CN201680956U - 主动反射补偿伺服式单板造波装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种主动反射补偿式单板造波装置，包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械系统和波浪测量反馈系统。采用主动反射补偿造波技术，在造出符合试验精度要求的波浪的同时，能够有效地消除从船模、对面池壁和消波装置上反射回来的波浪，吸收反射波80％以上，从而避免它们撞击造波机构再次产生反射波，有效提高水池或水槽波浪模拟的质量。采用伺服电机作为驱动装置，并采用步进电机控制卡和编码器计数卡进行双位置控制，有效提高频率响应，提高造波的控制精度，简化驱动机构，大大降低了维护保养的成本。

Description

主动反射补偿伺服式单板造波装置

技术领域

本实用新型属于水动力试验测试领域，涉及用于水槽或水池的单板式波浪模拟机构，具体涉及一种主动反射补偿伺服式单板造波装置。

背景技术

在波浪模拟试验中，试验水池的四周池壁是一个封闭的边界，当某边池壁的造波机产生的进行波传递到水池中的被试验物体或池壁时会产生反射波；反射波传递到造波机时又会产生再反射波。再反射波在实际海面上是不存在的，因为实际的海面的边界是开放式的，反射波在广阔的海域传递过程中，其能量已被消耗掉。试验水池中再反射波的存在会使期望的入射波场产生畸变，使波浪环境的模拟失真，从而影响模型试验结果的精确度，这是长期困扰波浪模型试验的难题。

现有造波机的造波驱动装置主要为鼓风机、惯性电机或液压驱动装置，采用鼓风机或惯性电机的造波装置存在波浪模拟频率较低和控制精度不高的缺点，而液压驱动装置由于机构比较复杂，造价较高，维护保养成本也较高。

实用新型的内容

为了克服现有技术的不足之处，申请人经过研究改进，提供一种主动反射补偿伺服式单板造波装置，在造出符合试验精度要求的波浪的同时，能够有效消除从船模、对面池壁和消波装置上反射回来的波浪，提高水池或水槽波浪模拟的质量，同时提高造波板的控制精度，简化的驱动机构，降低维护保养成本。

本实用新型的技术方案如下：

一种主动反射补偿式单板造波装置，包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械系统和波浪测量反馈系统；

所述计算机控制驱动系统由计算机控制单元、电机驱动单元和交流伺服电机组成；计算机控制单元接收目标信号，通过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所述机械系统，并将位置信号反馈给计算机控制单元及电机驱动单元，计算机控制单元同时接收所述波浪测量反馈系统传来的浪高反馈信号；

所述机械系统由联轴节、轴承、丝杆、滑块、传动杆及摇板组成；丝杆通过轴承安装在固定位置，所述交流伺服电机通过联轴节与丝杆连接，丝杆上设有滑块，滑块通过传动杆连接摇板，摇板连接所述波浪测量反馈系统；

所述波浪测量反馈系统由浪高仪及信号电缆组成；浪高仪与所述摇板连接，浪高仪通过信号电缆与所述计算机控制单元连接。

本实用新型的有益技术效果是：

(1)本实用新型采用主动反射补偿造波技术，在造出符合试验精度要求的波浪的同时，能够有效地消除从船模、对面池壁和消波装置上反射回来的波浪，吸收反射波80％以上，从而避免它们撞击造波机构再次产生反射波，有效提高水池或水槽波浪模拟的质量。

(2)本实用新型采用伺服电机作为驱动装置，计算机控制单元采用步进电机控制卡和编码器计数卡进行双位置控制，有效提高频率响应，提高控制精度，简化驱动机构，大大降低了维护保养的成本。

(3)机械部分采用丝杆驱动，控制部分采用浪高及位置双信号反馈，提高了控制精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是摇板造波的工作方式示意图。

图3是主动反射补偿结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括顺序连接的计算机控制驱动系统A、机械系统B和波浪测量反馈系统C。

见图1，计算机控制驱动系统A由计算机控制单元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接收目标信号，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将动能传递到机械系统B，并将位置信号反馈给计算机控制单元1及电机驱动单元2，计算机控制单元1同时接收波浪测量反馈系统C传来的浪高反馈信号。

见图1，机械系统B由联轴节4、轴承5、丝杆6、滑块7、传动杆8及摇板9组成。丝杆6通过轴承5安装在固定位置，交流伺服电机3通过联轴节4与丝杆6连接，丝杆6上设有滑块7，滑块7通过传动杆8连接摇板9，摇板9连接波浪测量反馈系统C。

见图1，波浪测量反馈系统C由浪高仪10及信号电缆11组成。浪高仪10与摇板9连接，浪高仪10通过信号电缆11与计算机控制单元1连接。

下面说明本实用新型的工作原理：

本实用新型启动以后，将自动检测计算机控制驱动系统A的硬件、并调整摇板9的初始位置。计算机控制单元1从计算机文件中读取目标信号，即所要制造的波浪数据，同时接收浪高反馈以及位置反馈对摇板位置的调整数据，通过内部的计算模块，生成输出控制数据输入电机驱动单元2，通过电机驱动单元2驱动交流伺服电机3。计算机控制单元1采用步进电机控制卡和编码器计数卡进行双位置控制，有效提高频率响应，提高控制精度。交流伺服电机3通过联轴节4带动丝杆6来回旋转，从而使滑块7前后移动，滑块7通过传动杆8带动摇板9摆动，造成波浪。浪高仪10随摇板9运动，采集浪高信息，并通过信号电缆11不断将浪高信息反馈给计算机控制单元1，通过计算调整控制量，进行反射补偿，从而有效消除反射波对造波模拟试验的影响。同时摇板9的位置信息也将进行反馈，使得计算机控制驱动系统A可以时刻监控摇板9的运动和位置，在摇板超限位、摇板零点偏移时调整控制量，保护造波装置。

下面说明本实用新型主动反射补偿的原理：

图2示出了摇板造波的工作方式示意图。如图2所示，X(t)为摇板的运动状态量，包括造波运动X_I(t)和消波运动X_R(t)，因此X(t)＝X_I(t)+X_R(t)；η_I(t)为造波系统生成的目标波；η_R(t)为反射波。根据相关造波理论，设Φ为速度势，则有如下的方程组：

Φ_xx+Φ_zz＝0   (0≤x＜∞，-h≤z≤0)    (1)

Φ_z＝0         (z＝-h)                 (2)

Φ_tt+gΦ_z＝0   (z＝0)                  (3)

Φ_x＝X_t        (x＝0)                  (4)

通过求解Φ可以得到输出波形η_O(t)：

${\mathrm{\η}}_o=\frac{1}{g}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}{|}_{x=0,z=0}=-\mathrm{iAX}+2i{\mathrm{AX}}_I+\mathrm{DX}---\left(5\right)$

其中

$A=\frac{{4\sinh }^2\mathrm{kh}}{2\mathrm{kh}+\sinh 2\mathrm{kh}},$ $D=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{D}_n=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{4\sin }^2{k}_{n}h}{{2k}_{n}h+\sin {2k}_{n}h}$

k和k_n是方程ω²/g＝ktanhkh＝-k_ntank_nh的正根，ω为摇板转动的角频率。由公式(5)可以推出如下的消波方程：

X_t＝(ω/A){2η_I-(η_O-DX)}        (6)

满足这个方程的系统就是本实用新型需要的主动反射补偿系统。

根据方程(6)就可以构造出如图3所示主动反射补偿结构的本实用新型的线性控制系统。

图3中的N/N_REF为伺服电机的传输函数；K₁为浪高仪的传输函数(浪高仪安装在摇板上)；K₂为补偿电子滤波器，且以上几个参数满足如下等式：

$K_1{K}_{2}N/N_{\mathrm{REF}}\≅1$ 或 $K_2\≅N_{\mathrm{REF}}/K_{1}N---\left(7\right)$

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型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，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种主动反射补偿式单板造波装置，其特征在于，包括顺序连接的计算机控制驱动系统、机械系统和波浪测量反馈系统；

所述计算机控制驱动系统由计算机控制单元、电机驱动单元和交流伺服电机组成；计算机控制单元接收目标信号，通过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所述机械系统，并将位置信号反馈给计算机控制单元及电机驱动单元，计算机控制单元同时接收所述波浪测量反馈系统传来的浪高反馈信号；

所述机械系统由联轴节、轴承、丝杆、滑块、传动杆及摇板组成；丝杆通过轴承安装在固定位置，所述交流伺服电机通过联轴节与丝杆连接，丝杆上设有滑块，滑块通过传动杆连接摇板，摇板连接所述波浪测量反馈系统；

所述波浪测量反馈系统由浪高仪及信号电缆组成；浪高仪与所述摇板连接，浪高仪通过信号电缆与所述计算机控制单元连接。

Images