JP2004085264A

JP2004085264A - 造波装置

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Publication number: JP2004085264A
Application number: JP2002243862A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Yamamoto; 山本　郁夫; Yuji Ota; 太田　裕二; Masayuki Hashimoto; 橋本　雅之; Yojiro Wada; 和田　洋二郎; Kazunari Yamashita; 山下　一成; Masami Matsuura; 松浦　正己
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP3806379B2

Abstract

【課題】水槽内に、所望の特性を有する波をより正確に造り出す造波装置を提供する。
【解決手段】制御部１１、モーションコントローラ１２及び造波ドライブユニット１３を備える造波装置を用いる。制御部１１は、造波条件信号に基づいて造波演算を行い、波高を示す波高指令ｃ１を出力する。モーションコントローラ１２は、波高指令ｃ１に基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う。そして、波高指令ｃ１に対応する造波指令ｗｃを出力する。造波ドライブユニット１３は、水槽１４内に設けられ、波高計２２を備える。そして、造波指令ｗｃに基づいて動作し、水槽１４内に波を造り、波高計２２で検出される波高検出値η_Ｄをモーションコントローラ１２へ出力する。モーションコントローラ１２は、波高指令ｃ１と造波ドライブユニット１３から出力された波高検出値η_Ｄとに基づいて、複数の造波指令ｗｃを出力する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、造波装置に関し、特に所望の波高を有する波を再現する造波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大規模な水槽で用いる造波装置は、複数の造波器（造波板）を有し、それらが水中で移動することにより波を造り出す。水槽中で造り出された波は、水槽の壁面で反射した波と互いに干渉する。そのため、造波板を水槽内で単純に、周期的に移動させるだけでは所望の波を造り出すことは困難である。水槽内に設置された造波装置において、所望の特性を有する波を正確に造り出すように造波板を適切に駆動することが可能な技術が望まれている。
【０００３】
また、水槽内の造波装置で波を造り出して使用した後、波の無い静止した水面に戻したい場合、造波装置を停止するだけでは、その波が消えるまでに時間がかかる。短時間で水槽内の波を無くし、静止した水面を得ることが可能な技術が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、水槽内に所望の特性を有する波を正確に造り出すように制御を行なうことが可能な造波装置を提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的は、水槽内の波を効率的に無くすように制御を行なうことが可能な造波装置を提供することである。
【０００６】
本発明の更に他の目的は、造波方法に依らずに、水槽内の造波及び消波を自在に制御することが可能な造波装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００８】
従って、上記課題を解決するために、本発明の造波装置は、制御部（１１）と、モーションコントローラ（１２）と、複数の造波ドライブユニット（１３）とを具備する。
制御部（１１）は、造り出す波の条件である造波条件信号に基づいて造波演算を行ない、波の高さとしての波高を示す複数の波高指令（ｃ１）を出力する。モーションコントローラ（１２）は、複数の波高指令（ｃ１）の各々に基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う。そして、複数の波高指令（ｃ１）の各々に対応する複数の造波指令（ｗｃ）を出力する。複数の造波ドライブユニット（１３）の各々は、水槽（１４）内に設けられ、波高を検出する波高計（２２）を備える。そして、複数の造波指令（ｗｃ）のうちの対応するものに基づいて動作する。また、水槽（１４）内の水に波を造る。加えて、波高計（２２）で検出される波高検出値（η_Ｄ）をモーションコントローラ（１２）へ出力する。
そして、モーションコントローラ（１２）は、複数の波高指令（ｃ１）の各々と、複数の造波ドライブユニット（１３）の各々のうちの対応するものから出力された波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、複数の造波指令（ｗｃ）を出力する。
【０００９】
また、本発明の造波装置は、モーションコントローラ（１２）が、フィードフォワード制御部（１０）と、フィードバック制御部（９）とを具備する。
フィードフォワード制御部（１０）は、波高指令（ｃ１）に基づいて、造波指令（ｗｃ）を補正する造波補正指令（Ｓ５）を出力する。フィードバック制御部（９）は、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００１０】
また、本発明の造波装置は、フィードバック制御部（９）が、ＰＩＤ制御部（６）と、加算部（７）とを具備する。
ＰＩＤ制御部（６）は、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令（Ｓ３）を出力する。加算部（７）は、仮造波指令（Ｓ３）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００１１】
また、本発明の造波装置は、複数の造波ドライブユニット（１３）の各々が、水槽（１４）内を移動し、水槽（１４）内の水に波を形成する造波板（２３）を更に備える。
そして、波高検出値（η_Ｄ）は、造波板（２３）の変位（Ｘ）に基づいて補正される。
【００１２】
更に、本発明の造波装置は、複数の造波ドライブユニット（１３）の各々が、造波板（２３）を駆動するモータ（２０）を更に備える。
そして、造波指令（ｗｃ）は、モータ（２０）の動作を制御する信号である。
【００１３】
更に、本発明の造波装置は、造波板（２３）が、ピストン型（２３−１）、フラップ型（２３−２）及びプランジャ型（２３−３）のいずれか１つである。
【００１４】
上記課題を解決するための、本発明の造波方法は、（ａ）〜（ｄ）ステップを具備する。
ここで、（ａ）ステップは、水槽（１４）内で造波板（２３）を移動させて造り出す波の条件としての造波条件信号に基づいて、造波演算を行い、波の高さとしての波高を示す波高指令（ｃ１）を出力する。（ｂ）ステップは、波高指令（ｃ１）と、水槽（１４）内で検出された波高としての波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行い、造波指令（ｗｃ）を出力する。（ｃ）ステップは、造波指令（ｗｃ）に基づいて造波板（２３）を駆動し、水槽（１４）内の水に波を造る。（ｄ）ステップは、造られた波の波高を検出し、波高検出値（η_Ｄ）として出力する。
【００１５】
また、本発明の造波方法は、（ｂ）ステップが、（ｅ）〜（ｆ）ステップを具備する。
ここで、（ｅ）ステップは、波高指令（ｃ１）に基づいて、造波指令（ｗｃ）を補正する造波補正指令（Ｓ５）を出力する。（ｆ）ステップは、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００１６】
更に、本発明の造波方法は、（ｆ）ステップが、（ｇ）〜（ｈ）ステップを具備する。
ここで、（ｇ）ステップは、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令（Ｓ３）を出力する。（ｈ）ステップは、仮造波指令（Ｓ３）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００１７】
上記課題を解決するための、本発明に関わるプログラムは、（ｉ）〜（ｋ）ステップを具備する方法をコンピュータに実行させる。
ここで、（ｉ）ステップは、水槽（１４）内で造波板（２３）を移動させて造り出す波の条件としての造波条件信号に基づいて、造波演算を行い、波の高さとしての波高を示す波高指令（ｃ１）を算出する。（ｊ）ステップは、水槽（１４）内で検出された波高としての波高検出値（η_Ｄ）を受信する。（ｋ）ステップは、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行い、造波板（２３）を駆動する造波指令（ｗｃ）を算出する。
【００１８】
また、本発明に関わるプログラムは、（ｋ）ステップが、（ｌ）〜（ｍ）ステップを具備する上記の方法をコンピュータに実行させる。
ここで、（ｌ）ステップは、波高指令（ｃ１）に基づいて、造波指令（ｗｃ）を補正する造波補正指令（Ｓ５）を出力する。（ｍ）ステップは、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００１９】
更に、本発明に関わるプログラムは、（ｍ）ステップが、（ｎ）〜（ｏ）ステップを具備する上記の方法をコンピュータに実行させる。
ここで、（ｎ）ステップは、波高指令（ｃ１）と波高検出値（η_Ｄ）とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令（Ｓ３）を出力する。（ｏ）ステップは、仮造波指令（Ｓ３）と造波補正指令（Ｓ５）とに基づいて、造波指令（ｗｃ）を出力する。
【００２０】
なお、上記造波方法及びプログラムの有するステップは、矛盾の生じない限り、各ステップ間の順番の変更が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である造波装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、実験水槽に使用される造波装置を例に示して説明するが、他の貯水施設やプールのような造波が必要な施設においても、適用可能である。
【００２２】
本発明である造波装置の実施の形態に構成について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明である造波装置の実施の形態の構成を示す図である。造波装置１は、制御部１１、モーションコントローラ１２、造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）を具備し、実験水槽１４に波を形成する。
【００２３】
制御部１１は、ワークステーションに例示される情報処理装置である。記憶装置、入出力装置、表示装置及び通信装置を含む。造波装置１全般に関する制御を行う。
制御部１１は、また、ユーザーからの入力、外部からの受信、記憶装置からの読み出しなどにより、造波装置１において造り出す波の条件（造波条件）を示す造波条件信号を取得する。造波条件としては、波の高さである波高（振幅）、波の周期（周波数）、波の速度などである。次に、造波条件信号に基づいて造波演算を行う。続いて、各造波ドライブユニット１３−１〜１３−６毎に、それらの近傍における波の高さの目標としての波高を算出する。そして、各造波ドライブユニット１３−１〜１３−６毎の目標の波高を示す複数の波高指令を出力する。ここで、複数の波高指令の各々は、制御時間毎の波高の時系列データである。必要に応じて、その他の指令も出力する。
【００２４】
モーションコントローラ１２は、ワークステーションに例示される情報処理装置である。記憶装置、入出力装置、表示装置及び通信装置を含む。制御部１１に含まれていても良い。モーションコントローラ１２は、制御部１１から出力される制御信号に基づいて、造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）の動作を制御する。
モーションコントローラ１２は、制御部１１から出力された造波ドライブユニット１３−１〜１３−６向けの複数の波高指令を受信する。次に、複数の波高指令の各々と、その複数の波高指令の各々に対応する造波ドライブユニット１３−１〜１３−６の各々から出力される波高検出値（後述）とに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う（後述）。そして、造波ドライブユニット１３−１〜１３−６の各々に対応する複数の造波指令を出力する。造波指令は、造波ドライブユニット１３を駆動するための信号であり、造波ドライブユニット１３のサーボアンプ１６（後述）に対するモータ回転数指令である。
【００２５】
造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）は、実験水槽１４内に複数設けられ、波を形成する造波部（後述）と、造波部を駆動する駆動部（後述）とを有する。造波部前面近傍の波の高さとしての波高を検出する波高計を備えている。モーションコントローラ１２からの制御信号に基づいて、実験水槽１４内に波を形成する。
造波ドライブユニット１３の各々において、モーションコントローラ１２から出力された複数の造波指令のうちの対応するものに基づいて、駆動部が駆動する。駆動部の動作により、造波部が実験水槽１４の縁部で振動する。そして、造波部の振動により、実験水槽１４内の水に波が製造される。製造された波の波高は、造波部に設けられた波高計で検出され、波高検出値としてモーションコントローラ１２へ出力される。
【００２６】
次に、図２を参照して、造波装置の制御について説明する。
図２は、本発明の造波装置の実施の形態における制御に関わる構成を示す図である。制御部１１、モーションコントローラ１２、造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）を具備する。
制御部１１は、既述の通りなので、その説明を省略する。
【００２７】
モーションコントローラ１２は、制御部１１から出力された複数の波高指令ｃの各々と、その複数の波高指令の各々に対応する造波ドライブユニット１３−１〜１３−６の各々から出力される波高検出値η_Ｄとに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行う。そして、造波ドライブユニット１３−１〜１３−６の各々に対応する複数の造波指令ｗｃを出力する。
また、過熱検知センサ１７（後述）及びストロークセンサ１８−１〜１８−２（後述）の出力に基づいて、サーボモータ２０（後述）及び造波板２３（後述）の動作を制限する。
【００２８】
造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）は、造波部と駆動部とを有する。
造波部は、駆動部に駆動され波を造り出す。造波板２３とフローティング波高計２２とを含む。造波板２３は、駆動部のボールネジ１９のナット部に取り付けられ、ボールネジ１９が駆動されることにより振動し、波を造り出す。フローティング波高計２２は、造波板２３の前方（造波する側）に取り付けられ、造波板２３の前方近傍の波高を計測し、波高検出値としてモーションコントローラ１２へ出力する。水面に浮かせるフロートポインタは、水面に浮いた状態において、下側ほど水面に平行な断面積が小さくなっており、波の周波数が高い場合でも、水面の変化に対する応答性が高くなっている。
【００２９】
駆動部は、造波部を駆動する。サーボアンプ１６、サーボモータ２０、過熱検知センサ１７、ストロークセンサ１８−１〜１８−２、ボールネジ１９及び位置センサ２１を含む。サーボアンプ１６は、モーションコントローラ１２からの造波指令ｗｃを増幅し、その指令をサーボモータ２０へ出力する。サーボモータ２０は、サーボアンプ１６からの増幅された造波指令ｗｃに基づいて、順逆両方向に回転動作する。ボールネジ１９は、サーボモータ２０の回転動作に基づいて回転し、そのナット部を前後に移動させる。
過熱検知センサ１７は、サーボモータ２０の温度を測定し、モーションコントローラ１２へ出力している。モーションコントローラ１２は、サーボモータ２０の温度が、予め設定された値以上になった場合には、サーボモータ２０の動作を休止させる等の処置を行なう。ストロークセンサ１８−１〜１８−２は、造波板２３のストロークの両端部に位置する位置検出センサであり、造波板２３が所定のストローク範囲を超えた場合、その結果をモーションコントローラ１２へ出力する。モーションコントローラ１２は、その場合、動作範囲を変更する等の処置を行なう。位置センサ２１は、造波板２３の正確な位置を検出し、造波板変位Ｘとしてモーションコントローラ１２へ出力される。
【００３０】
次に、造波の仕方と、その造波部の構成について説明する。
図５は、造波部を含む実験水槽断面を示している。図５（ａ）は、ピストン型の造波部、図５（ｂ）は、フラップ型の造波部、図５（ｃ）は、プランジャ型の造波部を示す。
【００３１】
図５（ａ）のピストン型では、造波板２３−１（ピストン型の造波板）が、概ね鉛直方向（静止水面に垂直な方向）に保持される。そして、駆動機構Ｐの動作に応じて、そのままの姿勢で所定の距離を進み、再び元の位置まで戻るという動作を繰り返す。ピストン型は、水深が浅く、水の抵抗が小さい場合に適用される。
波高計２２は、造波板２３−１において、波を造る側に設置される。造波板２３−１は、静止水面に対して常に垂直な向きで駆動されるので、波高計２２も静止水面に対して概ね垂直な向きで計測する。
【００３２】
図５（ｂ）のフラップ型では、造波板２３−２（フラップ型の造波板）が、その一端側を固定（支点Ｑ）され、概ね鉛直方向（静止水面に垂直な方向）に保持される。そして、駆動部Ｐの動作に応じて、造波板２３−２の他端が、支点Ｑを中心とした所定の長さの円弧を描くように、往復運動を繰り返す。フラップ型は、水深が深く、水の抵抗が大きい場合に適用される。
波高計２２は、造波板２３−２において、波を造る側に設置される。造波板２３−２は、静止水面に対する角度が、周期的に変動するように駆動されるので、波高計２２も静止水面に対する角度が、周期的に変動する。
【００３３】
図５（ｃ）のプランジャ型では、造波板２３−３（プランジャ型の造波板）が、駆動機構の動作に応じて水面を叩くような上下方向の動作を繰り返す。プランジャ型は、駆動機構を置くための奥行きスペースが少ない場合に適用される。
波高計２２は、造波板２３−３に設置することが困難であるため、別の治具に取り付けて、造波板２３−３の近傍に固定的に設置される。
【００３４】
次に、図３を参照して、造波装置の制御について更に説明する。
図３（ａ）は、本発明の造波装置の実施の形態における波高の制御に関わるブロック図である。フィードバック制御部９及びフィードフォワード制御部１０を備える。
【００３５】
フィードバック制御部９は、乗算部２、乗算部３、減算部４、加算部５、ＰＩＤ制御部６、加算部７及びリミッタ部８を含む。
乗算部２は、位置センサ２１から出力される造波板２３の位置である造波板変位Ｘに、所定のゲインＫ_Ｃを乗算し、フローティング波高計２２からの波高検出値η_Ｄを補正する波高補正値αを算出する。すなわち、
α＝Ｋ_Ｃ・Ｘ　　　（１）
である。
【００３６】
減算部４は、フローティング波高計２２からの波高検出値η_Ｄから波高補正値αを減算し、補正された波高検出値ｃ５を算出する。すなわち、
ｃ５＝η_Ｄ−α　　　（２）
である。
【００３７】
乗算部３は、波高指令ｃ１と補正係数ｃ３とを乗算し、補正された波高指令ｃ２を算出する。すなわち、
ｃ２＝ｃ１・ｃ３　　　（３）
である。
ここで、補正係数ｃ３は、図３（ｂ）に示すような値を取る。図３（ｂ）は、補正係数ｃ３の時間変化を示すグラフであり、縦軸がｃ３、横軸が造波開始からの時間を示す。補正係数ｃ３は、造波の開始から所定の時間ｔ_０までの間に、０から緩やかに１．０へ達する。これは、造波の開始段階で、波高指令を急激に上昇させないようにするために用いている。従って、所定の時間ｔ_０経過後（定常状態）では、ｃ２＝ｃ１である。なお、初期の造波の乱れが問題ない場合には、補正係数ｃ３を用いなくても良い。
【００３８】
加算部５は、波高指令ｃ１の基準高さ（波高０ｃｍとする水深）ｃ０と補正された波高指令ｃ２（基準高さからの変位（±）で示される波高指令）とを加えた絶対的な波高指令（実験水槽１０の底面からの波高指令）と、補正された波高検出値ｃ５（実験水槽１０の底面からの波高検出値）との偏差としての波高偏差ｅｒを算出する。すなわち、
ｅｒ＝ｃ２＋ｃ０−ｃ５　　　（４）
である。
また、波高指令ｃ１と補正された波高検出値ｃ５との基準が同じであれば、基準高さｃ０は用いない。
【００３９】
ＰＩＤ制御部６は、波高偏差ｅｒに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令Ｓ３を算出する。なお、加算部５は、ＰＩＤ制御部６に含まれていても良い。
【００４０】
加算部７は、フィードフォワード制御部１０から出力された造波補正指令Ｓ５（後述）と仮造波指令Ｓ３とを加算して、造波指令ｗｃとして出力する。造波指令ｗｃは、サーボモータ２０を駆動するための電圧指令である。すなわち、
ｗｃ＝Ｓ３＋Ｓ５　　　（５）
である。
【００４１】
リミッタ部８は、造波指令ｗｃの値が所定の範囲（サーボモータ２０の駆動用の電圧指令の許容範囲）に収まっている場合、そのまま出力する。所定の範囲を超えている場合には、造波指令ｗｃに最も近い所定の範囲内の値を改めて造波指令ｗｃとして、出力する。
【００４２】
フィードフォワード制御部１０は、波高指令ｃ１に基づいて、仮造波指令を補正する造波補正指令Ｓ５をフィードバック制御部９へ出力する。ただし、
Ｓ５＝Ｇ（ｓ）・ｃ１　　　（６）
Ｇ（ｓ）：フィードフォワード制御部１０の伝達関数。
である。
すなわち、次の制御サイクルにおいて用いる波高指令ｃ１を事前に取り出して、その波高指令ｃ１を前の制御サイクルの（仮）造波指令に（加算部７で）加えるというフィードフォワードな制御を行うことにより、正確な造波を行うことが可能となる。
【００４３】
次に、ＰＩＤ制御部６について更に説明する。
図４は、ＰＩＤ制御部６の例を示すブロック図である。図４（ａ）のＰＩＤ制御部６は、比例部３１と微分部３２を含む。比例部３１は、波高偏差ｅｒに基づいて、比例制御（ゲイン：Ｋ_Ｐ）により指令Ｓ１を出力する。すなわち、
Ｓ１＝Ｋ_Ｐ・ｅｒ　　　（７）
である。
また、微分部３２は、指令Ｓ１に基づいて、微分制御（ゲイン：Ｋ_Ｄ）により仮造波指令Ｓ３を算出している。すなわち、
Ｓ３＝Ｋ_Ｄ・ｓ・Ｓ１　　　（８）
である。ただし、ｓはラプラス変換演算子である。
【００４４】
また、図４（ｂ）のＰＩＤ制御部６は、比例部３１と、積分部３３と、加算部３４と、微分部３５とを含む。比例部３１は、波高偏差ｅｒに基づいて、比例制御（ゲイン：Ｋ_Ｐ）により指令Ｓ１を出力する。すなわち、上記（７）式と同様である。
積分部３３は、波高偏差ｅｒに基づいて、積分制御（ゲイン：Ｋ_Ｉ）により指令Ｓ２を出力する。すなわち、
Ｓ２＝Ｋ_Ｉ・ｅｒ／ｓ　　　（９）
である。
加算部３４は、指令Ｓ１と指令Ｓ２とを加算して、指令Ｓ３’を出力する。すなわち、
Ｓ３’＝Ｓ１＋Ｓ２　　　（１０）
微分部３５は、指令Ｓ３’に基づいて、微分制御（ゲイン：Ｋ_Ｄ）を行い、仮造波指令Ｓ３を出力する。すなわち、
Ｓ３＝Ｋ_Ｄ・ｓ・Ｓ３’　　　（１１）
である。
【００４５】
なお、造波装置の制御は、図６のような構成を用いても実施可能である。
図６は、本発明の造波装置の実施の形態における波高の制御に関わる他のブロック図である。フィードバック制御部９及びフィードフォワード制御部１０を備える。
図３（ａ）と比較して、加算部５’において、補正された波高検出値ｃ５の替わりに造波板変位Ｘを用いている点が、図３（ａ）と異なる。その他は、図３（ａ）と同様であるので、その説明を省略する。
【００４６】
また、上記各部における制御（各式）において、次元や単位を合わせるための係数を掛けても良い。
【００４７】
次に、本発明である造波装置の実施の形態に動作について、図１〜図４を参照して説明する。ここでは、図３（ａ）及び図４（ａ）に示されるブロック線図を有する制御を行うものとする。また、本実施例では、図５（ａ）のピストン型の造波方法を用い、１で示すような実験水槽１４内における規則波及び一方向波の造波を行う場合について説明する。
【００４８】
まず、図３及び図４の制御に関わるゲインを調整する。
（１）ステップＳ０１
造波板変位Ｘの範囲を、通常の駆動範囲よりも狭く（例示：通常の駆動可能範囲１０００ｍｍに対して２００ｍｍ）設定する。設定範囲は、通常の駆動可能範囲の５〜２０％である。
（２）ステップＳ０２
比例部３１のゲインＫ_Ｐ（の値）を調整する。造波を行い、造波の傾向（例示：波高及び波くずれ（波の頂上部が壊れ、きれいな波とならない現象）等）を計測する。そのとき、造波は、一方向規則波で行い、波の振幅は大きくしない（例示：通常の振幅可能範囲５００ｍｍに対して１００ｍｍ）。波の振幅範囲は、通常の振幅可能範囲の１０〜２０％である。
造波板２３によって動きが異なる場合は、各造波板２３毎に、ゲインＫ_Ｐの値を調整する。フローティング波高計２２のノイズによってゲインを上げられないことが予想されるので、一番ゲインが低い軸に合わせていく（ゲインを低めに設定する）。
そして、生成された波と目的とする波との相違を少なくするようにゲインＫ_Ｐの値を調整する。
（３）ステップＳ０３
ゲインＫ_Ｐの調整後に、同様の方法でゲインＫ_Ｃを調整し、造波の傾向を計測する。
（４）ステップＳ０４
ある程度ゲインが調整できたら、波形を計測し、波高、周期、吸収率などを計測する。生成波形が目的波と異なる場合は、ステップＳ０２及びステップＳ０３へ戻り、再度ゲインＫ_Ｐ及びＫ_Ｃを調整する。
【００４９】
ここで、波高制御におけるゲインＫ_Ｐは、ω／Ａを電気的に模擬した増幅器の伝達関数である。Ａは規則波における造波特性関数である。
図７は、ω／Ａ、Ａと周波数ｆ（＝ω／２π）との関係を示すグラフである。縦軸は、ω／Ａ及びＡ、横軸は、周波数ｆである。規則波における造波特性関数は、例えばフラップ型の波造波装置であれば、以下の式で表される。
Ａ＝［｛４ｓｉｎｈ（２πｈ／Ｌ）｝／（２πｈ／Ｌ）］・［｛１−ｃｏｓｈ（２πｈ／Ｌ）＋（２πｈ／Ｌ）ｓｉｎｈ（２πｈ／Ｌ）｝／｛４πｈ／Ｌ＋ｓｉｎｈ（４πｈ／Ｌ）｝］
ここでは、周期１秒ではω／Ａ＝３．２９、１．２秒では３．０９、１．５秒では３．１５となるので、ゲインＫ_Ｐの最初の目安を３として、上記ゲインＫ_Ｐの調整を行った。
【００５０】
上記方法により、図３（ａ）及び図４の制御に関わるゲインを適切に調整することが出来る。
なお、その他のゲインの調整は、上記（１）〜（４）の調整終了後に、必要に応じて行う。
【００５１】
次に、造波装置の動作について説明する。
（０）ステップＳ１０
ユーザーからの入力、外部からの受信、記憶装置からの読み出しなどにより、造波条件を示す造波条件信号が制御部１１へ入力される。
【００５２】
（１）ステップＳ１１
制御部１１での造波条件信号に基づいた造波演算により、各造波ドライブユニット１３（１３−１〜１３−６）に対応する複数の波高指令が算出される。各造波ドライブユニット１３毎の波高指令ｃ１は、モーションコントローラ１２へ出力される。同時に、補正係数ｃ３及び基準高さｃ０がモーションコントローラ１２へ出力される。
【００５３】
（２）ステップＳ１２
モーションコントローラ１２において、各造波ドライブユニット１３毎の波高指令ｃ１と補正係数ｃ３とが、乗算部３により乗算（式（３））され、補正された波高指令ｃ２が出力される。
【００５４】
（３）ステップＳ１３
また、モーションコントローラ１２において、乗算部２により位置センサ２１からの造波板変位Ｘに所定のゲインＫ_Ｃを乗算された波高補正値αと、フローティング波高計２２からの波高検出値η_Ｄとが、減算部４により減算（式（２））され、補正された波高検出値ｃ５が出力される。
【００５５】
（４）ステップＳ１４
加算部５により、基準高さｃ０と補正された波高指令ｃ２とを加えた絶対的な波高指令と、補正された波高検出値ｃ５との偏差としての波高偏差ｅｒ（式（４））が出力される。
【００５６】
（５）ステップＳ１５
ＰＩＤ制御部６において、比例部３１により、波高偏差ｅｒに基づいて、指令Ｓ１（式（７））が出力される。そして、微分部３２により、指令Ｓ１に基づいて、仮造波指令Ｓ３（式（８））が出力される。
【００５７】
（６）ステップＳ１６
フィードフォワード制御部１０により、波高指令ｃ１に基づいて、仮造波指令を補正する造波補正指令Ｓ５（式（６））がフィードバック制御部９の加算部７へ出力される。
【００５８】
（７）ステップＳ１７
加算部７により、造波補正指令Ｓ５と仮造波指令Ｓ３とが加算（式（５））され、造波指令ｗｃが出力される。ただし、リミッタ部８により、造波指令ｗｃの値が所定の範囲に収まるように制御される。
【００５９】
造波ドライブユニット１３毎に、上記ステップＳ１２〜ステップＳ１７が行われる。そして、造波ドライブユニット１３毎の造波指令ｗｃが、対応する造波ドライブユニット１３−１〜１３−６のいずれか一つへ出力される。
【００６０】
（８）ステップＳ１８
造波ドライブユニット１３の各々において、モーションコントローラ１２から出力された造波指令ｗｃは、サーボアンプ１６で増幅され、サーボモータ２０へ出力される。そして、増幅された造波指令ｗｃに基づいて、サーボモータ２０が回転駆動される。
【００６１】
（９）ステップＳ１９
サーボモータ２０の回転により、ボールネジ１９が回転駆動され、それにより、ボールネジ１９のナット部が前後に移動する。ボールネジ１９のナット部の移動により、造波板２３が前後に移動し、実験水槽１４の水に波が造り出される。
【００６２】
（１０）ステップＳ２０
位置センサ２１により、造波板２３の変位である造波板変位Ｘが計測される。造波板変位Ｘは、モーションコントローラ１２の乗算部２へ出力される。また、フローティング波高計２２により、造波板２３前面近傍の波高検出値η_Ｄが計測される。そして、波高検出値η_Ｄは、モーションコントローラ１２の減算部４へ出力される。
【００６３】
ステップＳ２０の後、再びステップＳ１１へ戻り、ステップＳ１１〜ステップＳ２０を繰り返す。なお、ステップＳ２０での造波板変位Ｘ及び波高検出値η_Ｄは、ステップＳ１３で用いる。
【００６４】
以上の動作により、造波装置１による実験水槽１４における造波が行われる。このとき、造波方法は図５（ａ）〜図５（ｃ）のいずれの場合にも適用が可能である。
【００６５】
次に、上記の造波装置１による造波結果について説明する。
図８は、実験水槽１４内の、造波板２３から５ｍ離れた場所で計測された波高の時間変化を示すグラフである。縦軸は波高、横軸は時間である。図８（ａ）は、実験水槽１４内での反射を考慮しない場合であり、図８（ｂ）は、本発明に関する造波の制御を用いた場合である。ここでは、時間１０ｓｅｃ．から造波を開始し、一定の振幅（波高）を有する波を形成するように制御している。
図８（ａ）の場合に比較して、図８（ｂ）の場合のほうが、より正確に一定波高の波を形成することが出来る。すなわち、本発明の造波装置１により、非常に安定した波形を得ることが出来る。
なお、実験水槽１４内での反射がある場合でも、実施可能である。
【００６６】
図９は、実験水槽１４内の、造波板２３から５ｍ離れた場所で計測された波高の時間変化を示すグラフである。縦軸は波高、横軸は時間である。図９（ａ）は、実験水槽１４内での反射を考慮しない場合であり、図９（ｂ）は、本発明に関する造波の制御を用いた場合である。ここでは、時間１０ｓｅｃ．から造波を開始し、時間８０ｓｅｃ．前後までは本発明に関する造波の制御を用いて一定の振幅（波高）を有する波を形成するように安定した造波を行っている。そして、時間８０ｓｅｃ．前後で、波高をゼロにする指令を出力し、波高をゼロにする制御を行っている。
図９（ａ）の場合に比較して、図９（ｂ）の場合のほうが、より短時間に波高をゼロにすることが出来る。すなわち、本発明の造波装置１により、非常に短時間の間に、波高を概ねゼロの状態にすることが可能となる。
なお、実験水槽１４内での反射がある場合でも、実施可能である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の造波装置を用いることで、造波装置を設置した水槽内に、所望の特性を有する波を正確に造り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である造波装置の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の造波装置の実施の形態における制御に関わる構成を示す図である。
【図３】（ａ）本発明の造波装置の実施の形態における波高の制御に関わるブロック図である。
（ｂ）補正係数ｃ３の時間変化を示すグラフである。
【図４】（ａ）（ｂ）ＰＩＤ制御部の例を示すブロック図である。
【図５】造波部を含む実験水槽断面を示している。図５（ａ）は、ピストン型の造波部、図５（ｂ）は、フラップ型の造波部、図５（ｃ）は、プランジャ型の造波部
【図６】本発明の造波装置の実施の形態における波高の制御に関わる他のブロック図である。
【図７】ω／Ａ、Ａと周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図８】造波板から５ｍ離れた場所で計測された波高の時間変化を示すグラフである。
【図９】造波板から５ｍ離れた場所で計測された波高の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　造波装置
２　　乗算部
３　　乗算部
４　　加算部
５　　加算部
６　　ＰＩＤ制御部
７　　加算部
８　　リミッタ部
９　　フィードバック制御部
１０　　フィードフォワード制御部
１１　　制御部
１２　　モーションコントローラ
１３（１３−１〜１３−６）　　造波ドライブユニット
１４　　実験水槽
１６　　サーボアンプ
１７　　過熱検知センサ
１８−１〜１８−２　　ストロークセンサ
１９　　ボールネジ
２０　　サーボモータ
２１　　位置センサ
２２　　フローティング波高計
２３　　造波板
３１　　比例部
３２、３５　　微分部
３３　　積分部
３４　　加算部

Claims

造り出す波の条件である造波条件信号に基づいて造波演算を行ない、前記波の高さとしての波高を示す複数の波高指令を出力する制御部と、
モーションコントローラと、
水槽内に設けられた複数の造波ドライブユニットと、
を具備し、
前記モーションコントローラは、前記複数の波高指令の各々に基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行い、前記複数の波高指令の各々に対応する複数の造波指令を出力し、
前記複数の造波ドライブユニットの各々は、前記波高を検出する波高計を備え、前記複数の造波指令のうちの対応するものに基づいて動作し、前記水槽内の水に前記波を造り、前記波高計で検出される波高検出値を前記モーションコントローラへ出力し、
前記モーションコントローラは、前記複数の波高指令の各々と、前記複数の造波ドライブユニットの各々のうちの対応するものから出力された前記波高検出値とに基づいて、前記複数の造波指令を出力する、
造波装置。
前記モーションコントローラは、
前記波高指令に基づいて、前記造波指令を補正する造波補正指令を出力するフィードフォワード制御部と、
前記波高指令と前記波高検出値と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力するフィードバック制御部と、
を具備する、
請求項１に記載の造波装置。
前記フィードバック制御部は、
前記波高指令と前記波高検出値とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令を出力するＰＩＤ制御部と、
前記仮造波指令と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力する加算部と、
を具備する、
請求項２に記載の造波装置。
前記複数の造波ドライブユニットの各々は、前記水槽内を移動し、前記水槽内の前記水に前記波を形成する造波板を更に備え、
前記波高検出値は、前記造波板の変位に基づいて補正される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の造波装置。
前記複数の造波ドライブユニットの各々は、前記造波板を駆動するモータを更に備え、
前記造波指令は、前記モータの動作を制御する信号である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の造波装置。
前記造波板は、ピストン型、フラップ型及びプランジャ型のいずれか１つである、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の造波装置。
（ａ）水槽内で造波板を移動させて造り出す波の条件としての造波条件信号に基づいて、造波演算を行い、前記波の高さとしての波高を示す波高指令を出力するステップと、
（ｂ）前記波高指令と、前記水槽内で検出された波高としての波高検出値とに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行い、造波指令を出力するステップと、
（ｃ）前記造波指令に基づいて前記造波板を駆動し、前記水槽内の水に前記波を造るステップと、
（ｄ）前記造られた波の波高を検出し、前記波高検出値として出力するステップと、
を具備する、
造波方法。
前記（ｂ）ステップは、
（ｅ）前記波高指令に基づいて、前記造波指令を補正する造波補正指令を出力するステップと、
（ｆ）前記波高指令と前記波高検出値と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力するステップと、
を具備する、
請求項７に記載の造波方法。
前記（ｆ）ステップは、
（ｇ）前記波高指令と前記波高検出値とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令を出力するステップと、
（ｈ）前記仮造波指令と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力するステップと、
を具備する、
請求項８に記載の造波方法。
（ｉ）水槽内で造波板を移動させて造り出す波の条件としての造波条件信号に基づいて、造波演算を行い、前記波の高さとしての波高を示す波高指令を算出するステップと、
（ｊ）前記水槽内で検出された波高としての波高検出値を受信するステップと、
（ｋ）前記波高指令と前記波高検出値とに基づいて、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行い、前記造波板を駆動する造波指令を算出するステップと、
を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記（ｋ）ステップは、
（ｌ）前記波高指令に基づいて、前記造波指令を補正する造波補正指令を出力するステップと、
（ｍ）前記波高指令と前記波高検出値と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力するステップと、
を具備する請求項１０に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
前記（ｍ）ステップは、
（ｎ）前記波高指令と前記波高検出値とに基づいて、比例制御、積分制御及び微分制御の少なくとも一つを用いて、仮造波指令を出力するステップと、
（ｏ）前記仮造波指令と前記造波補正指令とに基づいて、前記造波指令を出力するステップと、
を具備する請求項１１に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。