[发明专利]一种基于水槽的吸收式造波装置及其方法

权利要求书

1.一种基于水槽的吸收式造波装置的造波方法，其特征在于：所述的造波装置，包括运动控制部分及水槽部分，所述运动控制部分，包括造波机控制台及造波机控制柜，所述造波机控制台设置有采集浪高仪、A/D转换接口及控制器，所述采集浪高仪输出端与A/D转换接口输入端相连、所述A/D转换接口输出端与控制器输入端相连，所述造波机控制柜设置有第1、2、3驱动器，第1、2、3伺服电机，第1、2、3冷却风扇及第1、2、3温度传感器，所述控制器输出端分别与第1驱动器输入端、第2驱动器输入端及第3驱动器输入端相连，所述第1驱动器输出端分别与第1伺服电机输入端、第1冷却风扇控制端及第1温度传感器输入端相连，所述第2驱动器输出端分别与第2伺服电机输入端、第2冷却风扇控制端及第2温度传感器输入端相连，所述第3驱动器输出端分别与第3伺服电机输入端、第3冷却风扇控制端及第3温度传感器输入端相连；所述水槽部分设置有第1、2、3机械滑台，第1、2、3正限位传感器，第1、2、3造波板，第1、2、3负限位传感器及第1、2、3板前浪高仪；所述第1伺服电机输出端通过第1连轴丝杠与第1机械滑台输入端相连，第1机械滑台第1输出端与第1负限位传感器输入端相连，第1机械滑台第2输出端与第1造波板输入端相连，第1机械滑台第3输出端与第1正限位传感器输入端相连；所述第1造波板输出端与第1板前浪高仪输入端相连，所述第1板前浪高仪输出端、第1正限位传感器输出端及第1负限位传感器输出端相连后与第1驱动器输入端相连；所述第2伺服电机输出端通过第2连轴丝杠与第2机械滑台输入端相连，第2机械滑台第1输出端与第2负限位传感器输入端相连，第2机械滑台第2输出端与第2造波板输入端相连，第2机械滑台第3输出端与第2正限位传感器输入端相连；所述第2造波板输出端与第2板前浪高仪输入端相连，所述第2板前浪高仪输出端、第2正限位传感器输出端及第2负限位传感器输出端相连后与第2驱动器输入端相连；所述第3伺服电机输出端通过第3连轴丝杠与第3机械滑台输入端相连，第3机械滑台第1输出端与第3负限位传感器输入端相连，第3机械滑台第2输出端与第3造波板输入端相连，第3机械滑台第3输出端与第3正限位传感器输入端相连；所述第3造波板输出端与第3板前浪高仪输入端相连，所述第3板前浪高仪输出端、第3正限位传感器输出端及第3负限位传感器输出端相连后与第3驱动器输入端相连；

其中，所述的造波方法，包括以下步骤：

步骤1、系统初始化，包括运动控制系统初始化及造波软件初始化，运动控制系统初始化，包括控制器上电、控制器软件自动运行、第1、2、3驱动器上电、第1、2、3驱动器读取固件信息自动配置、控制器软件与第1、2、3驱动器建立连接、读取第1、2、3温度传感器信号、读取第1、2、3正限位传感器信号、读取第1、2、3负限位传感器信号、等待造波连接；造波软件初始化，包括控制器软件状态监测、与控制器软件建立连接、第1、2、3伺服电机状态检测、第1、2、3驱动器状态检测、标定文件读取；初始化无异常则进入就绪状态，否则软件会提示出现异常以及异常类型，如果是网络异常则自动清除故障并重连，其他类型异常需要根据异常类型进行相应操作；

步骤2、凑谱，根据实验需求选择波浪类型并输入相应参数，软件在实验人员所选路径下根据相应造波算法依次生成波面文件、吸收参数文件、第1、2、3伺服电机轴运动文件及造波参数头文件；

步骤3、造波文件选择，造波软件将实验人员所选造波文件发送到磁盘固定位置，为了减小凑谱时间，凑谱文件波列数据时间间隔大，难以满足控制精度要求，因此控制器对波列数据进行插值处理；控制器从固定位置读取造波文件并插值，通过公式(1)进行描述，

S_i(x)＝y_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³ i＝0,1,…,n-1 (1)

式中，S_i(x)表示给定的第1、2、3伺服电机轴位置值的插值，b_i表示三次样条插值的一次项，c_i表示三次样条插值的二次项，d_i表示三次样条插值的三次项，x_i表示第1、2、3伺服电机轴位置值对应的时间值，y_i表示x_i对应的函数值，并通过式(2)进行求解，h表示造波数据的控制间隔，通过步骤2中的造波参数头文件获得；插值采用乒乓数组读取文件，并采用环形数据结构，可以进行无限长数据的分批次插值；插值文件被放置在固定路径下；

步骤4、使能，在对第1、2、3伺服电机进行运动控制前，必须对第1、2、3伺服电机进行使能，否则会提示“伺服电机未使能无法进行运动控制”，通过操作界面随时查询第1、2、3伺服电机使能状态；使能之后对第1、2、3伺服电机进行匀速移动以检测运动控制系统是否正常；控制器软件监测到使能信号，立即进行使能操作，并恢复使能信号；使能结束后，向控制器反馈结果，进入就绪状态，如果使能异常，会提示异常类型；

步骤5、寻零，在第一次造波前必须寻零，否则无法进行造波操作，造波软件向控制器发送寻零指令，控制器接收到寻零指令，立即转移状态为寻零状态，锁定造波软件窗口并提示造波软件正在寻零，需要等待寻零结束后才能进行下一步操作；控制器每隔4ms读取第1、2、3伺服电机多圈绝对值编码器的值，与第1、2、3机械滑台零位位置进行做差计算，反复10次，计算平均值；之后以速度V₀快速寻零；之后设置当前点为零点；控制器每隔4ms读取第1、2、3伺服电机多圈绝对值编码器的值，与第1、2、3机械滑台零位位置进行做差计算，反复10次，计算平均值，之后以速度0.1V₀慢速寻零，运动结束后，设置当前位置为零点；造波软件检测到寻零完成，解锁窗口，允许实验人员继续操作；

步骤6、造波，控制器接收实验人员发送的造波指令，首先读取凑谱文件中的造波参数头文件，获取波浪类型及波浪周期参数；根据造波参数头文件中的波浪周期进行动态缓启，缓启时间为波浪周期的3倍，缓启方式为S型缓启；缓启结束后，采用外部位置发生器方式进行造波，采用乒乓数组读取造波文件中数据，进行无限长时间的造波；吸收式造波时，读取造波控制软件发送的第1、2、3板前浪高仪标定数据，并读取第1、2、3造波板前波浪涌高作为前馈输入获取新的第1、2、3伺服电机轴的位置值，进行吸收式造波；

步骤7、异常检测，控制器刷新周期为4ms，每次刷新周期内，读取第1、2、3伺服电机的编码器值判断是否触发软件限位、读取第1、2、3正限位传感器、第1、2、3负限位传感器判断是否触发硬件限位、读取第1、2、3驱动器状态判断第1、2、3伺服电机是否发生异常、读取第1、2、3温度传感器信号值判断是否温度过高；如果某台伺服电机轴触发异常，该台伺服电机轴立即停止，其余伺服电机轴正常停止；如果某台伺服电机轴温度高于第一阈值，则提示实验人员、打开第1、2、3冷却风扇并触发异常指示灯，如果温度高于第二阈值，则提示实验人员并立即停止所有伺服电机轴，直到所有伺服电机温度低于第一阈值才关闭第1、2、3冷却风扇；

步骤8、数据实时采集分析处理，在造波过程中，造波软件负责采集波浪数据，实验人员根据实验需要，随时点击“开始采集”按钮，停止采集有两种方式选择，一种点击“停止采集”按钮，另一种是根据设定的采样时间或采样点数，采集完成后，自动停止采集，并保存数据，进行数据处理，显示统计分析和频谱分析结果；

步骤9、停止造波，停止造波方式有两种，一种是人工点击“停止造波”按钮，另一种是根据设定数据采集完成后，自动停止造波，不管哪种方式，当下位机收到停止造波指令后，都会进入渐停软件，平稳地停到第1、2、3机械滑台零位位置；

步骤10、波谱修正，根据采集数据处理结果，用理论数据和实测数据进行比较，用理论频谱图和实测频谱图进行比较，确定是否进行波谱修正，如果选择波谱修正，则软件自动根据实测数据对控制数据进行波谱修正，修正后的数据存储至文件，按实验要求反复执行步骤6-9，直至结果满足要求。