摇板式造波机在船模试验水池中的应用

摇板式造波机在船模试验水池中的应用

模型试验是研究海洋、港口工程和海洋工程结构在波浪作用下的运动、强度和安全性的重要方法。为了进行这项研究，我们必须在池塘中模拟海洋环境的条件。波浪模拟是最重要的因素。因此，该系统与船舶模拟游泳池相结合，可以在池中模拟波浪。1987年，哈立本应用工程大学的船模型调整池实验室从国外引进了一种动态波机三维造波机。当时，它的技术性能在国际上相对先进。随着现代科学技术的发展和港工的科学研究的深入，与主机相关的波机控制系统不能满足试验要求。结合不断发展的波浪和造波理论的新成果，使用高改进的微型计算机对造波系统控制程序进行了多项开发，增加了新的功能，并在windows系统下执行了所有波形机控制操作。该控制程序已成功应用于海军工程项目的试验。1系统运行状况从国外引进的这台摇板式三维造波系统安装在哈尔滨工程大学船模拖曳水池的一端.水池主尺度为108m×7m×3.5m,在造波机的后测设有直立式消波网,在水池的另一端设有消浪斜坡,以消减波浪的反射.该造波系统硬件设备包括液压动力包、伺服驱动系统及造波板等造波系统部分、控制器及信号发生器部分、计算机控制及数据采集部分.液压动力包系统配有37kW的液压泵,还有各种控制阀、液压管道、蓄能器、冷却泵等以及外罩隔音设备.液压泵可自动调节瞬时液流量,压力峰荷则由蓄能器来调节.冷却泵从水池内取冷却用水.整个系统由热继电器保护开关自动控制启停,当油温达到预先给定的温度时,水泵开启,温度若继续升高到70℃,电源切断,整个系统停止运行.8个伺服油缸通过高压油管与液压动力包相连.油缸活塞直径为60mm/40mm,最大冲程1200mm(±600mm),控制油缸的伺服阀和造波板的位移传感器(反馈传感器)同造波控制器相连,形成一个反馈回路.当液压泵开启时,由计算机或信号发生器生成的控制信号经伺服放大器提供给液压伺服阀,再由伺服阀控制油缸推动造波板运动,由位移传感器将造波板运动反馈送回伺服放大器.造波机的造波板由8块摇摆式造波板组成,可分别运动,亦可同步运动,每块造波板底部通过铰链安装在距池底1.64m高的台阶上,上端通过铰链直接与油缸活塞相连.造波控制系统由位于造波控制室的一台主控计算机和位于池端的一台从控计算机以及三维波浪控制器组成.主控计算机用于远端控制,主要作用是输入造波数据并接收浪高仪采集的实际波形数据,将此数据与造波要求相比较,计算出修正要求,然后通过网络将造波数据和修正要求传送给与之相连的从控计算机,从控计算机是执行计算机,它接收主控计算机的造波数据和修正要求,将此要求转换成波形数据,并通过RS232接口传送给三维波浪控制器.波浪控制器用来接收造波机的控制信号,该控制器具有RS232和BNC两个信号输入口,RS232接口与从控计算机相连,用于输入数字信号;BNC接口同正弦波信号发生器相连,用于输入正弦波信号发生器发出的模拟电压信号或外部信号源的模拟电压信号.如果输入控制器的是计算机产生的数字信号,在控制器内经D/A转换后,可控制每块造波板分别运动,即可生成三维波浪和斜浪.如果输入的是模拟信号,该控制器将控制8块造波板同步运动,产生二维规则波(正弦波)或不规则波.信号发生器用于在不使用计算机的情况下,手动产生正弦波控制信号.可通过旋钮手动设置正弦波的波高、周期等参数.波浪数据采集系统包括电容式浪高仪、加减运算放大器、16路滤波器等组成.可同时进行16路数据采集,采集后的数据经A/D转换后送入主控计算机进行分析与处理.造波系统示意图如图1所示.2池塘中的波原理2.1造波机的造波自适应移动电压随机控制模型水池波浪的模拟就是通过对造波机摇板运动的控制,实现水面上某点的随机波动,使该点的波面谱函数满足一定的要求,或使该点的水面波动过程与某一要求波面相似.当要进行不规则波模拟时,首先给计算机输入频域波能谱信号作为目标谱,可以是国际船池会议规定的波能谱,或某个海域实测谱,然后由计算机换算出一个时域随机序列,由此序列控制造波机生成不规则波.假设输入计算机的造波指令信号时序V(t)的波能谱为SV(ω),输出时序H(t)的波能谱为SH(ω),那么,他们之间存在下列关系:SV(ω)=SH(ω)/|G(jω)|2.(1)SV(ω)=SΗ(ω)/|G(jω)|2.(1)式中:SV(ω)为输入电压谱,SH(ω)为预定目标谱,G(jω)为造波机系统的传递函数.G(jω)为整个造波系统的传递函数,它包括3部分,输入的电压信号与摇板冲程之间的传递函数G1(jω)=A1exp(jφ1),摇板冲程与摇板处(x=0)生成波波高之间的传递函数,G2(jω)=A2exp(jφ2),摇板处生成波波高与距摇板x=L处生成波波高之间的传递函数G3(jω)=A3exp(jφ3),由于该摇板式造波机是既能调频又能调幅的线性系统,满足线性叠加原理,因此G(jω)=G1(jω)⋅G2(jω)⋅G3(jω)=A1⋅A2⋅A3exp[j(φ1+φ2+φ3)].(2)G(jω)=G1(jω)⋅G2(jω)⋅G3(jω)=A1⋅A2⋅A3exp[j(φ1+φ2+φ3)].(2)根据流体力学理论可知:A3=1,φ3=-KL,K=2π/λ,λ为波长,则上式变为G(jω)=A1⋅A2exp[j(φ1+φ2−KL)].(3)G(jω)=A1⋅A2exp[j(φ1+φ2-ΚL)].(3)其基本原理为,首先给定一输出波能谱或称目标谱SH(ω),并假定造波系统的传递函数为G(jω),则可求得输入电压谱SV(ω).由海浪原理可知,定点海浪的波高分布是一平稳随机过程,而造波系统为线性系统,所以,造波机输入电压信号也应该是平稳随机过程,并满足丹尼斯一皮尔逊能量积分公式:V(t)=∫∞0cos[ωt+ε(ω)]SV(ω)dω−−−−−−−√.(4)V(t)=∫0∞cos[ωt+ε(ω)]SV(ω)dω.(4)将式(1)代入式(4),采用数值积分法可求出输入电压信号的序列值.在进行数值积分时,(4)式中的ω可等分任意间隔,等分越多,重复周期越长,一般不得少于50等分.相位ε(ω)是0～2π之间的随机数,对于不同的ω,ε(ω)相对独立,该值可由计算机程序产生.将求出的电压信号时间序列送至造波控制器,控制电液伺服系统在距造波板X=L处模拟出给定的不规则波.2.2波谱的修正在水池中生成的非规则波由浪高仪将连续的波高变化转换成连续变化的电压信号,再由主计算机控制A/D卡采集此时域信号,经谱分析后计算出实测的波浪谱,将此实测谱与给定的目标谱SH(ω)进行比较.因为造波机是一惯性系统,不规则电压信号又是阶跃变化的电压信号,所造出的波不可能一次试验就能模拟到预定的目标谱,必须进行迭代修正.修正方法有修正传递函数法和修正输入波谱法两种.1传递函数n的算法即由实测谱算出新的传递函数G(jω)|G(jω)|2=S∗H(ω)/SV(ω).(5)|G(jω)|2=SΗ*(ω)/SV(ω).(5)用新算出的传递函数代替原来的传递函数计算信号谱及信号电压时序列,重复进行以上的步骤,直到获得满意的结果为止.2目标谱的修正修正公式为式中:S′H(ω)为修正后的目标谱,SH(ω)为预定目标谱,S*H(ω)为实测谱,α为修正系数,α可取(0.5～0.618).这一简单的修正公式是收敛的,经过几次修正后,就可以得到谱值形状、平均周期和有义波高一致的谱.3在windows中，波控制程序的主要参数为根据水池波浪模拟的原理,利用VB语言对造波系统控制程序进行了设计.软件编制过程中有关参数按下述方法确定.3.1信号时距的确定在进行数值积分时,信号的时距即信号的离散间隔应满足奈奎斯特抽样定理:Δt≤1/2fm.Δt≤1/2fm.式中:Δt为离散间隔,fm为波浪信号频率上限,fm=2.5Hz.因为主控计算机的运算速度较高,存储容量也较大,为了提高信号的离散精度,将信号时距取为Δt=5ms.3.2基于参数调值的表面活性剂的动态调值在对连续变化的电压时间信号进行离散时,需要对离散周期进行精确定时.由于VB中的Timer定时器精度最高只能达到55ms,不能满足要求,而基于Windows9X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1ms的高精度定时,因此,本软件将多媒体时钟作为造波信号输入的定时器,该定时器的功能及调用方法如下:1)利用函数timeGetDevCaps()确定定时器服务所能提供的最大和最小事件周期.2)用timeBeginPeriod()函数建立想要使用的最小计时间隔,由于间隔越小,定时器消耗的系统资源就越多,对造波控制的实时性就越差,因综合考虑之下,在本造波机软件中将最小计时间隔定为5ms.3)使用timeSetEvent()函数函数初始化和启动定时器事件,首先给出定时器事件发生的周期5ms,然后利用该函数实现对(4)式的周期性函数调用.该函数的参数说明如下:uDelay:延迟时间;uResolution:时间精度,在Windows中缺省值为1ms;lpFunction:回调函数,可定时调用;dwUser:用户参数;uFlags:标志参数;TIME_ONESHOT:执行uDelay定义的计时间隔一次;TIME_PERIODIC:周期性执行timeBeginPeriod()所定义的计时间隔4)回调函数lpFunction是一个中断服务程序,它必须驻留在动态链接库DLL中.在造波控制程序编程时,通过调用timeSetEvent()函数,将需要周期性执行的程序代码定义在lpFunction回调函数中,从而完成每次所需处理的事件.5)使用timeKillEvent(UINTuTimeID),取消给定的定时器事件以释放系统资源.在定时器使用完毕后,应及时调用timeKillEvent()将之释放.然后调用函数timeEndPeriod()来取消应用程序建立的最小定时器精度.Windows系统下造波控制程序运行窗口如图2所示.4非规则波波高、周期模拟误差用上述造波软件对造波机进行控制,在水池中分别进行了规则波(正弦波)和二维非规则波模拟试验,试验中规则波波高为0.11m,周期为1.72s,二维非规则波所采用的目标谱为ISSC谱,有义波高H1/3为0.133m,特征周期T1为1.49s,试验时在距造波板30m处安装浪高仪对波浪数据进行采集并进行分析,结果如图3～图5所示.从图中可以看出,实测规则波波高模拟误差小于5%,周期模拟误差小于2%.图5为采样频率20Hz,采样点数为2048的非规则波目标谱与实测谱比较图,由图中可以看出,两2曲线吻合较好.5试验验证的效果要求在对国外进口造波机系统的结构进行分析与计算的基础上,确定了该造波机系统的传递函数,开发了Windows操作系统下的造波控制软件,使造波控制全部在Windows窗口下进行,程序的