CN102183355B - 一种非线性控制的高精度造波系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用非线性控制的高精度造波系统，包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械传动系统及造波板，计算机控制驱动系统用于产生非线性控制信号，通过机械传动系统驱动造波板作非线性运动。采用非线性控制系统，能造出比线性控制系统更复杂、更多变的波浪，提高造波精度和准确度。根据不同控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元，在保证高精度和高响应速度前提下，增强系统操作灵活性和稳定性，降低维护和保养成本。机械部分采用滚珠丝杠螺母副驱动，采用更稳定的传动结构，提高控制精度和稳定性，保证整个系统在长时间工作下的可靠性。本发明同时公开一种采用非线性控制的高精度造波方法。

Description

一种非线性控制的高精度造波系统及方法

技术领域

本发明属于海洋工程及水动力试验测试领域，涉及一种用于水槽或水池的高精度的非线性控制的造波系统及方法。

背景技术

在海洋工程及水动力试验测试领域，造波机是进行物理模型试验的一种必备装置。造波机通常设置在试验水槽或水池的一端，通过造波板的往复运动来制造波浪。由于实验研究的复杂性和多样性，往往要求造波机能够准确生成满足特定条件的波浪。现有的造波技术多基于线性控制系统，其优点是简易直观，容易实现。然而在自然界，几乎所有现象都是非线性的，线性理论仅仅是非线性理论的特例。实际的物理系统，由于其组成部分总是或多或少地带有非线性特性，可以说都是非线性系统。从非线性到线性的简化往往需要作出一定条件的假设，并且不可避免地将牺牲系统的部分精度和准确性。因此，非线性控制是更为先进的控制系统，有助于我们更准确地认识自然规律，使自动化水平有更大的飞越。

发明内容

针对现有的技术缺点，本发明的目的是提供一种采用非线性控制的高精度造波系统及方法，以提高水槽或水池波浪模拟的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种非线性控制的造波系统，其包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械传动系统及造波板，该计算机控制驱动系统用于产生非线性控制信号，并通过机械传动系统驱动造波板作非线性运动。

该计算机控制驱动系统由信号处理单元、计算机控制单元、电机驱动单元和交流伺服电机组成；计算机控制单元由信号处理单元调取非线性控制信号，计算机控制单元发出控制命令至电机驱动单元，电机驱动单元驱动交流伺服电机，交流伺服电机将动能传递到机械传动系统。

进一步地，所述计算机控制单元根据不同的使用需求，可以选择为嵌入式系统、可编程控制器或工控机。

具体地，该非线性控制信号为具有多种控制精度的波浪控制信号，目标波的一个周期先按控制精度要求分成若干个控制分量，再对应改变各个分量的运行时间，即改变每个控制变量内脉冲的频率，从而调节目标波的频率；或改变在各个控制分量内输出的脉冲个数，从而改变目标波的波高。

控制分量数可为10～5000。

该非线性控制信号为预处理波浪控制信号，其由信号处理单元根据所需波浪要素预先计算完毕并生成控制参数数据库、在造波时能够直接从中读取并传输到控制单元的信号。

该非线性控制信号为实时演算波浪控制信号，为造波时根据所需波浪要素由信号处理单元实时模拟计算并直接传输到控制单元的信号。

该机械传动系统包括支架、联轴器、轴承、防撞块、滚珠丝杠螺母副、滑块与基座、传动杆、转换臂及水平臂；滚珠丝杠螺母副通过轴承安装在支架上，交流伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠螺母副连接，在滚珠丝杠螺母副上安装有滑块与基座，滑块与基座通过安装轴承连接传动杆，传动杆再连接转换臂，转换臂经过支承轴和两端的轴承连接，转换臂再通过水平臂连接造波板。

本发明还提供了一种非线性控制的造波系统的造波方法，其在非线性控制系统中建立了高精度分段离散控制信号与造波板运动的一一对应的控制关系，利用分段离散控制信号驱动非线性机械传动系统，进而控制造波板按目标波要求进行往复运动。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1) 本发明采用非线性控制系统，能够造出比线性控制系统更复杂、更多变的波浪，并且提高了造波的精度和准确度。

(2) 本发明可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。

(3) 本发明机械部分采用滚珠丝杠螺母副驱动，并且采用更稳定的传动结构，提高了控制精度和稳定性，保证整个系统在长时间工作下的可靠性。

附图说明

图1 为本发明架构示意图；

图2 为本发明机械传动系统立体结构示意图；

图3 为本发明机械传动结构运动关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，一种采用非线性控制的高精度造波系统，其包括顺序连接的计算机控制驱动系统A、机械传动系统B和造波板12。

见图1，计算机控制驱动系统A由信号处理单元13、计算机控制单元1、电机驱动单元2和交流伺服电机3组成；计算机控制单元1由信号处理单元13调取非线性控制信号，计算机控制单元1发出控制命令至电机驱动单元2，电机驱动单元2驱动交流伺服电机3，交流伺服电机3将动能传递到机械传动系统B。

进一步的，所述计算机控制单元1根据不同的使用需求，可以选择为嵌入式系统、可编程控制器或工控机。

进一步地，该非线性控制信号为具有多种控制精度的波浪控制信号，目标波的一个周期先按控制精度要求分成若干个控制分量，再对应改变各个分量的运行时间，即改变每个控制变量内脉冲的频率，从而调节目标波的频率；或改变在各个控制分量内输出的脉冲个数，从而改变目标波的波高。

进一步地，控制分量数可为10～5000。

目标波是指根据试验的需求所生成的波，通常由周期、波高等波浪要素作为技术指标。

所有试验，尤其是涉及到如此复杂的系统的试验，往往都存在误差。系统所生成的实际波，和理想中的目标波必定存在误差。控制精度的作用就是控制这个误差。控制精度高，能够使到误差相对较小，生成的实际波和目标波更加接近；反之，控制精度低，相对误差就较大。

无论从科学研究，还是工程应用，都要求实际波和目标波较为吻合，误差较小。以达到准确模拟现实状况的最终目的，同时也减少试验的不确定性和成本。

进一步地，所述波浪控制信号，可以为预处理波浪控制信号或实时演算波浪控制信号。

进一步地，所述预处理波浪控制信号，其由信号处理单元根据所需波浪要素预先计算完毕并生成控制参数数据库、在造波时能够直接从中读取并传输到控制单元的信号。

进一步地，所述实时演算波浪控制信号，为造波时根据所需波浪要素由信号处理单元实时模拟计算并直接传输到控制单元的信号。

本发明中的波浪控制信号有两种，一种是造波机只需要按照操作人员设定好的波浪信号造波，工作过程中不再需要人的干预，可采用预处理波浪控制信号的方式，另一种则是在造波的过程中需要调整波浪参数，操作人员需要实时控制造波机改变波形，则要采用实时演算波浪控制信号的方式。

预处理波浪控制信号，是在造波之前就生成的，造波时只需要读取就行了。

实时模拟波浪控制信号，是一边造波一边计算生成的。适合较为简单的波浪（例如小振幅波等），同时灵活性高，可以即时调整参数使到波浪改变。

见图1，机械传动系统B由联轴器4、轴承5、防撞块6、滚珠丝杠螺母副7、滑块与基座8、传动杆9、转换臂10及水平臂11组成。

本发明还公开了一种非线性控制的造波系统的造波方法，其在非线性控制系统中建立了高精度分段离散控制信号与造波板运动的一一对应的控制关系，利用分段离散控制信号驱动非线性机械传动系统，进而控制造波板按目标波要求进行往复运动。

下面说明本技术应用的工作原理。

本发明启动以后，计算机控制单元1首先调整造波板12回复到初始位置。计算机控制单元1从信号处理单元13中读取控制信号。所述控制信号即波浪控制信号，可根据需求采用不同的精度控制，并且可以选择为预处理波浪控制信号或实时演算波浪控制信号。然后计算机控制单元1将控制信号转换为脉冲信号输入电机驱动单元2，通过电机驱动单元2驱动交流伺服电机3。交流伺服电机3通过联轴器4带动滚珠丝杠螺母副7进行来回旋转，从而使滑块与基座8实现往复移动。滑块与基座8通过传动杆9实现动能传递，传动杆9再通过转换臂10连接起来，转换臂10中间通过支承轴和两端的轴承进行支承和连接，转换臂10再通过水平臂11连接造波板12摆动，通过往复摆动造成符合精度要求的波浪。

图3为本发明机械传动结构运动关系示意图。如图所示，滑块、连杆和造波板间的运动关系是非线性的，示意图所展示的机械传动的数学关系如下： 

                                                                           （1）

其中、、、、均为的函数。

由几何关系，可推出：

                                                                      （2）

                                                                                 （3）

                              （4）

                                                                                                         （5）

又，在任意，、、均已知，可求得：

                                                                          （6）

                                                         （7）

综上所述，由式（1）～（7）可求得滑块和造波板间的运动关系。

根据摇板式造波机理论，设为速度势，有：

                                    （8）

其中，满足方程：

                                                                                                           （9）

为方程：

                                                                                                           （10）

的第n个根。系数

                                                                          （11）

                                                                          （12）

波面方程则可由下式求出：

                                                                                                                  （13）

由式（13）可以得出所需波面与造波板运动的关系，再由式（1）求得造波板与滑块之间的运动关系，从而可得到控制信号及控制方式，对整个系统进行精确控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施案例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非线性控制的高精度造波系统的造波方法，其特征在于：包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械传动系统及造波板，该计算机控制驱动系统用于产生非线性控制信号，并通过机械传动系统驱动造波板作非线性运动；在非线性控制系统中建立了高精度分段离散控制信号与造波板运动的一一对应的控制关系，利用高精度的分段离散控制信号驱动非线性机械传动系统，进而控制造波板按目标波要求进行往复运动；

滑块、连杆和造波板间的运动关系是非线性的，连杆包括传动杆、转换臂和水平臂，

滑块通过安装轴承连接传动杆，传动杆再以轴承连接转换臂，转换臂则经过支承轴和两端的轴承连接，转换臂再通过水平臂铰接方式连接造波板；

其机械传动的数学关系如下： 

  ，

其中表示造波板BA的长度；转换臂EC中间通过支承轴D，表示转换臂ED和CD的长度；表示支承轴D和造波板固定端A的连线DA与造波板BA之间的夹角；表示DA和CD之间的夹角；表示水平臂CB和造波板BA之间的夹角；表示转换臂EC和水平臂CB之间的夹角；表示传动杆FE和DA之间的夹角；表示FE与水平方向的夹角；在上式中，表示滑块的运动速度，表示支承轴D和造波板固定端A的连线DA与造波板BA之间的夹角，表示对时间的导数，即角速度。

2.根据权利要求1所述的造波方法，其特征在于：该计算机控制驱动系统由信号处理单元、计算机控制单元、电机驱动单元和交流伺服电机组成；计算机控制单元由信号处理单元调取非线性控制信号，计算机控制单元发出控制命令至电机驱动单元，电机驱动单元驱动交流伺服电机，交流伺服电机将动能传递到机械传动系统。

3.根据权利要求2所述的造波方法，其特征在于：计算机控制单元为嵌入式系统、可编程控制器或工控机。

4.根据权利要求2所述的造波方法，其特征在于：该非线性控制信号为具有多种控制精度的波浪控制信号，目标波的一个周期先按控制精度要求分成若干个控制分量，再对应改变各个分量的运行时间，从而调节目标波的频率；或改变在各个控制分量内输出的脉冲个数，从而改变目标波的波高。

5.根据权利要求4所述的造波方法，其特征在于：控制分量数可为10～5000。

6.根据权利要求4所述的造波方法，其特征在于：该非线性控制信号为预处理波浪控制信号，其由信号处理单元根据所需波浪要素预先计算完毕并生成控制参数数据库、在造波时能够直接从中读取并传输到控制单元的信号。

7.根据权利要求4所述的造波方法，其特征在于：该非线性控制信号为实时演算波浪控制信号，为造波时根据所需波浪要素由信号处理单元实时模拟计算并直接传输到控制单元的信号。

8.根据权利要求1所述的造波方法，其特征在于：该机械传动系统包括支架、联轴器、轴承、防撞块、滚珠丝杠螺母副、滑块与基座、传动杆、转换臂及水平臂；

滚珠丝杠螺母副通过轴承安装在支架上，交流伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠螺母副连接，在滚珠丝杠螺母副上安装有滑块与基座，滑块与基座通过安装轴承连接传动杆，传动杆再连接转换臂，转换臂经过支承轴和两端的轴承连接，转换臂再通过水平臂连接造波板。