1、第46卷第3期 2009年6月总第187期 港工技术 Port Engineering Technology Vo146 No3 Jun2009 Total 1 87 吸收式造波机控制系统的研究与设计 商雪，李树森，朱国良，张紫华 (天津科技大学机械工程学院，天津300222) 摘要：在借鉴国内外先进造波技术和经验的基础上，对造波机控制系统的组成进行分析研究，设计完成造波机控制硬件系 统；根据吸收式造波理论编写控制软件，并进行吸收式与非吸收式造波试验。试验结果表明，该控制系统能有效地解决模 型试验中的多次反射问题。 关键词：吸收式造波机；控制软件；波浪二次反射；波高传感器 中图分类号：U661
2、74 文献标志码：A 文章编号：10049592(2009)03000803 Study and Design of Absorbing Wave-maker Control System Shang Xue，Li Shusen，Zhu Guoliang，Zhang Zihua (College of Mechanical Engineering，Tianjin University of ScienceTechnology， Tianjin 300222，China) Abstract：Based on advance wavemaker technology and experience
3、inland and overseas，the composing of the wavemaker system is analysed and studied，the design of control hardware system of the devise have been completed；the control program depending on the absorbing wavemaker theory has been compiled；the comparison tests between the absorbing wave-maker and the no
4、nabsorbing wavemaker have been madeThe results of the tests indicate that this technique could eliminate the rereflection happened in simulated tests effectively Key words：absorbing wavemaker；control software；wave rereflection；sensor of wave height 在室内波浪物理模型试验中，由于水工建筑物 及地形对波浪的反射作用，反射至造波板前引起的 二次反射波在自
5、然界是不存在的，因此，如何消除二 次反射波是本控制系统设计的重点问题。目前丹 麦、荷兰、日本等国家都拥有吸收式造波机，而我国 许多研究机构拥有的造波机大部分未实现吸收式造 波。为了达到试验模拟结果精确、高效，本研究在消 除造波板的二次反射波时，采用实时吸收的吸收式 造波技术【 -3。在试验过程中，用波高传感器实时采集 造波板前的波高信号，将其反馈到计算机中分离反 射波信号，并将该信号以反相形式叠加到控制信号 中使推波板的运动附加1个可消除二次反射波的 位移运动，实现可吸收二次反射波的造波功能。 1控制系统41 收稿日期：20081028 基金项目：天津市高等学校科技发展基金项目(020501)
6、 作者简介：商雪(1984一)，女，硕：trz究生，主要从事机械设计理论研 究 控制系统由硬件和软件2部分组成，造波机控 制系统的基本工作过程，如图1所示。 图1控制系统基本工作过程示意 11硬件设计 交流伺服驱动器额定功率6 kW，带有集成 EMC滤波器。其与电机轴端的编码器构成闭环，内 部设有位置、速度和电流反馈。交流伺服电机为高动 态同步交流伺服电机，与其他交流伺服电机比较，不 仅具有低惯量的特性，还可以耐受高负荷；不但可以 保证良好的加速特性。而且可以减少电机能量损失 和散热。本造波机的伺服驱动器选择为位置控制方 式。同编码器采样电机的转速构成速度反馈(优先级 次于位置反馈)，使伺服电
7、机运动平稳。 第3期 商雪，等：吸收式造波机控制系统的研究与设计 9 伺服系统采用本地控制模式，通过集成显示终 端设置驱动器参数，运动由模拟信号(士1O V)决定。 由于采用全新磁极绕组的绕线技术，BSH伺服电机 结构紧凑。磁密度很高。转子的低惯量和气隙的最小 影响使其拥有高精度和高动态特性，Lexium 05控制 环的快速采样时间可加强其动态特性，以满足造波 机快速响应和驱动功率大的要求。 变压器、空开、滤波器、电抗器、接线端子、伺服 电机驱动器等安装在1个综合控制柜中。为交流伺 服电机提供驱动信号。电源控制系统采用隔离变压 器、滤波器和电抗器，既可有效地防护电网对造波机 控制系统的干扰，又
8、能防护伺服电机以及驱动器通 过电源线对电网中其它电气设备的干扰：同时。在控 制柜中采用屏蔽技术。防止变压器、电抗器等强电元 器件对伺服电机驱动器的电磁干扰，从而提高整个 造波系统工作的可靠性。 控制计算机采用联想IPC610H工控机。控制采 集卡为根据造波系统的功能自行开发。基于ISA PCI总线能够精确地控制所发出的脉冲频率(电机 速度)、脉冲个数(电机转角)及频率变化率(电机加 速度)，并具有速度和位置2种运动控制模式，因此， 能够满足全数字伺服电机的各种复杂控制要求。控 制采集卡的接入口包括：PC控制、波高传感器输出、 开关量与编码器反馈等信号：输出为伺服电机驱动 信号。控制采集卡功能示
9、意，如图2所示。 上 信号采集J i： I 光电隔离 确确定时，可提高造波机控制系统的控制精度，从而 实现吸收式造波的控制过程。控制软件主要包括以 下功能：造波机的启动、造波机推波板零点定位、造 波参数设置、规则波波高序列计算、板前水位实时采 集、规则波生成、造波板运动显示、实测波浪显示等。 控制软件的程序流程。如图3所示。 图3程序流程 2造波效果测试5-61 造波测试在交通部天津水运工程科学研究所波 浪厅水槽中进行。水槽长68 m，宽l Ill，高15 m，造 波板前水深0708 m。在试验段建筑物前布置2个 SG2000型波高仪，用于测试试验段的波高，运用二 点法进行人反射分离，求得入射
10、波幅和反射波幅，进 而得到反射系数。测试水槽及波高仪布置。如图4所 l 示。 信号采集I ，J、 图2控制采集卡功能配置示意 12软件设计 造波机性能，除与其伺服驱动系统的频率响应 特性和稳定性有关外。主要取决于系统控制软件的 设计。为提高本造波机系统的控制精度，加快运算速 度，方便用户使用，采用基于Windows平台的Visual C+60和Compaq Visual fortran 65编程软件进行 混合编程，编制出具有友好界面和良好计算功能的 应用程序，使用方便、灵活。 本造波机控制软件采用高精度时间函数实现精 340m 一 I ： 墙 亡=L_ I I 3f62 I l I I I I
11、 I l 消波 造波机 仪 什V 消渡 装置 装置 图4测试水槽布置示意 测试对于同一测试参数，分为吸收式和非吸收 式造波。以便对比两者造波的效果。规则波试验参数 和测试组次，见表1。 表1规则波试验参数及测试组次 10 港工技术 第46卷 根据表1的测试组次进行规则波试验，采用吸 收式造波和非吸收式造波时，61 波高仪采集的波高 ： 燃 一8 2 曩； 锱 一-l08 ： 星 恒0 燃_2 一-64 8 0 50 100 150 200 250 300 时间序列，见图5一图7(因篇幅有限，图中取测试组 次1、4、7前300 S采集的试验数据)。 一 时间s 时间s (a)吸收式造波 (b)非
12、吸收式造波 图5测试组次1实测波高时间序列值(水深d=O7 in) 一 时间s 时间s (a)吸收式造波 (b)非吸收式造波 图6测试组次4实测波高时间序列值(水深d=O7 m) 50 100 150 2OO 250 300 时间，s (a)吸收式造波 0 50 100 150 200 250 300 时间s (b)非吸收式造波 图7测试组次7实测波高时间序列值(水深d=O5 m) 从对比试验结果中可以直观地看出，当采用吸 收式造波时，波高比较稳定。因此，可以定性地得出 以下结论：在规则波吸收式造波试验中，吸收式造波 机可吸收掉二次反射波，从而提高波浪模拟试验的 精度。 对以上波面过程运用二点
13、法进行人反射分离 。 得到吸收式造波和非吸收式造波的入射波高，可对 比分析两者是否符合JTJrr 2342o0l波浪模型试 验规程规定的要求及程度。实际入射波参数与目标 值情况，见表2。 表2规则波试验实际入射波参数与目标值对比 从表2可看出，对于长时间连续造波，造波板存 在二次反射波时，采用非吸收式造波的实际入射波 参数和目标值的偏差较大；采用吸收式造波后，基本 可消除二次反射波，使得实际入射波参数和目标值 的偏差满足J rJ，r 234-2001波浪模型试验规程 的要求。 (下转第30页) 5 0 加 量恒燃 30 港工技术 第46卷 CA、Strouhal数s和管道粘性系数 都对悬空管临
14、界 长度有一定影响，但通过计算发现它们的影响很小， 而且在既定水域和管线一定的情况下变化亦很小， 因此，一般可不考虑其对悬空段临界长度的影响。 从式(18)分析还可以看出，悬空管道高阶失稳 时的临界跨度比低阶失稳的临界跨度值大，而且根 据简支梁的位移响应特性可知，其一阶情况占据统 治地位。因此，在对悬空管道横向涡激振动稳定性分 析中可只考虑低阶的情况。 4结论 在流体涡激作用下海洋悬空管道失稳是不连 续、非线性的力学过程。本研究借助突变理论，分析 悬空管道在涡激动力作用下的失稳机理。为进一步 揭示悬空管道在动荷载作用下的破坏机制打下基 础。通过分析得到如下结论： 1)对海洋悬空管道稳定性影响的
15、因素很多，既 有外部因素又有内部因素。在众多影响因素中，悬空 段的长度对管段的稳定性影响最为明显。 2)洋流速度对悬空管道的极限跨度影响比较 大在洋流速度较大海域的海洋管道应严格限制悬 空段的长度。当管道铺设受海底地形限制时，可考虑 在悬空段中部适当增加支撑。 3)管道内流速度、单位长度流体密度以及流体 压强等，对悬空段临界长度有一定的影响。 4)海洋管道材料的弹性模量，对悬空段的临界 长度影响比较明显，在进行管道设计时可考虑采取 弹性模量高的材料作为管体材料。 5)悬空管道高阶失稳的临界值较低阶失稳的临 界值大，在悬空段稳定性分析时可只考虑一阶情况。 6)洋流密度p、流体阻尼系数 、附加质量
16、系数 CA、Strouhal数s和管道粘性系数 ，对悬空管的临 界长度的影响可以忽略。 参考文献： 1 肖锡武，王海潮海洋管道的非线性自由振动J海洋工 程，1992，10(1)：2034 2戴英杰，宋甲宗悬跨段海洋管道非线性自由振动分析 J大连理工大学学报，1999，39(6)：756760 3倪樵，黄玉盈非线性约束粘弹性输液管的动力特性分 析J华中科技大学学报，2001，29(2)：8789 4唐友刚，项中权，李长升悬空管涡激振动强度分析J 天津大学学报，1996。29(2)：247252 5包日东，闻邦椿水下悬跨管道动力响应分析J振动与 冲击，2007，26(8)：140143 6余建星，
17、王广东，王磊基于非线性理论的海底管跨涡 激共振可靠性研究J哈尔滨工程大学学报，2003，24 (6)：609-613 7余建星，王磊，侯国华海底管跨涡激振动疲劳可靠性研 究J油气储运，20o4，23(7)：25-28 8 陈振坤，王茂廷，王莲海底管线管跨段模糊动力可靠性 分析J石油化工大学学报，2005，25(3)：6164 9 罗延生，余建星，方华灿海底管线管跨段涡激振动下模 糊可靠性评估J中国海洋平台，2001，16(4)：2631 10 Biolley FOn Wake Oscillator Models For 2一D Vortex- induced VibrationsJJourna
18、l of Fluids and Structures， 2002，7：97123 11杨绍普，申永军滞后非线性系统的分岔与奇异性M 北京：科学出版社，2003 12SaundeP T突变理论入门M凌复华，译上海：上海 科学技术和文献出版社，1983 13 王海期非线性振动M北京：高等教育出版社，1992 (上接第10页) 3结论 综上所述，造波机控制系统可通过造波板前波 高传感器所测量的水位值，对造波控制信号进行实 时校正，消除水槽中二次反射的干扰，同时最大程度 地符合要求的目标波浪。 通过对一系列采用吸收式和有反射造波方法的 试验结果对比表明：采用吸收式造波控制系统的造 波机产生的波形比较稳
19、定，使多次反射的干扰减弱 到很低程度。本研究规则波试验结果表明，T=08 16 s时，水槽中造波机生成波的吸收效果较好。 参考文献： 1王先涛吸收式造波机理论D大连：大连理工大学， 2o02 2 Kazunofi IHidehiro K，Masashi M，et a1Nonreflected Multi Directional Wave Maker Theory and Experiments of VerificationJCoastal Engineering，1996，37：443_456 f3 Ben T N，Ikuo Y，Masami MThe Organized Motion of Multidirectional Wave MakerJIEEE1996：470-475 4柳淑学，吴斌，李木国，等无反射不规则波造波机系统 的研究J水动力学研究与进展：A辑，2003，18(5)： 532539 5殷伟，卢学军，储标，等多个波高仪实现两点法分离合 成波浪J港工技术，2007(4)：46 6卢学军，殷伟，储标，等利用AM解析法实现不规则波的 人反射分离J港工技术，2007(6)：5-7 7王永学，彭静萍，孙鹤泉，等分离入射波与反射波的解 析方法J海洋工程，2003，21(1)：42_46
