[发明专利]一种无反射波浪水槽造波机

摘要

本发明属于海洋结构动力实验技术领域，一种无反射波浪水槽造波机，包括控制模块、传动模块、数据采集模块和吸收模块。控制模块通过人机界面负责系统的总体逻辑控制，传动模块接收控制模块的控制指令进行相应的控制动作，数据采集模块实时采集造波机推波板的板前波高，反馈给吸收模块，吸收模块将反馈波高与目标波高进行比较，经吸收算法修正后，转换为造波数据序列。该造波机系统可以灵活选择造波模式，正常造波或无反射造波，其次可以灵活配置造波机，单向造波或双向造波，提高造波灵活度。本发明有效提高了吸收造波效率，可广泛应于水动力物理模型试验中。

主权项

1.一种无反射波浪水槽造波机，包括工控机、PLC运动控制器，第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板，第一、二浪高传感器，第一、二A/D转换模块及第一、二吸收模块，其特征在于：所述PLC运动控制器分别与第一、二驱动器，第一、二伺服电机，第一、二推波板依次连接，所述PLC运动控制器还与工控机连接，用于接收第一、二驱动器传递来的控制数据，在有负载情况下，通过丝杠将第一、二伺服电机的旋转运动转换为第一、二推波板的直线运动，用来推动水体实现目标波形的造波；所述第一、二推波板上分别安装有第一、二浪高传感器，所述第一、二浪高传感器分别与第一、二A/D转换模块，第一、二吸收模块及第一、二驱动器依次连接，将第一、二推波板板前波高信号与目标波高信号进行比较，经吸收计算方法修正后，转换为实时造波数据序列；在正常的自然环境中，反射波会无限延伸下去，不断衰减直到消失，波浪水槽中，由于尺寸限制，反射波无法消散，在遇到推波板后会形成二次反射波，二次反射波与目标波形叠加后形成混合波，不是期望波形，因此，无反射造波机需增加一附加造波运动来消除二次反射波，假设产生期望目标波形的运动为x^I(t)，用于吸收二次反射波的附加造波运动为x^H(t)，推波板的实际位移运动为x(t)可表示为，/nx(t)＝x^I(t)+x^H(t) (1)/nx^I(t)＝-jX_Ie^jσt (2)/nx^H(t)＝-jX_He^jσt (3)/n式中，X_I为造波机产生目标波形运动的幅值，X_H为造波机附加造波运动的幅值，σ为波浪的圆频率，t为时间参数，假设推波板的板前波高为η₀(t)，目标波形的波高为η_I(t)，一次反射波的波高为η_H(t)，二次反射波的波高为η_HH(t)，附加造波运动形成的波高为η_K(t)，η₀(t)、η_I(t)、η_H(t)、η_HH(t)、η_K(t)均为时间t的连续函数，造波机推波板的板前波高η₀(t)可表示为：/nη₀(t)＝η_I(t)+η_H(t)+η_HH(t)+η_K(t) (4)/nη_I(t)＝jc₀(σ)x^I(t) (5)/nη_k(t)＝jc₀(σ)x^H(t) (6)/nη_H(t)＝-jc₀(σ)x^H(t) (7)/nη_HH(t)＝-jc₀(σ)x^H(t) (8)/n将式(5)、(6)、(7)、(8)代入式(4)中得到，/nη₀(t)＝jc₀(σ)x^I(t)-jc₀(σ)x^H(t) (9)/njc₀(σ)x(t)＝2jc₀(σ)x^I(t)-η₀(t) (10)/n /n /n式(12)中，c₀表示造波机的水动力传递系数，说明推波板运动满足(12)式即可实现主动吸收二次反射波；/n对(12)式的微分方程进行求解即可得到x(t)的最终时域解析表达式，在实际的造波机运动控制中，计算机及控制器需要的是关于x(t)的离散时间序列信号，故必须将连续信号x(t)转换为离散数字序列，由于造波机的运动控制间隔为毫秒级，采用(12)式的近似解来代替微分方程解，近似解如下：/n /nx[k+1]＝x[k]+Δx (14)/n式中，x[k]表示连续信号x(t)在t＝kΔt时刻的推波板水平位移值，Δt表示采样间隔，式(14)可以直接用于造波机无反射造波运动控制，使造波机主动吸收二次反射波的能力得到提高。/n