CN105758617B - 一种非线性多向不规则波和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，涉及基于垂向多板和水平多组控制的非线性多向不规则波和内波造波系统及其控制方法，用于水池生成高精度的非线性多向不规则波和多向不规则内波。基于垂向多层和水平多板控制的非线性多向不规则波和内波造波系统，其中，包括试验水池（包括消波段）、计算机控制驱动系统、机械传动系统、造波板系统（垂向多板、水平方向多组）和波高监测系统；其中试验水池内在造内波时为密度不同的两层流体，其他情况时为单层流体。本发明通过同时控制水平布置的多组垂向多板造波机构，对两层流体或单层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水池非线性多向不规则波和多向不规则内波模拟，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，涉及一种非线性多向不规则波和内波造波系统及其控制方法，用于在水池或水池生成高精度的内波、规则或不规则波、线性或非线性波。
背景技术
在海洋工程及水动力试验领域，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池或水池的一端，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。现有的造波技术主要基于推板式或摇摆式线性控制系统，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。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，不能准确直接反映实际垂向非线性（如指数或双曲函数）速度分布。波浪由造波板造出后需要经过较长距离的调节过程才能达到预期的造波效果。另一方面，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。改进和研制性能较高的造波系统，一直是人们不断努力的方向。
在实际的海洋上，海浪大多数是多向的不规则波浪，海浪的方向分布对于波浪的折射、绕射、海岸的泥沙输运等研究具有重要的意义，怎样才能够最准确的模拟这种波浪，提高实验数据的可靠性，是一个非常关键的问题。因此在实验室中产生理想的多向不规则波浪，是物理模拟波浪研究中的重要课题。现有的不规则波浪的造波技术大多数是根据基于小振幅波理论的线性叠加法，在工程中应用较广，但这种方法仅限于深水小振幅波。当水深的影响较大时，非线性效应增强，基于小振幅波理论线性叠加模拟出来的结果与实际情况相差较大。如何产生理想的非线性的不规则波浪，是实现精确造波的重要方面。
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。
对于不规则波的生成，目前主要采用的是基于线性叠加理论，将波浪分解成不同频率、相位、振幅的线性波浪的叠加，但叠加后仍然是线性波，故此方法只能解决弱非线性波浪问题，当波陡相对较大时非线性影响必须加以考虑。根据非线性不规则波浪二阶分离模型，二阶组成波是由两个一阶组成波相互作用所产生，其频率为一阶组成波的频率之和或频率之差，并且二阶非线性造波相比于线性叠加造波更加精确。
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，提供基于垂向多板和水平多组控制的非线性多向不规则波和内波造波系统及其控制方法，可以通过同时控制水平布置的多组垂向多板造波机构，对两层流体或单层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水池或水池中的内波、规则或不规则波、线性或非线性波模拟，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：
一种非线性多向不规则波和内波造波系统，其特征在于，包括试验水池、计算机控制驱动系统、机械传动系统、造波板系统和波高监测系统，其中试验水池内在造内波时为密度不同的两层流体，其他情况时为单层流体；所述造波板系统呈垂向多板、水平方向多组分布，可以生成多向的规则、不规则的表面波和内波；
所述的试验水池包括水池和消波段，水池的一侧安装机械传动系统和造波板系统，另一端为消波段；
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接造波板系统；所述的计算机控制驱动系统用于控制机械传动系统，所述机械传动系统用于驱动造波板系统；
所述机械传动系统和造波板系统均有多组，且机械传动系统与造波板系统的组数相匹配；
所述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，所述直线电机驱动单元有多组，数目与机械传动系统的数目相匹配；每组所述的机械传动系统包括与直线电机驱动单元连接的直线电机机构，与直线电机机构连接的滑块机构、对滑块机构导向的导轨机构、与滑块机构连接的连杆机构，连杆机构连接造波板系统。
进一步的，作为优选技术方案，每组所述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；
每组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；各组造波板系统在水平方向上呈蛇形连接。
进一步的，作为优选技术方案，所述的第一连杆一端与第一滑块铰接，另一端设有第一球形铰接部，第二连杆一端与第二滑块铰接，另一端设有第二球形铰接部，第三连杆一端与第三滑块铰接，另一端设有第三球形铰接部；
所述的造波板系统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，水平方向上各相邻造波板之间采用软性可弹性伸缩材料连接。
进一步的，作为优选技术方案，所述的基架上还设有基架限位部，连杆机构穿过基架限位部。
进一步的，作为优选技术方案，所述的第一连杆、第二连杆、第三连杆由上往下设置。
进一步的，作为优选技术方案，所述的波高监测系统包括多组波高仪和与信号处理单元连接的波高采集分析单元。
进一步的，作为优选技术方案，水平方向分布的多组造波板系统的板与板之间采用柔性连接方式，
进一步的，本发明还提供一种非线性多向不规则波和内波造波系统的控制方法，其特征在于：采用上述的非线性多向不规则波和内波造波系统，具体包括以下步骤：
S1、信号处理单元发出处理信号；
S2、控制单元接收信号并控制直线电机驱动单元启动；
S3、电机驱动单元控制直线电机机构驱动；
S4、直线电机机构驱动滑块机构沿导轨机构来回移动，连杆机构带动垂向造波板产生波浪；
S5、波高仪实时采集数据，通过波高采集分析单元将数据传输给信号处理单元，动态修正处理信号。
进一步的，本发明还提供一种非线性多向不规则波和内波造波系统的控制方法，其特征在于：采用上述的非线性多向不规则波和内波造波系统，具体包括以下方面：
S1、根据目标波形计算出垂向造波板的位移和速度，使其符合目标波形的垂向非线性速度分布，具备生成非线性不规则波的能力，大幅提高造波精度和缩短试验段与造波板之间的距离。
S2、根据目标波形计算出垂向造波板的位移和速度，控制位于两种液体的造波板分别以各自的速度反向运动，具备生成内波的能力。
S3、根据目标波形计算出水平布置的各组造波板的位移和速度，同步控制各组造波机构的运动，生成任意方向的规则、不规则波，线性、非线性波。
与现有技术相比，有益效果是：本发明通过同时控制水平布置的多组垂向多板造波机构，对两层流体或单层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水池或水池中的内波、规则或不规则波、线性或非线性波模拟，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是本发明单组垂向双板造波机构的整体示意图。
图2是本发明单组垂向双板造波机构的机械传动系统和造波板系统的示意图。
图3是本发明单组垂向双板造波机构的模块示意图。
图4是本发明单组垂向多板造波机构的机械传动系统和造波板系统的立体示意图。
图5是本发明的总体系统组成结构的示意图。
图6是本发明机械传动系统和造波板系统的整体多向内波造波立体示意图。
图7是本发明机械传动系统和造波板系统的整体垂向两板结构多向造波立体示意图。
图8是本发明可生成的内波的速度剖面示意图。
图9是本发明可生成的线性、非线性波的速度剖面示意图。
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1－5所示，基于垂向多板和水平多组控制的非线性多向不规则波和内波造波系统，其中，包括试验水池（包括消波段）、计算机控制驱动系统、机械传动系统、造波板系统（垂向多板、水平方向多组）和波高监测系统。
试验水池内在造内波时为密度不同的两层流体，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。其他情况时为单层流体。试验水池包括水池和消波段，水池的一侧用于安装造波机构，另一侧为消波段。
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接造波板系统（垂向多板、水平方向多组）；所述的计算机控制驱动系统包括信号处理单元1、控制单元2、直线电机驱动单元3，用于驱动造波板系统按照要求进行运动，直线电机驱动单元3有多组，数目与水平布置的垂向多板造波板系统数目一致；所述的机械传动系统有多组，数目与水平布置的垂向多板造波板系统数目一致，每组均包括与直线电机驱动单元连接的滑块机构5、对滑块机构导向的导轨机构6、与滑块机构连接的连杆机构7，连杆机构7连接垂向造波板。水平方向多组造波机构呈蛇形连接，水平方向的板与板之间用软性可弹性伸缩材料连接。且机械传动系统与造波板系统的组数相匹配。
本实施例中，每组垂向造波板系统均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，单组垂向多板造波机构完整地物理结构由两组上述结构组成，如图4所示。总体结构如图5所示。
本实施例中，计算机控制驱动系统包括信号处理单元1、与信号处理单元连接的控制单元2、与控制单元连接的直线电机驱动单元3、与直线电机驱动单元连接的直线电机机构30。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。
为实现多向造波，需要同步对多组造波板系统传送命令，因此采用集中式控制单元，利用计算机的高速分时多路特点，配合高速运动控制器完成控制。
为实现非线性不规则波造波，需要对实测谱作分解，利用分解出的一阶谱和二阶谱甚至更高阶谱，或者根据理论谱计算二阶谱等高阶谱，进而求解精确的非线性波的垂向速度剖面，以实现高精度造波。
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。
本实施例中，机械传动系统有多组，数目与水平布置的垂向多板造波板系统数目一致，每组均包括与直线电机驱动单元连接的滑块机构5、对滑块机构导向的导轨机构6、与滑块机构连接的连杆机构7，连杆机构连接垂向造波板。水平方向多组造波机构呈蛇形连接，水平方向上各相邻造波板之间采用软性可弹性伸缩材料连接。且机械传动系统与造波板系统的组数相匹配。对于每一组垂向造波机构，包括基架4，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，第一滑块连接第一连杆71，第一滑块沿第一导轨61轴向移动；第二直线电机32连接第二滑块52，第二滑块连接第二连杆72，第二滑块沿第二导轨62轴向移动；第三直线电机33连接第三滑块53，第三滑块连接第三连杆73；第三滑块沿第三导轨63轴向移动。
所述的第一连杆一端与第一滑块铰接，另一端设有第一球形铰接部101，第二连杆一端与第二滑块铰接，另一端设有第二球形铰接部102，第三连杆一端与第三滑块铰接，另一端设有第三球形铰接部103；
单组垂向造波机构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。
本实施例中，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）。水平方向布置多组造波机构呈蛇形连接，水平方向上各相邻造波板之间采用软性可弹性伸缩材料连接。且机械传动系统与造波板系统的组数相匹配。各组造波机构相对独立。
每一组垂向多板造波机构包括两组双板联动垂向造波板，在造内波时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。
本实施例中，水平布置的多组呈蛇形连接的垂向多板造波机构用于在生成任意方向的波浪。多组垂向多板造波机构各自按照预先计算好的轨迹摆动，可以生成任意方向的规则、不规则波，线性、非线性波。
本实施例中，每一组垂向多板造波机构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。生成内波时，液体分层界面布置在两组造波板的连接处，如图4中，分为上部的上部水体001，下部的下部水体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。
固定单组双板联动垂向造波板有三种方法，依实际工况决定。一、第二滑块与第二连杆之间采用固定连接，第一和第三滑块和连杆之间采用铰接；二、第三滑块与第三连杆之间采用固定连接，第一和第二滑块和连杆之间采用铰接；三、第一、第二和第三滑块和连杆之间均采用固定连接，单块垂向造波板使用软性材料，允许弹性伸缩。
本实施例中，波高监测系统，包括多组波高仪和与信号处理单元连接的波高采集分析单元。波高仪通过线缆或者无线连接至实时波高采集分析系统，并将数据提供给计算机控制驱动系统，以实现主动吸收式造波，非线性不规则波造波等功能。
本实施例具备生成任意方向的各种如图8中内波，规则、不规则波，如图9中线性、非线性波的造波能力。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板式造波机系统更好的任意方向的内波，规则、不规则波，线性、非线性波，大大提高造波的精度和准确度，缩短试验段与造波板之间的距离。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8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，水深波长比为0.51。图9中，小振幅波和斯托克斯波速度剖面：设水深3m，波高2m，周期5s，则波长24.93m，水深波长比为0.12。
计算机控制驱动系统采用主动吸收式造波，即无反射造波。此功能需要和波高监测系统相配合。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 (9)
1.一种内波造波系统，其特征在于，包括试验水池、计算机控制驱动系统、机械传动系统、造波板系统和波高监测系统，其中试验水池为密度不同的两层流体；所述造波板系统呈垂向多板、水平方向多组分布，每一组垂向多板造波机构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，液体分层界面布置在两组造波板的连接处，位于两种液体的双板造波板以各自的速度反向运动，以生成沿液体界面传播的波；
所述的试验水池包括水池和消波段，水池的一侧安装机械传动系统和造波板系统，另一端为消波段；
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接造波板系统；所述的计算机控制驱动系统用于控制机械传动系统，所述机械传动系统用于驱动造波板系统；
所述机械传动系统和造波板系统均有多组，且机械传动系统与造波板系统的组数相匹配；
所述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)，所述直线电机驱动单元(3)有多组，数目与机械传动系统的数目相匹配；每组所述的机械传动系统包括与直线电机驱动单元(3)连接的直线电机机构(30)，与直线电机机构(30)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)连接造波板系统。
2.根据权利要求1所述的内波造波系统，其特征在于：每组所述直线电机机构(30)包括第一直线电机(31)、第二直线电机(32)、第三直线电机(33)；每组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)；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；各组造波板系统在水平方向上呈蛇形连接。
3.根据权利要求2所述的内波造波系统，其特征在于：所述的第一连杆(71)一端与第一滑块(51)铰接，另一端设有第一球形铰接部(101)，第二连杆(72)一端与第二滑块(52)铰接，另一端设有第二球形铰接部(102)，第三连杆(73)一端与第三滑块(53)铰接，另一端设有第三球形铰接部(103)；所述的造波板系统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)，水平方向上各相邻造波板之间采用软性可弹性伸缩材料连接。
4.根据权利要求3所述的内波造波系统，其特征在于：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)。
5.根据权利要求3－4任一所述的内波造波系统，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。
6.根据权利要求1所述的内波造波系统，其特征在于，所述的波高监测系统包括多组波高仪和与信号处理单元连接的波高采集分析单元。
7.根据权利要求1所述的内波造波系统，其特征在于，水平方向分布的多组造波板系统的板与板之间采用柔性连接方式。
8.一种内波造波系统的控制方法，其特征在于：采用权利要求1所述的内波造波系统，具体包括以下步骤：
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；
S5、波高仪实时采集数据，通过波高采集分析单元将数据传输给信号处理单元，动态修正处理信号。
9.一种内波造波系统的控制方法，其特征在于：采用权利要求1所述的内波造波系统，具体包括以下方面：
根据目标波形计算出垂向造波板的位移和速度，控制位于两种液体的造波板分别以各自的速度反向运动，具备生成内波的能力。
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