一种无反射波浪水槽造波机的制作方法

文档序号：11458135阅读：265来源：国知局

本发明涉及一种无反射波浪水槽造波机，属于海洋结构动力实验技术领域。

背景技术：

无反射波浪水槽造波机作为物理模型实验设备的一种，主要应用在海岸工程、海洋工程和船舶工程等领域中。在自然水域环境中，波浪与其他结构体相撞后，产生的反射波在开放的边界中不断衰减直到消失，没有产生二次反射。在波浪水槽中，由于水槽尺寸限制，反射波无法完全消散，在遇到推波板后，会产生二次反射波，这样会影响模型试验的准确性和可靠性。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种无反射波浪水槽造波机。该造波机可以有效地解决物理模型实验中存在的二次反射波问题，减少反射波对物理模型实验的影响，提高波浪模拟精度，能够更好的模拟真实的海洋环境，提高试验效率。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种无反射波浪水槽造波机，包括工控机、plc运动控制器，第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板，第一、二浪高传感器，第一、二a/d转换模块及第一、二吸收模块，所述plc运动控制器分别与第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板依次连接，所述plc运动控制器还与工控机连接，用于接收第一、二驱动器传递来的控制数据，在有负载情况下，通过丝杠将第一、二伺服电机的旋转运动转换为第一、二推波板的直线运动，用来推动水体实现目标波形的造波；所述第一、二推波板上分别安装有第一、二浪高传感器，所述第一、二浪高传感器分别与第一、二a/d转换模块，第一、二吸收模块及第一、二驱动器依次连接，将第一、二推波板板前波高信号与目标波高信号进行比较，经吸收计算方法修正后，转换为实时造波数据序列；在正常的自然环境中，反射波会无限延伸下去，不断衰减直到消失，波浪水槽中，由于尺寸限制，反射波无法消散，在遇到推波板后会形成二次反射波，二次反射波与目标波形叠加后形成混合波，不是期望波形，因此，无反射造波机需增加一附加造波运动来消除二次反射波，假设产生期望目标波形的运动为xⁱ(t)，用于吸收二次反射波的附加造波运动为x^h(t)，推波板的实际位移运动为x(t)可表示为，

x(t)＝xⁱ(t)+x^h(t)(1)

xⁱ(t)＝-jxie^jσt(2)

x^h(t)＝-jxhe^jσt(3)

式中，xi为造波机产生目标波形运动的幅值，xh为造波机附加造波运动的幅值，σ为波浪的圆频率，t为时间参数，假设推波板的板前波高为η0(t)，目标波形的波高为ηi(t)，一次反射波的波高为ηh(t)，二次反射波的波高为ηhh(t)，附加造波运动形成的波高为ηk(t)，η0(t)、ηi(t)、ηh(t)、ηhh(t)、ηk(t)均为时间t的连续函数，造波机推波板的板前波高η0(t)可表示为：

η0(t)＝ηi(t)+ηh(t)+ηhh(t)+ηk(t)(4)

ηi(t)＝jc0(σ)xⁱ(t)(5)

ηk(t)＝jc0(σ)x^h(t)(6)

ηh(t)＝-jc0(σ)x^h(t)(7)

ηhh(t)＝-jc0(σ)x^h(t)(8)

将式(5)、(6)、(7)、(8)代入式(4)中得到，

η0(t)＝jc0(σ)xⁱ(t)-jc0(σ)x^h(t)(9)

jc0(σ)x(t)＝2jc0(σ)xⁱ(t)-η0(t)(10)

式(12)中，c0表示造波机的水动力传递系数，说明推波板运动满足(12)式即可实现主动吸收二次反射波；

对(12)式的微分方程进行求解即可得到x(t)的最终时域解析表达式，在实际的造波机运动控制中，计算机及控制器需要的是关于x(t)的离散时间序列信号，故必须将连续信号x(t)转换为离散数字序列，由于造波机的运动控制间隔为毫秒级，采用(12)式的近似解来代替微分方程解，近似解如下：

x[k+1]＝x[k]+δx(14)

式中，x[k]表示连续信号x(t)在t＝kδt时刻的推波板水平位移值，δt表示采样间隔，式(14)可以直接用于造波机无反射造波运动控制，使造波机主动吸收二次反射波的能力得到提高。

本发明有益效果是：一种无反射波浪水槽造波机，包括工控机、plc运动控制器，第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板，第一、二浪高传感器，第一、二a/d转换模块及第一、二吸收模块，所述plc运动控制器分别与第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板依次连接，所述plc运动控制器还与工控机连接，用于接收第一、二驱动器传递来的控制数据，在有负载情况下，通过丝杠将第一、二伺服电机的旋转运动转换为第一、二推波板的直线运动，用来推动水体实现目标波形的造波；所述第一、二推波板上分别安装有第一、二浪高传感器，所述第一、二浪高传感器分别与第一、二a/d转换模块，第一、二吸收模块及第一、二驱动器依次连接，将第一、二推波板板前波高信号与目标波高信号进行比较，经吸收算法修正后，转换为造波数据序列。与已有技术相比，本发明可以灵活选择造波模式，正常造波或无反射造波，其次可以灵活配置造波机，单向造波或双向造波，双向造波时可以一端吸收造波，一端补偿造波，实现高精度造波，另外，浪高传感器采集的浪高数据经放大、模数转换后直接送入驱动器，在驱动器中进行吸收控制，减少了数据传输延迟，提高吸收效率。本发明有效提高了吸收造波效率，缩短了造波时间和静水时间，延长有效试验时间，造波控制灵活、安全、稳定，系统结构简单易于维护，成本低、容易搭建，可广泛应于水动力物理模型试验中。

附图说明

图1是本发明原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种无反射波浪水槽造波机，由工控机、plc运动控制器及第一、二驱动器，构成控制模块负责整个造波机系统的状态控制。工控机包括主机和液晶显示器两部分，主机硬件描述：英特尔酷睿i3双核四线程处理器，主频3.3ghz，内存4gb，运行嵌入式windows7系统，双路100mbps网络接口。工控机用于运行造波机上位机程序，包括生成目标波形对应的运动控制序列、控制plc程序、检测电机运行状态、进行波高波谱分析、实时显示等功能。工控机和plc之间通过eoe(ethernet-to-ethercat)方式进行网络通信。plc采用包米勒controllerplc02运动控制器，32位risc架构cpu，主频667mhz，64mb内存空间。plc运动控制器接受上位机程序的控制指令和接收造波控制序列，进行相应的控制动作，实时监测驱动器运行状态。驱动器采用包米勒bmaxx4412es驱动控制器，内置数字io、模拟io、参数存储、编码器、ethercat、ad转换、滤波器模块，用于给伺服电机发送实时位置数据，监测电机的速度、位置、电流、温度状态，接收推波板的板前波高反馈，内置滤波器减少外部信号扰动，使电机运行平稳。

由第一、二伺服电机及第一、二推波板，构成传动模块负责将电机的旋转运动转换为推波板的直线运动。伺服电机采用包米勒e30il伺服电机，传动模块通过丝杠将电机的旋转运动转换为推波板的直线运动，这样可以充分利用伺服电机的伺服精度、快速性、控制灵活性方面的优势，在保证很硬的机械特性和很强的过载能力的同时，又使造波过程有较高的运动速度和控制精度。推波板采用高1m、宽0.6m的304不锈钢钢板，耐腐蚀，有良好的结构刚性，用于推动水体来实现目标波形，且在造波过程中不会出现明显的推波板中心位置漂移。

由第一、二浪高传感器及第一、二a/d转换模块，构成数据采集模块负责将推波板前波高转为数值信号传送给吸收模块。数据采集模块包含vectrino2型浪高传感器模块和ad7276型控制芯片a/d转换模块。浪高传感器固定在推波板上，由装有屏蔽壳的充放电模块和含有绝缘层的铜丝组成，当进行造波时，铜丝和水作为电容的两极，波高变化引起两个电极之间的面积变化，即波高增大，电容量增大，波高减小，电容量减小。充放电模块将不同波高对应的电容量转换为电信号输出，输出电压范围为0-+5v。浪高传感器实时采集波高信号，输出与波高特性曲线相拟合的电压信号，通过串口rs232传入驱动器。a/d转换模块集成在包米勒bmaxx4412驱动器c口模块处，将浪高传感器输出的电压信号转换成与波高相对应的数值信号。

由第一、二吸收模块为造波机提供无反射吸收造波算法。吸收模块无反射造波机系统的关键环节，吸收模块运行在伺服驱动器的定制的扩展内存里，在伺服驱动器中进行吸收控制，减少了数据传输延迟，提高吸收效率。一个简便、明确的吸收算法，能够使无反射造波系统自行运算进行高精度吸收造波。吸收算法的核心是维护和计算造波过程中推波板的板前波高和推波板位移。无反射造波时，目标波形在行进过程中遇到试验模型后，产生反射波，在正常的自然环境中，反射波会无限延伸下去，不断衰减直到消失，波浪水槽中，由于尺寸限制，反射波无法消散，在遇到推波板后会形成二次反射波，二次反射波与目标波形叠加后形成混合波，不是期望波形，因此，无反射造波机需增加一附加造波运动来消除二次反射波，假设产生期望目标波形的运动为xⁱ(t)，用于吸收二次反射波的附加造波运动为x^h(t)，推波板的实际位移运动为x(t)可表示为，