本發(fā)明涉及一種無反射波浪水槽造波機,屬于海洋結構動力實驗技術領域。
背景技術:
無反射波浪水槽造波機作為物理模型實驗設備的一種,主要應用在海岸工程、海洋工程和船舶工程等領域中。在自然水域環(huán)境中,波浪與其他結構體相撞后,產(chǎn)生的反射波在開放的邊界中不斷衰減直到消失,沒有產(chǎn)生二次反射。在波浪水槽中,由于水槽尺寸限制,反射波無法完全消散,在遇到推波板后,會產(chǎn)生二次反射波,這樣會影響模型試驗的準確性和可靠性。
技術實現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足,本發(fā)明目的是提供一種無反射波浪水槽造波機。該造波機可以有效地解決物理模型實驗中存在的二次反射波問題,減少反射波對物理模型實驗的影響,提高波浪模擬精度,能夠更好的模擬真實的海洋環(huán)境,提高試驗效率。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的,解決已有技術中所存在的問題,本發(fā)明采取的技術方案是:一種無反射波浪水槽造波機,包括工控機、plc運動控制器,第一、二驅動器,第一、二伺服電機,第一、二推波板,第一、二浪高傳感器,第一、二a/d轉換模塊及第一、二吸收模塊,所述plc運動控制器分別與第一、二驅動器,第一、二伺服電機,第一、二推波板依次連接,所述plc運動控制器還與工控機連接,用于接收第一、二驅動器傳遞來的控制數(shù)據(jù),在有負載情況下,通過絲杠將第一、二伺服電機的旋轉運動轉換為第一、二推波板的直線運動,用來推動水體實現(xiàn)目標波形的造波;所述第一、二推波板上分別安裝有第一、二浪高傳感器,所述第一、二浪高傳感器分別與第一、二a/d轉換模塊,第一、二吸收模塊及第一、二驅動器依次連接,將第一、二推波板板前波高信號與目標波高信號進行比較,經(jīng)吸收計算方法修正后,轉換為實時造波數(shù)據(jù)序列;在正常的自然環(huán)境中,反射波會無限延伸下去,不斷衰減直到消失,波浪水槽中,由于尺寸限制,反射波無法消散,在遇到推波板后會形成二次反射波,二次反射波與目標波形疊加后形成混合波,不是期望波形,因此,無反射造波機需增加一附加造波運動來消除二次反射波,假設產(chǎn)生期望目標波形的運動為xi(t),用于吸收二次反射波的附加造波運動為xh(t),推波板的實際位移運動為x(t)可表示為,
x(t)=xi(t)+xh(t)(1)
xi(t)=-jxiejσt(2)
xh(t)=-jxhejσt(3)
式中,xi為造波機產(chǎn)生目標波形運動的幅值,xh為造波機附加造波運動的幅值,σ為波浪的圓頻率,t為時間參數(shù),假設推波板的板前波高為η0(t),目標波形的波高為ηi(t),一次反射波的波高為ηh(t),二次反射波的波高為ηhh(t),附加造波運動形成的波高為ηk(t),η0(t)、ηi(t)、ηh(t)、ηhh(t)、ηk(t)均為時間t的連續(xù)函數(shù),造波機推波板的板前波高η0(t)可表示為:
η0(t)=ηi(t)+ηh(t)+ηhh(t)+ηk(t)(4)
ηi(t)=jc0(σ)xi(t)(5)
ηk(t)=jc0(σ)xh(t)(6)
ηh(t)=-jc0(σ)xh(t)(7)
ηhh(t)=-jc0(σ)xh(t)(8)
將式(5)、(6)、(7)、(8)代入式(4)中得到,
η0(t)=jc0(σ)xi(t)-jc0(σ)xh(t)(9)
jc0(σ)x(t)=2jc0(σ)xi(t)-η0(t)(10)
式(12)中,c0表示造波機的水動力傳遞系數(shù),說明推波板運動滿足(12)式即可實現(xiàn)主動吸收二次反射波;
對(12)式的微分方程進行求解即可得到x(t)的最終時域解析表達式,在實際的造波機運動控制中,計算機及控制器需要的是關于x(t)的離散時間序列信號,故必須將連續(xù)信號x(t)轉換為離散數(shù)字序列,由于造波機的運動控制間隔為毫秒級,采用(12)式的近似解來代替微分方程解,近似解如下:
x[k+1]=x[k]+δx(14)
式中,x[k]表示連續(xù)信號x(t)在t=kδt時刻的推波板水平位移值,δt表示采樣間隔,式(14)可以直接用于造波機無反射造波運動控制,使造波機主動吸收二次反射波的能力得到提高。
本發(fā)明有益效果是:一種無反射波浪水槽造波機,包括工控機、plc運動控制器,第一、二驅動器,第一、二伺服電機,第一、二推波板,第一、二浪高傳感器,第一、二a/d轉換模塊及第一、二吸收模塊,所述plc運動控制器分別與第一、二驅動器,第一、二伺服電機,第一、二推波板依次連接,所述plc運動控制器還與工控機連接,用于接收第一、二驅動器傳遞來的控制數(shù)據(jù),在有負載情況下,通過絲杠將第一、二伺服電機的旋轉運動轉換為第一、二推波板的直線運動,用來推動水體實現(xiàn)目標波形的造波;所述第一、二推波板上分別安裝有第一、二浪高傳感器,所述第一、二浪高傳感器分別與第一、二a/d轉換模塊,第一、二吸收模塊及第一、二驅動器依次連接,將第一、二推波板板前波高信號與目標波高信號進行比較,經(jīng)吸收算法修正后,轉換為造波數(shù)據(jù)序列。與已有技術相比,本發(fā)明可以靈活選擇造波模式,正常造波或無反射造波,其次可以靈活配置造波機,單向造波或雙向造波,雙向造波時可以一端吸收造波,一端補償造波,實現(xiàn)高精度造波,另外,浪高傳感器采集的浪高數(shù)據(jù)經(jīng)放大、模數(shù)轉換后直接送入驅動器,在驅動器中進行吸收控制,減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲,提高吸收效率。本發(fā)明有效提高了吸收造波效率,縮短了造波時間和靜水時間,延長有效試驗時間,造波控制靈活、安全、穩(wěn)定,系統(tǒng)結構簡單易于維護,成本低、容易搭建,可廣泛應于水動力物理模型試驗中。
附圖說明
圖1是本發(fā)明原理框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示,一種無反射波浪水槽造波機,由工控機、plc運動控制器及第一、二驅動器,構成控制模塊負責整個造波機系統(tǒng)的狀態(tài)控制。工控機包括主機和液晶顯示器兩部分,主機硬件描述:英特爾酷睿i3雙核四線程處理器,主頻3.3ghz,內(nèi)存4gb,運行嵌入式windows7系統(tǒng),雙路100mbps網(wǎng)絡接口。工控機用于運行造波機上位機程序,包括生成目標波形對應的運動控制序列、控制plc程序、檢測電機運行狀態(tài)、進行波高波譜分析、實時顯示等功能。工控機和plc之間通過eoe(ethernet-to-ethercat)方式進行網(wǎng)絡通信。plc采用包米勒controllerplc02運動控制器,32位risc架構cpu,主頻667mhz,64mb內(nèi)存空間。plc運動控制器接受上位機程序的控制指令和接收造波控制序列,進行相應的控制動作,實時監(jiān)測驅動器運行狀態(tài)。驅動器采用包米勒bmaxx4412es驅動控制器,內(nèi)置數(shù)字io、模擬io、參數(shù)存儲、編碼器、ethercat、ad轉換、濾波器模塊,用于給伺服電機發(fā)送實時位置數(shù)據(jù),監(jiān)測電機的速度、位置、電流、溫度狀態(tài),接收推波板的板前波高反饋,內(nèi)置濾波器減少外部信號擾動,使電機運行平穩(wěn)。
由第一、二伺服電機及第一、二推波板,構成傳動模塊負責將電機的旋轉運動轉換為推波板的直線運動。伺服電機采用包米勒e30il伺服電機,傳動模塊通過絲杠將電機的旋轉運動轉換為推波板的直線運動,這樣可以充分利用伺服電機的伺服精度、快速性、控制靈活性方面的優(yōu)勢,在保證很硬的機械特性和很強的過載能力的同時,又使造波過程有較高的運動速度和控制精度。推波板采用高1m、寬0.6m的304不銹鋼鋼板,耐腐蝕,有良好的結構剛性,用于推動水體來實現(xiàn)目標波形,且在造波過程中不會出現(xiàn)明顯的推波板中心位置漂移。
由第一、二浪高傳感器及第一、二a/d轉換模塊,構成數(shù)據(jù)采集模塊負責將推波板前波高轉為數(shù)值信號傳送給吸收模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包含vectrino2型浪高傳感器模塊和ad7276型控制芯片a/d轉換模塊。浪高傳感器固定在推波板上,由裝有屏蔽殼的充放電模塊和含有絕緣層的銅絲組成,當進行造波時,銅絲和水作為電容的兩極,波高變化引起兩個電極之間的面積變化,即波高增大,電容量增大,波高減小,電容量減小。充放電模塊將不同波高對應的電容量轉換為電信號輸出,輸出電壓范圍為0-+5v。浪高傳感器實時采集波高信號,輸出與波高特性曲線相擬合的電壓信號,通過串口rs232傳入驅動器。a/d轉換模塊集成在包米勒bmaxx4412驅動器c口模塊處,將浪高傳感器輸出的電壓信號轉換成與波高相對應的數(shù)值信號。
由第一、二吸收模塊為造波機提供無反射吸收造波算法。吸收模塊無反射造波機系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié),吸收模塊運行在伺服驅動器的定制的擴展內(nèi)存里,在伺服驅動器中進行吸收控制,減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲,提高吸收效率。一個簡便、明確的吸收算法,能夠使無反射造波系統(tǒng)自行運算進行高精度吸收造波。吸收算法的核心是維護和計算造波過程中推波板的板前波高和推波板位移。無反射造波時,目標波形在行進過程中遇到試驗模型后,產(chǎn)生反射波,在正常的自然環(huán)境中,反射波會無限延伸下去,不斷衰減直到消失,波浪水槽中,由于尺寸限制,反射波無法消散,在遇到推波板后會形成二次反射波,二次反射波與目標波形疊加后形成混合波,不是期望波形,因此,無反射造波機需增加一附加造波運動來消除二次反射波,假設產(chǎn)生期望目標波形的運動為xi(t),用于吸收二次反射波的附加造波運動為xh(t),推波板的實際位移運動為x(t)可表示為,
x(t)=xi(t)+xh(t)(1)
xi(t)=-jxiejσt(2)
xh(t)=-jxhejσt(3)
式中,xi為造波機產(chǎn)生目標波形運動的幅值,xh為造波機附加造波運動的幅值,σ為波浪的圓頻率,t為時間參數(shù),假設推波板的板前波高為η0(t),目標波形的波高為ηi(t),一次反射波的波高為ηh(t),二次反射波的波高為ηhh(t),附加造波運動形成的波高為ηk(t),η0(t)、ηi(t)、ηh(t)、ηhh(t)、ηk(t)均為時間t的連續(xù)函數(shù),造波機推波板的板前波高η0(t)可表示為:
η0(t)=ηi(t)+ηh(t)+ηhh(t)+ηk(t)(4)
ηi(t)=jc0(σ)xi(t)(5)
ηk(t)=jc0(σ)xh(t)(6)
ηh(t)=-jc0(σ)xh(t)(7)
ηhh(t)=-jc0(σ)xh(t)(8)
將式(5)、(6)、(7)、(8)代入式(4)中得到,
η0(t)=jc0(σ)xi(t)-jc0(σ)xh(t)(9)
jc0(σ)x(t)=2jc0(σ)xi(t)-η0(t)(10)
式(12)中,c0表示造波機的水動力傳遞系數(shù),說明推波板運動滿足(12)式即可實現(xiàn)主動吸收二次反射波;
對(12)式的微分方程進行求解即可得到x(t)的最終時域解析表達式,在實際的造波機運動控制中,計算機及控制器需要的是關于x(t)的離散時間序列信號,故必須將連續(xù)信號x(t)轉換為離散數(shù)字序列,由于造波機的運動控制間隔為毫秒級,采用(12)式的近似解來代替微分方程解,近似解如下:
x[k+1]=x[k]+δx(14)
式中,x[k]表示連續(xù)信號x(t)在t=kδt時刻的推波板水平位移值,δt表示采樣間隔,式(14)可以直接用于造波機無反射造波運動控制,使造波機主動吸收二次反射波的能力得到提高。
無反射波浪水槽造波機運行時,實驗人員先進行浪高傳感器標定,標定完成后選擇需要模擬的目標波形,規(guī)則波、不規(guī)則波、破碎波等其他波,完成后再設置波形參數(shù),如波高、周期、波向等參數(shù),波形參數(shù)設置完成后再設置單向造波或雙向造波,根據(jù)需要設置正常造波或無反射造波,之后再對造波機使能、尋零,此時造波機就可以進行造波試驗了,當?shù)玫椒弦蟮牟ɡ撕?,可以停止造波?/p>