搖板式造波機(jī)在船模試驗水池中的應(yīng)用

搖板式造波機(jī)在船模試驗水池中的應(yīng)用

模型試驗是研究海洋、港口工程和海洋工程結(jié)構(gòu)在波浪作用下的運動、強(qiáng)度和安全性的重要方法。為了進(jìn)行這項研究，我們必須在池塘中模擬海洋環(huán)境的條件。波浪模擬是最重要的因素。因此，該系統(tǒng)與船舶模擬游泳池相結(jié)合，可以在池中模擬波浪。1987年，哈立本應(yīng)用工程大學(xué)的船模型調(diào)整池實驗室從國外引進(jìn)了一種動態(tài)波機(jī)三維造波機(jī)。當(dāng)時，它的技術(shù)性能在國際上相對先進(jìn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和港工的科學(xué)研究的深入，與主機(jī)相關(guān)的波機(jī)控制系統(tǒng)不能滿足試驗要求。結(jié)合不斷發(fā)展的波浪和造波理論的新成果，使用高改進(jìn)的微型計算機(jī)對造波系統(tǒng)控制程序進(jìn)行了多項開發(fā)，增加了新的功能，并在windows系統(tǒng)下執(zhí)行了所有波形機(jī)控制操作。該控制程序已成功應(yīng)用于海軍工程項目的試驗。1系統(tǒng)運行狀況從國外引進(jìn)的這臺搖板式三維造波系統(tǒng)安裝在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池的一端.水池主尺度為108m×7m×3.5m,在造波機(jī)的后測設(shè)有直立式消波網(wǎng),在水池的另一端設(shè)有消浪斜坡,以消減波浪的反射.該造波系統(tǒng)硬件設(shè)備包括液壓動力包、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及造波板等造波系統(tǒng)部分、控制器及信號發(fā)生器部分、計算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集部分.液壓動力包系統(tǒng)配有37kW的液壓泵,還有各種控制閥、液壓管道、蓄能器、冷卻泵等以及外罩隔音設(shè)備.液壓泵可自動調(diào)節(jié)瞬時液流量,壓力峰荷則由蓄能器來調(diào)節(jié).冷卻泵從水池內(nèi)取冷卻用水.整個系統(tǒng)由熱繼電器保護(hù)開關(guān)自動控制啟停,當(dāng)油溫達(dá)到預(yù)先給定的溫度時,水泵開啟,溫度若繼續(xù)升高到70℃,電源切斷,整個系統(tǒng)停止運行.8個伺服油缸通過高壓油管與液壓動力包相連.油缸活塞直徑為60mm/40mm,最大沖程1200mm(±600mm),控制油缸的伺服閥和造波板的位移傳感器(反饋傳感器)同造波控制器相連,形成一個反饋回路.當(dāng)液壓泵開啟時,由計算機(jī)或信號發(fā)生器生成的控制信號經(jīng)伺服放大器提供給液壓伺服閥,再由伺服閥控制油缸推動造波板運動,由位移傳感器將造波板運動反饋送回伺服放大器.造波機(jī)的造波板由8塊搖擺式造波板組成,可分別運動,亦可同步運動,每塊造波板底部通過鉸鏈安裝在距池底1.64m高的臺階上,上端通過鉸鏈直接與油缸活塞相連.造波控制系統(tǒng)由位于造波控制室的一臺主控計算機(jī)和位于池端的一臺從控計算機(jī)以及三維波浪控制器組成.主控計算機(jī)用于遠(yuǎn)端控制,主要作用是輸入造波數(shù)據(jù)并接收浪高儀采集的實際波形數(shù)據(jù),將此數(shù)據(jù)與造波要求相比較,計算出修正要求,然后通過網(wǎng)絡(luò)將造波數(shù)據(jù)和修正要求傳送給與之相連的從控計算機(jī),從控計算機(jī)是執(zhí)行計算機(jī),它接收主控計算機(jī)的造波數(shù)據(jù)和修正要求,將此要求轉(zhuǎn)換成波形數(shù)據(jù),并通過RS232接口傳送給三維波浪控制器.波浪控制器用來接收造波機(jī)的控制信號,該控制器具有RS232和BNC兩個信號輸入口,RS232接口與從控計算機(jī)相連,用于輸入數(shù)字信號;BNC接口同正弦波信號發(fā)生器相連,用于輸入正弦波信號發(fā)生器發(fā)出的模擬電壓信號或外部信號源的模擬電壓信號.如果輸入控制器的是計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號,在控制器內(nèi)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后,可控制每塊造波板分別運動,即可生成三維波浪和斜浪.如果輸入的是模擬信號,該控制器將控制8塊造波板同步運動,產(chǎn)生二維規(guī)則波(正弦波)或不規(guī)則波.信號發(fā)生器用于在不使用計算機(jī)的情況下,手動產(chǎn)生正弦波控制信號.可通過旋鈕手動設(shè)置正弦波的波高、周期等參數(shù).波浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電容式浪高儀、加減運算放大器、16路濾波器等組成.可同時進(jìn)行16路數(shù)據(jù)采集,采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入主控計算機(jī)進(jìn)行分析與處理.造波系統(tǒng)示意圖如圖1所示.2池塘中的波原理2.1造波機(jī)的造波自適應(yīng)移動電壓隨機(jī)控制模型水池波浪的模擬就是通過對造波機(jī)搖板運動的控制,實現(xiàn)水面上某點的隨機(jī)波動,使該點的波面譜函數(shù)滿足一定的要求,或使該點的水面波動過程與某一要求波面相似.當(dāng)要進(jìn)行不規(guī)則波模擬時,首先給計算機(jī)輸入頻域波能譜信號作為目標(biāo)譜,可以是國際船池會議規(guī)定的波能譜,或某個海域?qū)崪y譜,然后由計算機(jī)換算出一個時域隨機(jī)序列,由此序列控制造波機(jī)生成不規(guī)則波.假設(shè)輸入計算機(jī)的造波指令信號時序V(t)的波能譜為SV(ω),輸出時序H(t)的波能譜為SH(ω),那么,他們之間存在下列關(guān)系:SV(ω)=SH(ω)/|G(jω)|2.(1)SV(ω)=SΗ(ω)/|G(jω)|2.(1)式中:SV(ω)為輸入電壓譜,SH(ω)為預(yù)定目標(biāo)譜,G(jω)為造波機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù).G(jω)為整個造波系統(tǒng)的傳遞函數(shù),它包括3部分,輸入的電壓信號與搖板沖程之間的傳遞函數(shù)G1(jω)=A1exp(jφ1),搖板沖程與搖板處(x=0)生成波波高之間的傳遞函數(shù),G2(jω)=A2exp(jφ2),搖板處生成波波高與距搖板x=L處生成波波高之間的傳遞函數(shù)G3(jω)=A3exp(jφ3),由于該搖板式造波機(jī)是既能調(diào)頻又能調(diào)幅的線性系統(tǒng),滿足線性疊加原理,因此G(jω)=G1(jω)?G2(jω)?G3(jω)=A1?A2?A3exp[j(φ1+φ2+φ3)].(2)G(jω)=G1(jω)?G2(jω)?G3(jω)=A1?A2?A3exp[j(φ1+φ2+φ3)].(2)根據(jù)流體力學(xué)理論可知:A3=1,φ3=-KL,K=2π/λ,λ為波長,則上式變?yōu)镚(jω)=A1?A2exp[j(φ1+φ2?KL)].(3)G(jω)=A1?A2exp[j(φ1+φ2-ΚL)].(3)其基本原理為,首先給定一輸出波能譜或稱目標(biāo)譜SH(ω),并假定造波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(jω),則可求得輸入電壓譜SV(ω).由海浪原理可知,定點海浪的波高分布是一平穩(wěn)隨機(jī)過程,而造波系統(tǒng)為線性系統(tǒng),所以,造波機(jī)輸入電壓信號也應(yīng)該是平穩(wěn)隨機(jī)過程,并滿足丹尼斯一皮爾遜能量積分公式:V(t)=∫∞0cos[ωt+ε(ω)]SV(ω)dω???????√.(4)V(t)=∫0∞cos[ωt+ε(ω)]SV(ω)dω.(4)將式(1)代入式(4),采用數(shù)值積分法可求出輸入電壓信號的序列值.在進(jìn)行數(shù)值積分時,(4)式中的ω可等分任意間隔,等分越多,重復(fù)周期越長,一般不得少于50等分.相位ε(ω)是0～2π之間的隨機(jī)數(shù),對于不同的ω,ε(ω)相對獨立,該值可由計算機(jī)程序產(chǎn)生.將求出的電壓信號時間序列送至造波控制器,控制電液伺服系統(tǒng)在距造波板X=L處模擬出給定的不規(guī)則波.2.2波譜的修正在水池中生成的非規(guī)則波由浪高儀將連續(xù)的波高變化轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電壓信號,再由主計算機(jī)控制A/D卡采集此時域信號,經(jīng)譜分析后計算出實測的波浪譜,將此實測譜與給定的目標(biāo)譜SH(ω)進(jìn)行比較.因為造波機(jī)是一慣性系統(tǒng),不規(guī)則電壓信號又是階躍變化的電壓信號,所造出的波不可能一次試驗就能模擬到預(yù)定的目標(biāo)譜,必須進(jìn)行迭代修正.修正方法有修正傳遞函數(shù)法和修正輸入波譜法兩種.1傳遞函數(shù)n的算法即由實測譜算出新的傳遞函數(shù)G(jω)|G(jω)|2=S?H(ω)/SV(ω).(5)|G(jω)|2=SΗ*(ω)/SV(ω).(5)用新算出的傳遞函數(shù)代替原來的傳遞函數(shù)計算信號譜及信號電壓時序列,重復(fù)進(jìn)行以上的步驟,直到獲得滿意的結(jié)果為止.2目標(biāo)譜的修正修正公式為式中:S′H(ω)為修正后的目標(biāo)譜,SH(ω)為預(yù)定目標(biāo)譜,S*H(ω)為實測譜,α為修正系數(shù),α可取(0.5～0.618).這一簡單的修正公式是收斂的,經(jīng)過幾次修正后,就可以得到譜值形狀、平均周期和有義波高一致的譜.3在windows中，波控制程序的主要參數(shù)為根據(jù)水池波浪模擬的原理,利用VB語言對造波系統(tǒng)控制程序進(jìn)行了設(shè)計.軟件編制過程中有關(guān)參數(shù)按下述方法確定.3.1信號時距的確定在進(jìn)行數(shù)值積分時,信號的時距即信號的離散間隔應(yīng)滿足奈奎斯特抽樣定理:Δt≤1/2fm.Δt≤1/2fm.式中:Δt為離散間隔,fm為波浪信號頻率上限,fm=2.5Hz.因為主控計算機(jī)的運算速度較高,存儲容量也較大,為了提高信號的離散精度,將信號時距取為Δt=5ms.3.2基于參數(shù)調(diào)值的表面活性劑的動態(tài)調(diào)值在對連續(xù)變化的電壓時間信號進(jìn)行離散時,需要對離散周期進(jìn)行精確定時.由于VB中的Timer定時器精度最高只能達(dá)到55ms,不能滿足要求,而基于Windows9X平臺的實時控制系統(tǒng)中,多媒體時鐘是一種很理想的高精度定時器,它可以實現(xiàn)1ms的高精度定時,因此,本軟件將多媒體時鐘作為造波信號輸入的定時器,該定時器的功能及調(diào)用方法如下:1)利用函數(shù)timeGetDevCaps()確定定時器服務(wù)所能提供的最大和最小事件周期.2)用timeBeginPeriod()函數(shù)建立想要使用的最小計時間隔,由于間隔越小,定時器消耗的系統(tǒng)資源就越多,對造波控制的實時性就越差,因綜合考慮之下,在本造波機(jī)軟件中將最小計時間隔定為5ms.3)使用timeSetEvent()函數(shù)函數(shù)初始化和啟動定時器事件,首先給出定時器事件發(fā)生的周期5ms,然后利用該函數(shù)實現(xiàn)對(4)式的周期性函數(shù)調(diào)用.該函數(shù)的參數(shù)說明如下:uDelay:延遲時間;uResolution:時間精度,在Windows中缺省值為1ms;lpFunction:回調(diào)函數(shù),可定時調(diào)用;dwUser:用戶參數(shù);uFlags:標(biāo)志參數(shù);TIME_ONESHOT:執(zhí)行uDelay定義的計時間隔一次;TIME_PERIODIC:周期性執(zhí)行timeBeginPeriod()所定義的計時間隔4)回調(diào)函數(shù)lpFunction是一個中斷服務(wù)程序,它必須駐留在動態(tài)鏈接庫DLL中.在造波控制程序編程時,通過調(diào)用timeSetEvent()函數(shù),將需要周期性執(zhí)行的程序代碼定義在lpFunction回調(diào)函數(shù)中,從而完成每次所需處理的事件.5)使用timeKillEvent(UINTuTimeID),取消給定的定時器事件以釋放系統(tǒng)資源.在定時器使用完畢后,應(yīng)及時調(diào)用timeKillEvent()將之釋放.然后調(diào)用函數(shù)timeEndPeriod()來取消應(yīng)用程序建立的最小定時器精度.Windows系統(tǒng)下造波控制程序運行窗口如圖2所示.4非規(guī)則波波高、周期模擬誤差用上述造波軟件對造波機(jī)進(jìn)行控制,在水池中分別進(jìn)行了規(guī)則波(正弦波)和二維非規(guī)則波模擬試驗,試驗中規(guī)則波波高為0.11m,周期為1.72s,二維非規(guī)則波所采用的目標(biāo)譜為ISSC譜,有義波高H1/3為0.133m,特征周期T1為1.49s,試驗時在距造波板30m處安裝浪高儀對波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3～圖5所示.從圖中可以看出,實測規(guī)則波波高模擬誤差小于5%,周期模擬誤差小于2%.圖5為采樣頻率20Hz,采樣點數(shù)為2048的非規(guī)則波目標(biāo)譜與實測譜比較圖,由圖中可以看出,兩2曲線吻合較好.5試驗驗證的效果要求在對國外進(jìn)口造波機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與計算的基礎(chǔ)上,確定了該造波機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),開發(fā)了Windows操作系統(tǒng)下的造波控制軟件,使造波控制全部在Windows窗口下進(jìn)行,程序的