

16、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

17、压驱动方式。.伺服控制方式选择叫?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: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;电流反馈调节方便: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;控制参数调整困难,因其用模拟器件实现参数调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:

18、几乎不受温度的影响;系统参数调整容易;可实现现代智能算法;随着运算量增加,时延增大,系统性能会有所下降;非常易于同微机接;必须有/、/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

19、制液压系统及冲箱运动造波。.动力系统四九九四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:冲箱推动水域形成波浪所需的能量;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。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;合理设计冲

20、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完善设计电液伺服系统,做到高效、节能、可靠。关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.计算:协。产丽】式中:。?造波机所需最大功率,单位瓦:?推板前波高,单位米;旯?波长,单位米:?波数,口觑;?水槽或港池的宽度,单位米;?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

21、,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。.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。

22、基座为“门”字形结构,四条腿可分别进行高度调?一一一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.所示。图.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:良好的低速特性;足够的稳定性:防止油腔压力超压;防止油腔压力出现负压:防止活塞杆失速:可靠

23、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的前提下,合理选择油缸的筒杆径比/或有效面积,由冲箱的振幅可确定行程。按常规伺服油缸精心设计,应注意两点:合理调配/与的关系,使叫尽可能小,以降低加工难度,提高运动性能;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?华中科技大学硕士学位论文污染水质。.控制系统控制系统是整个系统的核,主要由控制柜、主控计算机、位移传感器、伺服放大器、伺服缸、/、/板等部分组成。.方案选择?”?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。分布式控制系

24、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。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

25、,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传感器配置”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

26、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。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

27、。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

28、了一型电位器式位移传感器,测量范围为,对应的电压值为,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。.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

29、箱的位置,此信号经/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/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。华中科技大学硕士学位论文竺墨竺竺竺竺竺竺造波机原理.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

30、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。.基本原理圳四列根据波浪理论,模拟波浪波高与激振频率,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。根据文献波表面振幅氐可用下式表示:.。瓠。面两 丽蕊式中:/。?造波效率:。?推波板的水平振幅:?波数;?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,有限深水域水深为向方向传播的平面进行波的速度势为:.,:一?庀.,其中是波幅,。是波数,满足色散关系:?。/其中,是波浪运动的频率,轴由原静水面垂直向上。为书写简便,记:巡

31、掣,门在平面进行波中取一截面,设为,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,剐娑:。“水质点横向运动的幅值随吃水变化的规律是:川丽.。,?假设有一一块直立柔性板按幅值式?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

32、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?代入线化自由表面条件:?孚硝,可得出自由面方程掌,:一土掣、. 卫詈訾 力”?、由式.,如选取空间某定点,不失?股性,可取,则波形是时间,的函数,显然具有周期:?/如选取某确定时剡,如取,则波形是空间的正弦函数,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:?:/.,.因此,二相邻波峰谷问的空间长度,即波长丑为:?五州即。州丑,此式说明式?所描述的正弦波在一个标准周期内,将有。个周期振荡

33、,即有&。个波,因此,称。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?式,考虑到波长和周期的表达式,得到:.?:嬖革/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,砌孕则九旯,矗因此,迭代过程用如下形式表示:矗九,五,; 见。五,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:/作为九一,的值。造波板运动形式分析卜?图?是造波板运动形式示意图。图中线段长度为自由面上水质点横向运动幅值.:/。,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/.,曲线是水质点横向运动幅值分布曲线。,/?一 图. 造波板运动形式示意图设造波板在水面和池底的

34、位移幅值为。和,用.和,的关系来表达造波板的运动形式,叮以有以几种方案:方案、使造波板位移幅值成为连接图一中、两点的矩形于布,即,造波板作纯推运动;方案、使造波板位移幅值成为连接图?中、两点的三角形分布,即,造波板作绕,一的纯摇运动;方案、使造波板位移幅值成为连接图?一中、两点的梯形分布,即,/。,造波板作推摇混合运动:方案、使造波板位移幅值成为连接图.?中、两点的线性分布,点是这样选择的,使是所有通过点的直线中与水质点横向运动幅值曲线。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:?.。彦那么,在方案巾,;在方案中,由三角形的性质可知:在方案中,由梯形的性质

35、可知裂:在方案中,令华中科技大学硕士学位论文?彦。,州咖来决定口,即?.勿一/女,少由此可知?.。一?;这样当频率给定后,种方案的均是定值。造波板运动幅值与是线性关系。种方案的互不相同,但有以下联系:如果要造极低频的长波,。寸,方案和方案的斗,与方案趋近,造波板运动成为纯推:反之,若要造极高频的深水波,。,方案的。/,与方案趋近,造波板运动成为绕,一的纯摇,方案的口./,造波板运动成为绕,一/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

36、合方案纯摇方案性能接近,但次于方案,这两种方案也是实际中常常采用的,纯推方案性能差,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。.波浪参数计算咖帅.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?五二/式中,五?波长,?重力加速度/按要求拟定造波的波长为,按式?计算出各周期下的波长,列于表.一。表. 不同波长对应周期波长五周期.波高冲箱造波的波高是由冲箱的几何形状、冲程大小和

37、运动频率决定的。设冲箱上下振动的规律为见图一:?式及图中:。一一冲箱振幅一一冲箱浸深?冲箱在水面处的宽度卜一冲箱受力珊一一圆频率,/?:孥:图.冲箱示意图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】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:?。,其中,口考虑波高沿水池长度逐渐衰减:,:拿, 兴波阻力系数,查图?;西?冲箱截向的方形系数;碰,为冲箱浸深,/五:则波高:?。.彳,经过冲箱模型试验,决定采用如图?所示的截面形状,对此冲箱, ,西 ,/心访蟛譬故妒。 。沁 .,。 尹。

38、玎工? 尹口幻妒 ,、直. 口酊,睡哆 彳 尹.火。了 叠 、 ?卜 、?、一卑?:心 一鼍吣?十一肛配卵苦吖町乏吖一。疋图.冲箱垂直振动阻力系数华中科技大学硕士学位论文利用式?及图?可以计算出不同冲程不同波长下的波高值,按表?计算/。,按表?计算波高。表?兴波阻力系数及/。:.,.波长厅/. . . .地. . . . .,?:., . .?. . .表中数据,.、.与实测相比偏低,故分别以实测数据.及.代替进行下列的波高计算。其次,造波机服务的实验室只有米长左右,所以衰减系数必大于.,故实际产生的波高应比计算略大。表.不同冲程,不同波长下的波高值波长冲程滁. . . . . . . . .

39、 . . . . . . . . .周期“删.作用在冲箱自、力和功率冲箱上下周期振动的一般运动方程为:.旦归声:尸,华中科技大学硕士学位论文其中,?冲箱单长度的重量:?重力加速度:,膨、,?虚质量;:,掣,?虚质量补偿修正系数,见图.?卜一冲箱长;?水的密度:庐,?兴波阻尼系数;?水的比霞:旦:当:时:?水线以卜中箱截面积:对式.微分,冉微分,得到冲箱的速度,加速度:一.一国,当:时,淤:,旦:,则作用在冲箱上的外力为:?叫尸,?: ?。,计算外力,将要用到表?中所列的,以及图?中查出/,用下式计算出瞬时功率:华中科技大学硕士学位论文,:塑马力,根据式?,式?可以训算出各种波长下的外力和瞬时功

40、率,这只是造波理论上所需的外力和功率,导向杆运动摩擦及克服惯性力所耗的力及功率尚不包括在内。表?、表分别列出了,五时的外力和瞬时功率的计算结果。时,力最大,时本设计冲箱,故 时,最大的瞬时功率: .马力,同理,对本冲箱:马力。.?;华中科技大学硕士学位论文 苎竺 ;“苠.跄 文 怠邓电 吖 .一 . 。. 一,、 恕舄、,.鞴噼三磐巡毒蚶坚掣一以矗匝、,/ . /,/一/?,卅 纠识/麓/ /圹/?/孑/:夕/,:,一:二二;习三?,?一华中科技大学硕士学位论文寸 一 卜。一釜巡一日望兰. . .一 喧?昌兰夏妊”?卜 已莲奄 .口一节笔望点 毡帚心、.。;”一釜 宁 百爸曼 毫妻口心、 宅墨

41、宅奄一一星 巴尊答莲 .州 ?尝.一支料叫罄留?畏划鉴蕞量去。一文 留翟兰叠 龟娄量麓:乏龟懈 /可、华中科技大学硕士学位论文一也一弩:葛“,一釜钆兰?一.心 ” 釜一殳心、小一 寸毒 宁一钆百 譬.奄龟.奄 .璺 罨苫毡釜羔心口器宁 已 守一过 警司.奄甘昌。一心 望龟一昌。卜肴。一.毽口一害。乏.奄。一。蓬.?钆、拿董罱 是、一支鼋。口当 夏望口螽 。驾三料罄譬蓝娶武留三吣 莲鼍“乏以呻琳华中科技大学硕士学位论文控制系统组成及原理.引言控制系统是造波机系统的中枢,它关系到整个系统能否正常运行,能否精确运行,但是造波机系统具有较严重的非线性,很难建立起其精确的数学模型,这就给造波机控制系统的

42、设计带来了许多困难,因此对控制方式和控制算法的选择具有一定的要求。工业控制计算机九十年代以来在工业控制领域得到了长足的发展,随着其性能的不断提高,使其在工业控制领域得到了广泛的应用。控制是最早发展起来的控制策略之一,因为它所涉及的设计算法和控制结构都是很简单的,并且十分适用于工程应用背景,此外控制方案并不要求精确的被控对象的数学模型,且采用控制的效果一般是比较令人满意的,所以目前大多数工业控制系统都采用了控制。.计算机控制系统的典型应用方式。”本系统采用了计算机控制的方式,工业控制计算机是在普通的基础上加固而成,具有普通不可比拟的特殊优越性,具有实时性强,高可靠性,充分的过程输入输出能力及丰富

43、的网络支持能力等特点,广泛应用于工业生产的过程控制。工业计算机控制系统根据它所控制的生产过程的复杂程度,不同的控制对象和不同的要求,应该有不同的控制方案,几种典型的应用方式如下:.数据采集和数据处理计算机在数据采集和处理时,主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和实时分析。这种应用方式,计算机不直接参与过程控制,对生产过程不会产生影响。这种应用的典型框图如图.所示。华中科技大学硕士学位论文工计业算对机象图.数据采集、数据处理组成框图.直接数字控制系统直接数字控制系统是计算机控制系统中最普遍的一种方式。直接数字控制系统中的计算机

44、参加闭环控制过程,无需中间环节调节器。其结构图如图.所示。一般的直接数字控制系统,有一个功能较齐全的运行操作控制台,给定、显示、报警等集中在这个控制台上,操作方便。工计业斗砟算对机象图.直接数字控制系统组成框图监督监控系统监督控制中,计算机根据原始工艺信华中科技大学硕士学位论文息和其它参数,按照捕述生产过程的数学模型或其它方法,自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值,从而使生产过程始终处于最优:况。监督控制系统有两种不同的结构形式,如图?所示。卜?一卜?一工用卜?一业到嚣黔调?一计对算象机调节口.设定值工用用计测量。业簋计对 机算象机图.监督控制系统的两种结构形式模拟调

45、节器系统; 系统.加上模拟调节器的控制系统该系统是由计算机系统对各物理量进行巡回检测,并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值送给调节器,使工况保持在最优状态。当计算机出现故障时,可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。华中科技大学硕士学位论文. 的分级托制乐统这实.足 个 级;制系统,叮果卅档微删机,它与之间通过接【进行。息联系,.计铮机 成高级的最优化分析和计算,并给出最优给芷伯,送给级执】:过挂控制。当级微型机出现故障时,可由微型机完成的控制功能。,这种系统提高厂第一阽。集散控制系统分散型综合控制系统或分散型微处理机控制系统简称集散系统。其

46、组成框图如图.所示。它是以微处理机为核心.采用单元组合方式,根据不同需要灵活组合的 个芒整系统。图.集敞控制系统的细成框图本系统采用方式以卜应刚力式,除第一种以外,其他几利都能实现本系统所要求的功能华中科技大学硕士学位论文但直接数字控制方式对计算机要求太高,一旦计算机出现故障整个系统都将瘫痪,这在现场环境比较复杂的情况下是不安全的。集散控制系统安全性较高,但其成本又太高,比较适合大系统的综合自动化。因此根据实际情况,本系统采用了模拟调节器的控制方式,调节器自行设计,具有模拟和数字控制选择开关,具体设计见“伺服放大器设计”一节。从实际调试情况来看,此结构合理可靠,安全性高。.控制系统结构。”“圳

47、”伽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、模拟一数字混合控制三种。本系统采用模数混合控制,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,控制器控制液压系统及冲箱运动造波。系统框图如图.?所示。图?控制系统方块图电液伺服系统由指令装置工控机、/、/板、伺服放大器、伺服阀、液压缸和反馈传感器等组成一个闭环系统。试验中要模拟一个波谱时,首先根据目标谱实测谱或者理论拟合谱生成一个电压时间系列值控制信号,经/接口转换成不规则的电压信号,送给伺服控制放大器,经

48、放大并变为电流信号后去控制电液伺服阀,电液伺服阀输出压力油推动液压缸动作,液压缸活塞杆又与冲箱铰接,从而驱动冲箱推动水体而产生波列,位移传感器实时测出冲箱的运动轨迹,将液压缸物理量转化成电量信号送转换器实时反馈到计算机,修下机械惯性等带来的误差,以确保冲箱能准确地跟踪计算机给定信号。根据华中科技大学硕士学位论文实际需要,该造波机冲玎运动频率神: 之问,活塞行程最大为。:控机的:川:嘤足利其弛:人的“算、逻辑断和记忆等能力来实现控制姚律,按要求给?造波机运动轨迹年造波心期誓,并提供人机接口,在监视器力态显出轨迹跟叛:曲线。还,便的牛成姚波和不规则波信号,产生相心的造波指令盯,经/转换后输入洲服放大器.本系统采用研祥工控机。闪为俐服系统为模数混合控制系统,所以计算机输出的数字信号要经过/转换器变成模拟信