CN101968636A - 一种室内风浪水槽造波机闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于造波机控制系统技术领域，涉及一种小型室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，特别是一种集硬件和软件于一体的闭环控制系统，由浪高仪实时采集波高数据作为造波控制的反馈信号构成摇板造波的闭环控制；由风速仪实时测量风道内的风速作为造风控制的反馈信号构成风机造风的闭环控制；通过摇板造浅水波和造风造毛细波并电信连通组合形成闭环控制系统；实现闭环控制的系统装置包括上位机监控模块、造波模块和造风模块；其控制原理安全可靠，对造波造风功能的闭环控制效果好，自动化程度高，能够实现机械式造波及造风造波的综合模拟，可以广泛应用于各种小型室内造波机的造波场合形成完整的闭环控制系统。

Description

一种室内风浪水槽造波机闭环控制方法 

技术领域：

本发明属于造波机控制系统技术领域，涉及一种小型室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，特别是一种集硬件和软件于一体的闭环控制系统。 

背景技术：

我国从五十年代开始水池造波方面的研究工作；七十年代，造波技术系统逐渐采用模拟信号装置来控制；到了八十年代，开始采用小型电子计算机，通过系统软件和应用软件及造波软件来控制；九十年代以后，已完全采用计算机进行造波控制。计算机控制技术运用到造波机系统中，为造波技术开辟了新天地，运用计算机自动控制，不仅能方便地造出各种规则波，不规则波，而且大大提高了波浪模拟的精度。英国从八十年代中期已有电机式的造波系统，日本从八十年代中期开始已有电机式的造波系统，当时采用的是直流伺服电机，从1992年开始采用新型的交流伺服电机；2000年荷兰Delft水工试验室和力士乐公司合作为我国702所提供的不规则波造波机系统方案中，采用的也是交流伺服电机。一个完整的造波系统不仅包括完备的硬件设施，还包括完善的控制系统软件，控制系统软件是整个造波系统的灵魂，它不仅能直接决定造波类型品种、造波的效果、造波控制的便易程度，而且对整个造波系统的安全保障也有着极其重要的影响；造波控制软件设计，不仅需要波浪理论、波浪模拟理论方面的知识，而且还涉及计算机技术、软件设计、自动控制、机电一体化等学科内容。 

归结起来，现有的对造波机及其造波的控制方式有多种，但从理论上讲，至今还尚未见有效的应用于小型室内风狼水槽的硬、软件结合为一体的控制方法及其实现系统；现有的控制方法原理简单，闭环控制效果差，对造波的波风效果不易直接体现和监控，应用场合单一。 

发明内容：

本发明的目的在于克服现有造波技术及其工艺方法中存在的缺点，寻求设计一种借助于现代计算机硬件和软件的配合，形成对小型室内风浪水槽造波机及其造波过程的全程闭环控制的方法。 

为了实现上述目的，本发明由浪高仪实时采集波高数据作为造波控制的反馈信号构成摇板造波的闭环控制；由风速仪实时测量风道内的风速作为造风控制的反馈信号构成风机造风的闭环控制；通过摇板造浅水波和造风造毛细波并电信连通组合形成闭环控制系统；实现闭环控制的系统装置包括上位机监控模块、造波模块和造风模块；其中上位机监控模块为安装虚拟仪器测试测量软件的工控机，是整个造波机闭环控制系统的监视与控制中心，控制过程包括系统的初始化、摇板造波控制、造风造波控制、数据采集、数据记录和数据分析；造波模块采用PC机加装运动控制卡的控制模式，包括运动控制卡、伺服驱动器、交流伺服电机、编码器、滚珠丝杠、摇板和浪高仪；造波模块中运动控制卡是摇板运动的控制中心，完成伺服驱动数据的生成，运动控制卡发送脉冲命令给伺服驱动器，进而驱动伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠带动摇板运动，在水面激起波浪，通过控制摇板的运动轨迹在水面产生规则波或不规则波，水池中安装浪高仪，浪高仪测得的实时波高信息，作为摇板造波闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，从而实现摇板造波的闭环控制；造风模块采用PC机加装多功能数据采集卡的控制模式，包括多功能数据采集卡、风机变频器、轴流风机和风速仪；造风模块通过多功能数据采集卡的模拟量输出控制风机变频器频率，进而控制风机的转速，风道内安装有风速仪，风速仪测得的实时风速通过多功能数据采集卡的模拟量输入通道进行采集，作为造风闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，实现风机造风的闭环控制；数字量数据采集卡负责采集控制面板按钮信号及滚珠丝杠限位开关和行程开关信号，并输出控制伺服驱动器及风机变频器的控制信号。 

本发明的闭环控制系统包括监控软件主程序、造风子程序、规则波子和不规则波子程序，监控软件主程序启动后首先进行系统初始 化，包括运动控制卡的初始化及数据库的初始化，再输入正确的用户名和密码后登录系统，方能进行控制操作；监控软件主程序运行过程中不断地扫描输入输出状态并刷新前面板界面，等待用户触发事件的发生；用户控制命令包括用户管理、造风、造波、数据查询、波形查询与分析和退出命令。 

本发明的造风子程序启动后首先读取用户前面板设定的造风时间，然后读取用户前面板设定的风速设定值及风速仪反馈的实际风速值；风速设定值和实际风速反馈值经过PID运算，计算出控制输出量，即变频器频率；控制输出量通过多功能数据采集卡的模拟量输出通道控制变频器的频率；再将实际运行时间与设定时间进行比较，如果未到设定时间，造风子程序继续读取实时风速信息进行控制运算，如果到达设定时间，则结束造风子程序。 

本发明的规则波子程序启动规则波造波时，首先判断摇板是否复位，如果没有复位，执行摇板复位子程序；读取用户前面板设定的规则波波高和周期，再根据微幅波理论公式计算摇板的摇幅，在闭环控制时摇幅还需要加上计算的摇幅修正量；由摇板摇幅和周期根据正弦运动规律计算生成伺服电机运行的控制数据，并向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造波；然后，判断造波是否结束，如果未结束，进一步判断是否为闭环控制，若为开环控制，则直接按上一次计算的控制数据向运动控制卡发送命令，若为闭环控制，则根据浪高仪采样的数据进行波形测量，计算出实际波高；将实际波高与设定波高比较，获得偏差；再根据波高偏差经过比例换算求得摇幅修正量，作为规则波造波控制的反馈量，重新计算伺服电机控制数据。 

本发明的不规则子波程序启动不规则波造波时，首先判断摇板是否复位，如果没有复位，则执行摇板复位子程序；再读取用户前面板选择的波谱及设定的参数；然后，计算生成相应的目标谱，闭环控制时进行偏差修正；用线性波浪叠加法将目标谱从频域转换到时域，获得摇板位置时序列；再根据摇板位置时序列计算生成伺服电机控制数据，并向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造不规则 波；对采样的波高数据进行波谱分析，求得实际波浪谱；然后判断造波是否结束，如果未结束，进一步判断是否为闭环控制，若为开环控制，则直接按上一次计算的控制数据向运动控制卡发送命令，若为闭环控制，则将目标谱与实测谱进行比较，得到谱偏差，再对谱偏差做比例计算，求得波谱修正量，作为不规则波造波控制的反馈量，重新计算伺服电机控制数据。 

本发明的控制系统进行造波及造风的配合控制，首先运行规则波子程序或不规则波子程序，并运行于闭环控制状态；当所造规则波或不规则波达到控制要求时，无扰动切换到开环控制，此时，运行造风子程序，当风速稳定时，即可实现摇板造微幅波及造风造毛细波的波浪模拟。 

本发明与现有技术相比，其控制原理安全可靠，对造波造风功能的闭环控制效果好，自动化程度高，能够实现机械式造波及造风造波的综合模拟，可以广泛应用于各种小型室内造波机的造波场合形成完整的闭路(是否改成闭环？)控制系统。 

附图说明：

图1为本发明的控制系统整体结构原理示意框图。 

图2为本发明的监控软件主程序流程结构原理示意框图。 

图3为本发明的造风子程序流程结构原理示意框图。 

图4为本发明的规则波子程序流程结构原理示意框图。 

图5为本发明的不规则波子程序流程结构原理示意框图。 

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步描述。 

实施例： 

本实施例通过浪高仪实时采集波高数据作为造波控制的反馈信号构成摇板造波的闭环控制；通过风速仪实时测量风道内的风速作为造风控制的反馈信号构成风机造风的闭环控制；形成通过摇板造浅水波和造风造毛细波的闭环控制系统；实现闭环控制的系统装置包括上位机监控模块、造波模块和造风模块；其中上位机监控模块为安装虚 拟仪器测试测量软件的工控机；上位机监控模块是整个造波机闭环控制系统的监视与控制中心，包括系统的初始化、摇板造波控制、造风造波控制、数据采集、数据记录及数据分析；造波模块采用PC机加装运动控制卡的控制模式，包括运动控制卡、伺服驱动器、交流伺服电机、编码器、滚珠丝杠、摇板和浪高仪；造波模块中运动控制卡是摇板运动的控制中心，完成伺服驱动数据的生成，运动控制卡发送脉冲命令给伺服驱动器，进而驱动伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠带动摇板运动，从而在水面激起波浪，通过控制摇板的运动轨迹即可在水面产生规则波或不规则波，水池中安装浪高仪，浪高仪测得的实时波高信息，作为摇板造波闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，从而实现摇板造波的闭环控制；造风模块采用PC机加装多功能数据采集卡的控制模式，包括多功能数据采集卡、风机变频器、轴流风机和风速仪；造风模块通过多功能数据采集卡的模拟量输出，控制风机变频器频率，进而控制风机的转速，风道内安装有风速仪，风速仪测得的实时风速通过多功能数据采集卡的模拟量输入通道进行采集，作为造风闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，从而实现风机造风的闭环控制；数字量数据采集卡负责采集控制面板按钮信号及滚珠丝杠限位开关和行程开关信号，并输出控制伺服驱动器及风机变频器等的控制信号。 

本实施例的控制系统包括监控软件主程序、造风子程序、规则波子程序和不规则波子程序，监控软件主程序启动后首先进入步骤S2进行系统初始化，包括运动控制卡的初始化及数据库的初始化，进入步骤3，输入正确的用户名和密码后登录系统，方能进行各种操作；监控软件主程序运行过程中会不断地扫描输入输出状态并刷新前面板界面，同时程序进入S5状态，等待用户触发事件的发生；用户控制命令包括用户管理、造风、造波、数据查询、波形查询与分析及退出命令。 

本实施例的造风子程序启动后首先进入步骤S14，读取用户前面板设定的造风时间，然后进入步骤S15，读取用户前面板设定的风速 值及步骤S19风速仪反馈的实际风速值；在步骤S16，风速设定值和反馈值经过PID运算，计算出控制输出量，即变频器频率；在步骤S17，控制输出量通过多功能数据采集卡的模拟量输出通道控制变频器的频率；在步骤S18，将实际运行时间与设定时间进行比较，如果未到设定时间，造风子程序继续读取实时风速信息进行控制运算，如果到达设定时间，则结束造风子程序。 

本实施例的规则波子程序启动规则波造波时，首先进入步骤S20，判断摇板是否复位，如果没有复位，进入步骤S21执行摇板复位子程序；在步骤S22，读取用户前面板设定的规则波波高和周期，进入步骤S23，根据微幅波理论公式计算摇板的摇幅，在闭环控制时摇幅还需要加上由步骤S30计算的摇幅修正量；在步骤S24，由摇板摇幅和周期，根据正弦运动规律计算生成伺服电机运行的控制数据，并在步骤S25，向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造波；在步骤S26，判断造波是否结束，如果未结束，进入步骤S27，判断是否为闭环控制，若为否，则直接转到步骤S25，继续向运动控制卡发送上一次计算的控制数据，若为闭环控制，则进入步骤S28，根据浪高仪采样的数据进行波形测量，计算出实际波高；在步骤S29，将实测波高与设定波高比较，获得偏差；在步骤S30，根据波高偏差经过比例换算求得摇幅修正量，作为规则波造波控制的反馈量。 

本实施例的不规则子波程序启动不规则波造波时，首先进入步骤S31，判断摇板是否复位，如果没有复位，进入步骤S32执行摇板复位子程序；在步骤S33，读取用户前面板选择的波谱及设定的参数；在步骤S34，计算生成相应的目标谱，闭环控制时进行偏差修正。在步骤S35，用线性波浪叠加法将目标谱从频域转换到时域，获得摇板位置时序列；在步骤S36，根据摇板位置时序列计算生成伺服电机控制数据，并进入步骤S37，向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造不规则波；在步骤S41，对由步骤S40采样的波高数据进行波谱分析，求得实际波浪谱；在步骤S38，判断造波是否结束，如果未结束，进入步骤S39，判断是否为闭环控制，若为否，则直接 转到步骤S37，继续向运动控制卡发送上一次计算的控制数据，若为闭环控制，则进入步骤S42，将目标谱与实测谱进行比较，得到谱偏差；在步骤S43，对谱偏差做比例计算，求得波谱修正量，作为不规则波造波控制的反馈量。 

Claims (6)

1.一种室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于由浪高仪实时采集波高数据作为造波控制的反馈信号构成摇板造波的闭环控制；由风速仪实时测量风道内的风速作为造风控制的反馈信号构成风机造风的闭环控制；通过摇板造浅水波和造风造毛细波并电信连通组合形成闭环控制系统；实现闭环控制的系统装置包括上位机监控模块、造波模块和造风模块；其中上位机监控模块为安装虚拟仪器测试测量软件的工控机，是整个造波机闭环控制系统的监视与控制中心，控制过程包括系统的初始化、摇板造波控制、造风造波控制、数据采集、数据记录和数据分析；造波模块采用PC机加装运动控制卡的控制模式，包括运动控制卡、伺服驱动器、交流伺服电机、编码器、滚珠丝杠、摇板和浪高仪；造波模块中运动控制卡是摇板运动的控制中心，完成伺服驱动数据的生成，运动控制卡发送脉冲命令给伺服驱动器，进而驱动伺服电机，伺服电机通过滚珠丝杠带动摇板运动，在水面激起波浪，通过控制摇板的运动轨迹在水面产生规则波或不规则波，水池中安装浪高仪，浪高仪测得的实时波高信息作为摇板造波闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，实现摇板造波的闭环控制；造风模块采用PC机加装多功能数据采集卡的控制模式，包括多功能数据采集卡、风机变频器、轴流风机和风速仪；造风模块通过多功能数据采集卡的模拟量输出控制风机变频器频率，进而控制风机的转速，风道内安装有风速仪，风速仪测得的实时风速通过多功能数据采集卡的模拟量输入通道进行采集，作为造风闭环控制的反馈信号反馈到上位工控机，实现风机造风的闭环控制；数字量数据采集卡负责采集控制面板按钮信号及滚珠丝杠限位开关和行程开关信号，并输出控制伺服驱动器及风机变频器的控制信号。

2.根据权利要求1所述的室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于闭环控制系统包括监控软件主程序、造风子程序、规则波和不规则波子程序，监控软件主程序启动后先进行系统初始化，包括运动控制卡的初始化及数据库的初始化，再输入正确的用户名和密码后登录系统，方能进行控制操作；监控软件主程序运行过程中不断地扫描输入输出状态并刷新前面板界面，等待用户触发事件的发生；用户控制命令包括用户管理、造风、造波、数据查询、波形查询与分析和退出命令。

3.根据权利要求1所述的室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于造风子程序启动后先读取用户前面板设定的造风时间，然后读取用户前面板设定的风速设定值及风速仪反馈的实际风速值；风速设定值和实际风速反馈值经过PID运算，计算出控制输出量，即变频器频率；控制输出量通过多功能数据采集卡的模拟量输出通道控制变频器的频率；再将实际运行时间与设定时间进行比较，如果未到设定时间，造风子程序继续读取实时风速信息进行控制运算，如果到达设定时间，则结束造风子程序。

4.根据权利要求1所述的室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于规则波子程序启动规则波造波时，先判断摇板是否复位，如果没有复位，执行摇板复位子程序；读取用户前面板设定的规则波波高和周期，再根据微幅波理论公式计算摇板的摇幅，在闭环控制时摇幅还需要加上计算的摇幅修正量；由摇板摇幅和周期根据正弦运动规律计算生成伺服电机运行的控制数据，并向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造波；然后判断造波是否结束，如果未结束，进一步判断是否为闭环控制，若为开环控制，则直接按上一次计算的控制数据向运动控制卡发送命令，若为闭环控制，则根据浪高仪采样的数据进行波形测量，计算出实际波高；将实际波高与设定波高比较，获得偏差；再根据波高偏差经过比例换算求得摇幅修正量，作为规则波造波控制的反馈量，重新计算伺服电机控制数据。

5.根据权利要求1所述的室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于不规则子波程序启动不规则波造波时，先判断摇板是否复位，如果没有复位，则执行摇板复位子程序；再读取用户前面板选择的波谱及设定的参数；然后计算生成相应的目标谱，闭环控制时进行偏差修正；用线性波浪叠加法将目标谱从频域转换到时域，获得摇板位置时序列；再根据摇板位置时序列计算生成伺服电机控制数据，并向运动控制卡发送控制数据，驱动伺服电机带动摇板造不规则波；对采样的波高数据进行波谱分析，求得实际波浪谱；然后判断造波是否结束，如果未结束，进一步判断是否为闭环控制，若为开环控制，则直接按上一次计算的控制数据向运动控制卡发送命令，若为闭环控制，则将目标谱与实测谱进行比较，得到谱偏差，再对谱偏差做比例计算，求得波谱修正量，作为不规则波造波控制的反馈量，重新计算伺服电机控制数据。

6.根据权利要求1所述的室内风浪水槽造波机的闭环控制方法，其特征在于控制系统进行造波及造风的配合控制，先运行规则波子程序或不规则波子程序，并运行于闭环控制状态；当所造规则波或不规则波达到控制要求时，无扰动切换到开环控制，此时，运行造风子程序，当风速稳定时，即可实现摇板造微幅波及造风造毛细波的波浪模拟。

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