JPH04191631A - 反射波吸収型造波機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、波浪に対する構造物の特性等の検討に用い
られる木理実験用の造波機の制御装置に関するものであ
り、特に周期的に駆動される造波機を、その造波板前面
における再反射波の発生無しに所定の造波運動を行なう
ように制御するための反射波吸収型造波機制御装置に関
するものである。

［従来の技術］ 波浪に対する構造物の特性等の検討には、高反射性の堤
体を用いた木理実験が行なわれるが、この際、造波機の
造波板からの再反射波の影響が問題となるので、従来よ
り再反射波成分を吸収しつつ所定の造波を行なう造波機
制御システムが検討されている。

位置制御方式の造波機を用いて反射波の吸収制御を行な
うものとしては、例えば、小山裕文、岩倉重行、松本　
勝、遠藤泰司による「反射波吸収式造波システムの開発
と基本特性」　（第３５回海岸工学講演会論文集、　ｐ
ｐ、２５−２９．１９８８）に述べられたものがある。

このシステムは、通常の位置制御方式の造波装置にパー
ソナルコンピュータによる水位計測フィードバックシス
テムを付加して、様々な周期の反射波に対して常に最適
な吸収特性をもたせることを実現したものであり、基本
的にはビーゼル等による造波理論　（Ｂｉｅｓｅｌ、　
Ｆ、　ａｎｄ　Ｆ。

５ｕｑｕｅｔ：　Ｌｅｓ　ａｐｐａｒａｉｌｓ　ｇｅｎ
ｅｒａｔｅｕｓ　ｄｅ　ｈｏｕｌｅ　ｅｎｌａｂｏｒａ
ｔｏｉｒｅ、　Ｌａ　Ｈｏｕｉｌｌｅ　Ｂｌａｎｃｈｅ
、　Ｖｏｌ、６．　Ｎｏｓ。

２．４　ｅｔ　５．１９５１　）およびミルグラムによ
る吸収理論（Ｍｉｌｇｒａｍ、Ｊ、Ｈ，：Ａｃｔｉｖｅ
　ｗａｔｅｒ−ｗａｖｅ　ａｂｓｏｒｂｅｒｓ。

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈ、、　Ｖ
ｏｌ、４３．　Ｐａｒｔ　４．　ｐｐ。

８４５−８５９．１９７０１の重ね合わせにより造波板
前面の計測水位情報によって造波板位置を制御しようと
するギルバートによる手法（Ｇｉｌｂｅｒｔ、Ｇ：　Ａ
ｂｓｏｒｂ−ｉｎｇ　Ｗａｖｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ
、　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｒｅ５ｅｒｃｈ　５ｔａ−ｔ
ｉｏｎ　Ｎｏｔｅ　２０．　ｐｐ、３−４．１９７８）
と同様であるが、それを具体的に実際の制御に適用する
ために、さらに所定の造波と反射波吸収とを同時に行な
うための造波板の制御位置を定式化したものである。

即ち造波理論では、造波（目標）水位η１、速度ポテン
シャルΦ１、造波板変位ｅ１はそれぞれ以下の通りとな
る。

７１１　＝ａｔ　　番ｃｏｓ（ａｔ−ｋｘｌ　　　　　
　　＝ｌｌｌｅ　＋　＝　ａ　＋／Ａ−ｓｊｎＯｔ　　
　　　　　　　−ｆ３まただし、η１は造波（目標）水
位、ａｌは水位振幅、０は角周波数（＝２π／Ｔ、Ｔは
周期）、ｔは時刻、ｋ、ｋｏは波数、Ｘは進行方向座標
、Φ１は造波速度ポテンシャル、ｇは重力加速度、ｈは
水深、Ｚは水面からの位置、Ａは造波特性関数、Ｃ，、
は慣性項係数、ｅ＋は造波のための造波板変位である。

ここで、例えばピストン型造波機では前記特性関数Ａと
慣性項係数００とは次式の関係となる。

ただし、ｋｎ＝　−ａ　２／ｇ　４ａｎｋｎｈである。

一方、吸収理論では、 ｎ＊　＝ａ＊−ｃｏｓ（ｏｔ＋ｋｘ＋ｃ）　　　　・（
６）ｅＲ＝−ａ、ｌ／Ａ　　−５ｉｎ（ｏｔ＋ｃｌ　　
　　　　−（８まただし、η８は吸収対象水位（反射波
水位）、εは位相差、Φ８は吸収速度ポテンシャル、ｅ
Ｒは反射波吸収のための造波板変位である。

反射波成分を吸収しつつ所定の造波を行なうための造波
板の変位ｅは、前記造波のための変位制御式（３）と前
記吸収のための変位制御式（６）とを重ね合わせ、式中
の正弦波水位を一般的な水位ηに拡張することにより次
式のように求められる。

ｅ＝８＋＋ｅ＋＋ ＝　１７Ａ・（ａ、５ｉｎｏ　ｔ−ａ＋＋５ｊｎ（Ｇ　
ｔ＋Ｆ＋ｌ）＝　１／Ａ・ａ　・（−ａｌｃＯ８Ｏｔ／
ｄｔ＋　ａ、１ｃｏｓ（Ｏｔ＋ε］／ｄｔ、１＝１／Ａ
−ａ・（η８−η＋ｌ／ｄｔ　　　　　　　・・・（９
）この（９）式によれば、目標水位η１に対して現在造
波板前面に作用している反射波成分水位η８がわかれば
、時々刻々の制御すべき造波板の位置が計算できること
になる。この反射波成分に対する造波板の運動は、造波
のための運動とは逆の動きをするように制御してやれば
よい。

反射波成分η、は、造波板前面の波高計の計測水位η□
から造波板前面の水域に特有の慣性項水位成分η。を除
去し、更に造波目標水位η１との差をとって次式のよう
に求められ、このような反射波成分検出法は既に木理実
験によってその妥当性が確認されている。

ηＲ＝ηｍ−η。−η１　　　　　　　・・・（１０）
ただし、 このシステムでは、通常の位置制御式造波装置の造波信
号発生装置とピストン型造波機との間にＡ／ＤおよびＤ
／Ａ変換機能をもつパーソナルコンピュータを配置し、
サンプリングインターバルｄｔ毎に波高計から造波板前
面水位を取り込んで（９１（１０１（１１１式による演
算により次のインターバルで制御すべき造波板変位ｅを
計算し、これによって造波板位置指令信号を得て駆動制
御を行なう。

もちろんこの場合、波高計特有のゼロ点ドリフトや造波
板前面の水しぶきのハネ等による突発的水位データの発
生に対して造波機が暴走しないように種々の安全ループ
が組み込まれることは述べるまでもない。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のシステムは、造波板前面の水位計測値によって反
射波を算出しているため造波機の摩擦力等の評価誤差に
よる影響は考慮する必要がなく、またパーソナルコンピ
ュータによりフィードバック制御を行なうため、木理実
験時の水深や対象周期に応じた最適な吸収ゲインが簡単
に設定でき、さらには−前約な位置制御造波方式を採用
しているため使用中の造波機をそのまま利用できる等の
実用面での種々の利点を有している。

しかしながら、前述のシステムで位置制御方式の造波機
の反射波吸収制御を行なう場合、特に対象となる造波機
が比較的旧式のものでは、造波機駆動系に応答遅れが存
在するため、満足な反射波吸収特性が得られなかったり
、予期せぬ微小二次波が発生して実験精度に悪影響を及
ぼす恐れがあった。

従って、この発明の課題は、造波装置駆動系の応答遅れ
に起因する吸収特性の精度の低下を回避して常に最良の
反射波吸収制御を行なうことができる反射波吸収型造波
機制御装置を提供することであり、またこれを従来の吸
収制御装置に付加機能として簡単に組み込むことのでき
る装置構成で実現することである。

［課題を達成するための手段］ この発明の反射波吸収型造波機制御装置は、周期的に駆
動される造波機の造波板前面における水位フィードバッ
ク情報に基づいて、造波板により反射波成分を打ち消し
且つ所定の造波を行なうための目標水位に対する造波板
位置指令信号を前記造波機の駆動制御系に与えるものに
おいて、予め定められたサンプリング周期で造波板前面
における計測水位と目標水位とに基づいて前記水位フィ
ードバック情報中の反射波成分を時々刻々演算する手段
と、 サンプリングのたびに過去の反射波成分と現サンプリン
グ時点の反射波成分とから反射波水面勾配を演算する手
段と、 サンプリング時点毎に現在の反射波成分と反射波水面勾
配との合成演算を行なってフィードバック系内の応答遅
れ時間に相当する将来の予測反射波水位を求める手段と
、 前記サンプリング周期に応じた制御周期で前記予測反射
波水位を吸収した目標水位を与えるための造波板位置指
令信号を演算・出力する手段、とを備えることによって
前述の課題を達成したものである。

［作　用］ 位置制御方式の造波機を用いて堤体からの反射波を吸収
するための制御を行なう場合、吸収特性の精度の面で最
も問題になるのは、この種のフィードバック制御系の要
となる造波板駆動系の応答性である。フィードバック制
御の場合、制御指令に対して実際に造波板が動作するま
での応答時間は短い程良いのは述べるまでもない。前述
のようにパーソナルコンピュータを利用して既存の位置
制御方式の造波機の反射波吸収造波制御を行なう場合、
この応答時間Ｔ８は以下のようになる。

Ｔｍ　＝Ｔ、＋Ｔ２　＋７３ ここで、Ｔ１はパーソナルコンピュータ内でのフィード
バック信号計算インターバル時間（サンプリング周期）
、Ｔ２はパーソナルコンピュータからの位置指令信号を
アナログ信号として駆動制御系に伝えるローパスフィル
タによる位相遅れ時間、Ｔ、は造波機の位置制御フィー
ドバックによる遅れ時間である。反射波吸収制御系をパ
ーソナルコンピュータによらずに通常の電気回路で組む
場合は前記Ｔ、、Ｔ、は発生しないが、この発明では従
来の制御装置をソフトウェアのバージョンアップでそっ
くり利用できるようにするために反射波吸収制御系をパ
ーソナルコンピュータを利用して組むことを前提として
いるので、応答時間ＴｓとしてＴ３のみならずＴ１およ
びＴ２をも考慮しなければならない。

そこでこの発明の反射波吸収型造波機制御装置では、前
述従来システムにおける制御プログラムでの（］０）式
による反射波成分？７Ｒのフィードバック信号の演算に
代えて、計測水位から反射波成分を時系列的に逐次演算
しつつ、過去、例えば直前のサンプリング時点の反射波
成分水位と現サンプリング時点の反射波成分水位とから
例えば微分処理によって反射波水面勾配を逐次求め、こ
れら演算結果に基づく合成演算からフィードバック系内
の応答遅れ時間ＴＢに相当する近い将来の反射波の水位
を逐次予測演算し、この予測反射波水位を吸収した目標
水位を与えるための造波板位置指令信号をサンプリング
周期に応じた制御周期で造波板駆動制御系に出力する。

このような予測反射波成分水位に対する吸収制御信号を
造波板駆動系に与えることにより、造波機のフィードバ
ック駆動制御系の全ての応答遅れ時間ＴＩＩに見合った
将来の吸収制御信号を早目に供給することができ、実際
の造波板の運動に対して最適時点に最適な位置指令を与
えることができるようになる。

この発明の実施例を図面と共に説明すれば以下の通りで
ある。

第１図はこの発明の一実施例に係る反射波吸収型造波機
制御装置をピストン型造波機に組み合わせて構成した造
波装置の主要構成を示す説明図である。

造波機１は、造波水路２の一端に上下往復動可能に配置
された楔形の造波板３を有し、造波板３を駆動装置４に
より往復動させることにより、その周期に応じた波を造
波水路２中に発生させる。

駆動装置４は例えば電気−油圧制御弁と油圧シリンダ装
置による位置制御方式で造波板３の往復運動を制御し、
そのための制御信号は制御盤５からを与えられる。制御
盤５へはＡ／ＤおよびＤ／Ａ変換器を含むインターフェ
ースポード６とハイカットフィルタを含む端子台７とを
介してパーソナルコンピュータ８から造波板位置指令信
号が与えられ、またこのパーソナルコンピュータ８には
、造波板３の前面に設けられた水位検出センサ９からの
水位計測信号が前記インターフェースポード６を介して
取り込まれるようになっている。

パーソナルコンピュータ８は、そのキーボードから与え
られる設定値（係数）とセンサ９からの計測水位データ
とによって必要な全ての演算を行うが、演算のためのプ
ログラムはフ　ロッピーディスクベースのソフトウェア
１０によって与えられる。

第２ａおよび２ｂ図は前記ソフトウェア１０によって所
定の設定サンプリング周期毎にパーソナルコンピュータ
８で実行される演算ステップの流れ図であり、第２ａ図
は主要フロー、第２ｂ図は主要フロー中の特にこの発明
の要部に関する演算フローを示している。

第２ａ図の主要フローにおいて、プログラムを起動して
キーボードから造波水深りと波生成周期Ｔを係数として
入力するとステップ１０１にて前記式（４１（５１に従
って造波特性関数Ａと慣性項係数Ｃｎとが演算される。

次いでステップ１０２ではこれら演算結果とキーボード
から与えられた目標水位ηＩおよびセンサ９からの造波
板前面水位η□とから反射波成分の水位η８が演算され
るが、前述従来のシステムではこのηにの演算を式（１
０）に基づいて行っていたのを、この発明では第２ｂ図
に示すような拡張演算ステップに従って造波機駆動制御
系の応答遅れ時間Ｔ８に対応した時間だけ将来の時点の
反射波成分水位を予測演算する。

第２ｂ図はステップ１０２の詳細フローを示しており、
そのステップ２０１では、現サンプリング時点における
反射波成分水位ηｎを前述の（１０）式で求める。

ステップ２０２では、前サンプリング時点で求められた
反射波成分水位ηＲ−１と現サンプリング時点で求めた
反射波成分水位η８とからその時点での反射波水面勾配
ｄ　ｎ　Ｒ／　ｄ　ｔを求めるが、これは両者の差の微
分処理であり、次式のように表される。

ｄηＲ／ｄｔ＝　（η８−ηＲ−１　）　／ｄｔ　　　
　・・・（１２）ここで式（１０）と（１２）をそれぞ
れ定数Ｐ、Ｑの重み付けを行って合成すると以下のよう
にある将来の時点の仮想水位η、が得られる。

ηｐ＝Ｐｔ７＊＋Ｑ・ｄ７？Ｒ／ｄｔ、　　　　　　　
・・・（１３）式（１３）で（Ｐ２＋ｆＱａ　）２）”
”＝　１　（但しａは角周波数＝２１／Ｔである）とな
るような係数Ｐ、Ｑを選択すれば、式（１０）による反
射波成分水位η８よりも丁度ａｒｃｔａｎ　（ＱＯ／Ｐ
Ｉ　だけ位相の進んだ将来の予測反射波成分水位が計算
されることがη８・Ｈｓｉｎｏ　ｔとした線形理論から
明らかである。

従ってこれを用いて反射波吸収制御信号を計算すれば、
ａｒｃｔａｎ　（Ｑ（）　／Ｐｌだけ将来の反射波を吸
収すべき制御信号を早めに出力してやることができる。

第３図は、これを説明するための各信号波形の位相関係
を示す模式図であり、ｆａ）は反射波成分水位η３を、
ｆｂｌ　はその微分波形ｄ７？Ｒ／ｄｔを、（ｃ）は（
ａｌ　ｆｂ）の合成による予測反射波成分水位η２を、
（ｄ）は（ａ）の反射波成分水位η９による吸収信号波
形（従来のシステムの場合に相当）をそしてｆｅ）は、
ｔｃ＋の予測反射波成分水位η２による吸収信号波形（
本発明のシステムの場合に相当）をそれぞれ示している
。

ただし、上記の算定式（１３）及びＰ＋　Ｑ＋　Ｏの関
係は線形理論に基づくものであり、実際の有限振幅性の
ある波に対しては式（１３）による予測水位が過大評価
になる可能性がある。

そこで、第２ｂ図のステップ２０３では上記式（１３）
において（Ｐ２＋（ＱＧ　）２）””＝　１となるよう
な係数Ｐ、Ｑを選択すると共に、係数Ｒを乗じることに
より、次式 ％式％（１４） による演算を行う。この場合、係数Ｐ、Ｑの値は（Ｐ”
＋［Ｑａ　）２）＋／２＝　ｌとなる条件のもとで様々
に組み合わせて対象とする駆動制御系の応答遅れ時間Ｔ
ｓに見合った定数として設定し、また係数Ｒは様々な波
浪条件で吸収特性検定実験をあらかじめ行い、システム
に合った１、０以下の定数として最適値を決定して設定
すればよい。

ステップ２０４は、次ステツプのためにηＦ＋−１をη
６にインクリメントするステップであり、ステップ２０
５はそのη。をη２“で置き換えるステップである。

このようにして、第２ａ図のステップ１０２からは前記
予測反射波水位η２゛が時系列的に出力され、次のステ
ップ１０３で前述式（９）による造波板位置ｅの演算が
行われる。この場合、式（９）におけるη６の代わりに
前記予測反射波水位η１°が用いられ、これが目標水位
η１と比較されることになる。

かくして得られた造波板位置ｅは、パーソナルコンピュ
ータ８から造波板位置指令信号としてインターフェース
ポード６を介してフィルタ内蔵端子盤７に与えられ、そ
こでハイカットフィルタによって高域をカットされて滑
らかな信号波形で制御盤５に入力され、制御盤５は受は
取った指令信号に応じて造波板３の位置を制御する。

ステップ１０４はシーケンスの終了か継続かを判断する
ステップ、ステップ１０５はシーケンスが継続の場合に
設定されたサンプリング周期毎に微分時間ｄｔの経過を
カウントし、ｄｔ経過の場合はステップ１０２に戻って
前記演算ステップを繰り返すためのステップである。

以上は、この発明の一実施例であり、本発明は特許請求
の範囲に記載された動噴において種々の変形が可能であ
ることは述べるまでもない。

［発明の効果］ 以上に述べたように、この発明によれば、対象とする造
波装置駆動制御系の応答遅れ時間Ｔ３に見合った時間だ
け将来の予測反射波成分水位を制御信号に用いて造波板
の位置指令信号を生じるから、造波装置駆動制御系の応
答遅れに起因する反射波吸収特性の精度の低下を回避し
て常に最良の反射波吸収制御を行なうことができ、また
主要な演算機能をバージョンアップソフトウェアとして
従来のパーソナルコンピュータ利用の吸収制御装置に付
加的に簡単に組み込むことも可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る反射波吸収型造波機
制御装置をピストン型造波機に組み合わせて構成した造
波装置の主要構成を示す説明図、第２８および２ｂ図は
前記実施例におけるパーソナルコンピュータで実行され
る演算ステップの流れ図、第３図は反射波成分水位と吸
収制御信号の位相関係を示す模式波形図である。 （主要部分の符号の説明） １：造波機、２：造波水路、３：造波板、４：駆動装置
、５：制御盤、６：インターフェースボード、７：端子
台、８二パーソナルコンピユータ、９：水位検出センサ
、１ｏ：ソフトウェア（フロッピーディスク）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 周期的に駆動される造波機の造波板前面における水位フ
   ィードバック情報に基づいて、造波板により反射波成分
   を打ち消し且つ所定の造波を行なうための目標水位に対
   する造波板位置指令信号を前記造波機の駆動制御系に与
   える反射波吸収型造波機制御装置において、予め定めら
   れたサンプリング周期で造波板前面における計測水位と
   目標水位とに基づいて前記水位フィードバック情報中の
   反射波成分を時々刻々演算する手段と、 サンプリングのたびに過去の反射波成分と現サンプリン
   グ時点の反射波成分とから反射波水面勾配を演算する手
   段と、 サンプリング時点毎に現在の反射波成分と反射波水面勾
   配との合成演算を行なってフィードバック系内の応答遅
   れ時間に相当する将来の予測反射波水位を求める手段と
   、 前記サンプリング周期に応じた制御周期で前記予測反射
   波水位を吸収した目標水位を与えるための造波板位置指
   令信号を演算・出力する手段、とを備えたことを特徴と
   する反射波吸収型造波機制御装置。