CN105509995B - 基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水动力学实验研究的技术领域，更具体地，涉及基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法，用于在水槽或水池生成高精度的内波。基于垂向多层控制的内波造波系统，其中，包括水槽、产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板；其中水槽内为密度不同的两层液体。本发明通过分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水槽或水池中的内波模拟，并具有较高的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学实验研究的技术领域，更具体地，涉及基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法，用于在水槽或水池生成高精度的内波。
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。现有的造波技术在垂向方向大多采用的是单板来回平推或摇摆，其垂向速度分布的形式是固定的，或是摇摆式的垂向线性速度分布，或是推板式垂向均匀速度分布形式，不能准确反映实际垂向非线性（如指数或双曲函数）速度分布。
内波又称为界面内波，通常用产生于两层密度不同的流体来简要描述内波的各种过程。内波的产生，应具备两个条件，一是流体密度稳定分层；二是要有扰动源。实验中内波生成的方式有很多种，常见的有采用重力塌陷、拖曳地形以及利用造波机造波等方式，而其中采用造波机造波是最方便常用的生成内波的方式。
垂向单板造波机的优点是简易直观，容易实现，但不能提供精确的波浪在垂向速度分布非线性的边界条件。然而在自然界中所有波浪现象在垂向的速度分布都是非线性的，即使是最简单的正弦波浪也是如此。沿垂直方向的流体质点速度的非线性变化规律是波浪的重要特征，故能否在边界处输入准确的垂向速度关系到所成波浪的品质，对于内波等垂直速度差异大的更是如此。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法，可以通过分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水槽或水池中的内波模拟，并具有较高的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于垂向多层控制的内波造波系统，其中，包括水槽、产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板；其中水槽内为密度不同的两层液体；
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接垂向造波板；所述的计算机控制驱动系统包括电机，所述的机械传动系统包括与电机连接的滑块机构、对滑块机构导向的导轨机构、与滑块机构连接的连杆机构，连杆机构连接垂向造波板。
本发明中，垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板。
本方案中，计算机控制驱动系统包括信号处理单元、与信号处理单元连接的控制单元、与控制单元连接的直线电机驱动单元、与直线电机驱动单元连接的直线电机机构。用于驱动造波板按照要求进行运动。根据垂向速度剖面编写计算机控制系统，采用PID控制技术进一步提高控制精度，实现单轴和多轴同步运动控制；并采用高精度的定时方法，满足高精度周期的要求。驱动系统的计算机控制和传动系统的直线电机，是软硬件的核心部分，具有高速响应、定位精度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、传动安静、噪音低、效率高等优点。
进一步的，所述的直线电机机构包括第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机；
所述的机械传动系统还包括基架，导轨机构的两端固定于基架上，所述的滑块机构包括第一滑块、第二滑块、第三滑块，导轨机构包括第一导轨、第二导轨、第三导轨，连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆；
第一直线电机连接第一滑块，第一滑块连接第一连杆，第一滑块沿第一导轨轴向移动；第二直线电机连接第二滑块，第二滑块连接第二连杆，第二滑块沿第二导轨轴向移动；第三直线电机连接第三滑块，第三滑块连接第三连杆；第三滑块沿第三导轨轴向移动。
所述的第一连杆一端与第一滑块铰接，另一端设有第一铰接部，第二连杆一端与第二滑块铰接，另一端设有第二铰接部，第三连杆一端与第三滑块铰接，另一端设有第三铰接部；
所述的垂向造波板包括设于上部的第一垂向造波板、设于下部的第二垂向造波板，第一垂向造波板上部连接第一铰接部，下部连接第二铰接部，第二垂向造波板上部连接第二铰接部，下部连接第三铰接部。
本发明中，基架用于安装计算机控制驱动系统，保证控制驱动系统能稳定工作且不互相影响。连杆连接控制驱动系统和垂向造波板，与造波板铰接，在控制系统的驱动下带动造波板根据要求运动（包括推动和转动）。
垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板，液体分层界面布置在造波板的连接处，位于两种液体的双板造波板以各自的速度反向运动，可以生成沿液体界面传播的波。
进一步的，基架上还设有基架限位部，连杆机构穿过基架限位部。第一连杆、第二连杆、第三连杆由上往下设置。本发明中，基架限位部可对连杆机构的上下摆动位置进行限位，使其在规定的轨迹内运动。
与现有技术相比，有益效果是：本发明通过分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水槽或水池中的内波模拟，并具有较高的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
并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。
附图说明
图1是本发明整体示意图。
图2是本发明机械传动系统示意图。
图3是本发明模块示意图。
图4是本发明机械传动系统立体示意图。
图5是本发明内波速度剖面示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1－4所示，基于垂向多层控制的内波造波系统，其中，包括水槽、产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板。
水槽内为密度不同的两层液体，其中密度较大的液体位于下方；两层液体的交界面保持于两组双板联动垂向造波板的中间位置。
计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接垂向造波板；计算机控制驱动系统包括电机，机械传动系统包括与电机连接的滑块机构5、对滑块机构5导向的导轨机构6、与滑块机构5连接的连杆机构7，连杆机构7连接垂向造波板。
本实施例中，垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板。相应的，图1-3所示的机械传动结构和双板联动垂向造波板是单组的结构，完整地物理结构由两组上述结构组成，如图4所示。
以下描述均只针对单组的结构，两组的控制方法一致。
本实施例中，计算机控制驱动系统包括信号处理单元1、与信号处理单元1连接的控制单元2、与控制单元2连接的直线电机驱动单元3、与直线电机驱动单元3连接的直线电机机构30。直线电机机构30包括第一直线电机31、第二直线电机32、第三直线电机33。信号处理单元与控制单元用于驱动造波板按照要求进行运动。信号处理单元根据目标内波的垂向速度剖面生成控制信号，并采用高精度的定时方法，满足高精度造波周期控制的要求。控制单元用于实现机械传动系统的单轴和多轴同步运动控制，采用PID控制技术可进一步提高控制精度。直线电机驱动单元是硬件的核心部分，直线电机具有高速响应、定位精度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、传动安静、噪音低、效率高等优点。
机械传动系统包括基架4，导轨机构6的两端固定于基架4上，滑块机构5包括第一滑块51、第二滑块52、第三滑块53，导轨机构6包括第一导轨61、第二导轨62、第三导轨63，连杆机构7包括第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73；
第一直线电机31连接第一滑块51，第一滑块51连接第一连杆71，第一滑块51沿第一导轨61轴向移动；第二直线电机32连接第二滑块52，第二滑块52连接第二连杆72，第二滑块52沿第二导轨62轴向移动；第三直线电机33连接第三滑块53，第三滑块53连接第三连杆73；第三滑块53沿第三导轨63轴向移动。
第一连杆71一端与第一滑块51铰接，另一端设有第一铰接部101，第二连杆72一端与第二滑块52铰接，另一端设有第二铰接部102，第三连杆73一端与第三滑块53铰接，另一端设有第三铰接部103；
垂向造波板包括设于上部的第一垂向造波板100、设于下部的第二垂向造波板200，第一垂向造波板100上部连接第一铰接部101，下部连接第二铰接部102，第二垂向造波板200上部连接第二铰接部102，下部连接第三铰接部103。
本实施例中，基架4用于安装计算机控制驱动系统，保证控制驱动系统能稳定工作且不互相影响。连杆连接控制驱动系统和垂向造波板，与造波板铰接，在控制系统的驱动下带动造波板根据要求运动（包括推动和转动）。
垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板，双板之间将采用软质材料填充，使两块造波板形成分段连续状态，且上层两板的最下一根杆和下层两板的最上一根杆只能做水平运动。液体分层界面布置在两组造波板的交界处，如图4中，分为上部的上部水槽001，下部的下部水槽002，位于两种液体的双板造波板以各自的速度反向运动，可以生成沿液体界面传播的波。
另外，如图2、4中，在上部水槽001内，由上往下分别为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73，第三连杆73只能做水平运动，第一连杆71和第二连杆72能在限位部内上下且水平方向的运动。
在下部水槽002内，由上往下分别为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73，第一连杆71只能做水平运动，第二连杆72和第三连杆73能在限位部内上下且水平方向的运动。
本发明具备生成各种如图5中典型内波波形和畸形波、不规则波的造波能力。能够在较短的传播距离内造出比传统垂向单板推板式或摇摆式造波机系统强非线性的内波，大大提高造波的精度和准确度,减小造波机的长度。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。图5中，内波速度剖面：设上层流体深1m，下层流体深1m，内波波高0.4m，周期8s，则波长1.95m，d/λ=0.51。
计算机控制驱动系统采用主动吸收式造波，即无反射造波。实现此功能需要额外增添多点的波高监测系统。利用多点的波高监测系统，测出入反射波的波高和相位，基于入反射分离技术，进行波形分离，并据此在信号输出处作出补偿，抑制反射波的效应。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于垂向多层控制的内波造波系统，其特征在于，包括水槽和两组双板联动垂直造波机，其中水槽内为密度不同的两层液体；所述的水槽包括上部水槽（001）和下部水槽（002），所述的上部水槽位于下部水槽的上方且二者相互连通；分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，所述的两组双板联动垂直造波机分别扰动上部水槽内和下部水槽内的水；
在任意一组双板联动垂直造波机内包括产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板；
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接垂向造波板；所述的计算机控制驱动系统包括电机、信号处理单元（1）、与信号处理单元（1）连接的控制单元（2）、与控制单元（2）连接的直线电机驱动单元（3）、与直线电机驱动单元（3）连接的直线电机机构（30）；
所述的机械传动系统包括与电机连接的滑块机构（5）、对滑块机构（5）导向的导轨机构（6）、与滑块机构（5）连接的连杆机构（7），连杆机构（7）连接垂向造波板；所述的机械传动系统还包括基架（4），导轨机构（6）的两端固定于基架（4）上，所述的滑块机构（5）包括第一滑块（51）、第二滑块（52）、第三滑块（53），导轨机构（6）包括第一导轨（61）、第二导轨（62）、第三导轨（63），连杆机构（7）包括第一连杆（71）、第二连杆（72）、第三连杆（73）；所述的直线电机机构（30）包括第一直线电机（31）、第二直线电机（32）、第三直线电机（33）；第一直线电机（31）连接第一滑块（51），第一滑块（51）连接第一连杆（71），第一滑块（51）沿第一导轨（61）轴向移动；第二直线电机（32）连接第二滑块（52），第二滑块（52）连接第二连杆（72），第二滑块（52）沿第二导轨（62）轴向移动；第三直线电机（33）连接第三滑块（53），第三滑块（53）连接第三连杆（73）；第三滑块（53）沿第三导轨（63）轴向移动；所述的第一连杆（71）一端与第一滑块（51）铰接，另一端设有第一铰接部（101），第二连杆（72）一端与第二滑块（52）铰接，另一端设有第二铰接部（102），第三连杆（73）一端与第三滑块（53）铰接，另一端设有第三铰接部（103）；所述的垂向造波板包括设于上部的第一垂向造波板（100）、设于下部的第二垂向造波板（200），第一垂向造波板（100）上部连接第一铰接部（101），下部连接第二铰接部（102），第二垂向造波板（200）上部连接第二铰接部（102），下部连接第三铰接部（103）；所述的基架（4）上还设有基架限位部（41），连杆机构（7）穿过基架限位部（41）；
基架限位部可对连杆机构的上下摆动位置进行限位，使其在规定的轨迹内运动；
位于上部水槽的最下一根杆和位于下部水槽的最上一根杆只能做水平运动。
2.根据权利要求1所述的基于垂向多层控制的内波造波系统，其特征在于：所述的第一连杆（71）、第二连杆（72）、第三连杆（73）由上往下设置。
3.根据权利要求1所述的基于垂向多层控制的内波造波系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、信号处理单元（1）发出处理信号；
S2、控制单元（2）接收信号并控制直线电机驱动单元（3）启动；
S3、电机驱动单元（3）控制直线电机机构（30）驱动；
S4、直线电机机构（30）驱动滑块机构（5）沿导轨机构（6）来回移动，连杆机构（7）带动垂向造波板产生波浪。
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