造波机

一种与海浪试验水池配套的基础设施

造波是一项重要的试验技术，造波机作为一种重要的实验室装置，在船舶、港口、海岸工程、海洋工程等领域占有重要的位置。造波机是一种与海浪试验水池配套的基础设施，它的作用是在试验水池中造出不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对船舶或建筑等的影响，以测定各种技术数据，为相关设计提供依据。

基本介绍

在实验水池中实现海上环境的模拟是随着海洋开发应用而兴起的一门实验研究技术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。波浪对船舶、水利、海工建筑、海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。

随着波浪理论、计算机、自动化等技术的发展，通过造波机系统重现海洋波浪的随机运动已成为海洋工程试验的重要手段，因此造波机也在世界范围内成为海洋工程实验室的基本设备。造波机主要是通过利用可控设备尽可能的模拟真实海况，为各种海洋科学实验提供可靠的海况物理模型，从而帮助海洋工程研宄和设计人员对不同的海洋工程结构物，如防波堤、码头、港口、舰船、航道等设计提供依据，以保证项目工程的经济性、安全性和可靠性。造波机的发展经历了从规则波、不规则波到三维波的过程，最初是通过直流伺服电机驱动曲柄连杆机构造波，之后随着造波功率要求的增加，电液伺服机构广泛应用于造波机系统。但由于液压系统传动效率低、易受温度影响及难以实现高频率的换向等缺点，己经逐步被近年发展迅速的交流伺服电机驱动系统所取代。相比液压驱动系统，交流伺服系统动态性能好、维护成本低且不存在漏油的问题，己成为造波机驱动部分发展的主要方向。

发展历史

模拟实际的海浪是造波机的一项主要任务。海浪是一种三维的随机过程，其周期、波高均随机变化。从模拟技术的角度，我们通常使用规则波、二维不规则波、二维方向波(斜波)、三维不规则波来(三维方向波)来对海浪进行描述。

国内从50年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波(正弦波或余弦波称为规则波)开始研究。50年代初，中国第一台规则波造波机研制成功。70年代，我国造波系统逐渐采用模拟信号装置来控制。70年代末大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室利用引进的“CROMEMC”微机作为控制机，研制了国内第一台不规则波造波机—调频式造波机，因其机械惯性较大，仅能模拟一些简单的波谱。80年代初期，在对从美国引进的大型水槽不规则波造波机及多向不规则波造波机等设备消化吸收的基础上，国内几家科研单位研制了低惯量电机驱动的不规则波造波机和电液压伺服不规则波造波机。90年代以后，造波机逐渐开始采用计算机控制。

建于1956年的荷兰瓦格宁根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，该水池长100米，宽24. 5米，深2.5米，采用摇板式蛇形造波机，摇板高1.4米，宽0.6米摇动铰链位于水下1.15米，共有158块摇板。美国泰勒水池建于1958年，水池为矩形，主尺度为110X73X6米。造波机采用空气式造波机，造波范围波长为0.92~12.2米，波高为0.01~0.06米，可对长峰不规则波及短峰波进行模拟。英国哈斯拉水池，建于1957年，安装有冲箱式造波机，可造长峰波规则波和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和不规和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和不规则波。日本三鹰露天水池，装有摇板式造波机，可造波长为0.7米，最大波高0.4米。

20世纪80年代以后，国际上建造的造波机都向具有生成规则波、二维不规则波和三维不规则波的造波能力方向发展。

系统结构

造波机作为波浪模拟的设备，其控制性能直接影响着海洋工程试验的效果，在波浪理论较为成熟和机械结构设计合理的情况下，运动控制的性能成为整个造波机系统性能好坏的决定性因素。由于造波机系统比较复杂，设备数量多，控制室与执行机构距离远且现场环境恶劣，通常采用层级网络作为设备互联和数据传输的载体。造波机系统由上位机、下位机、运动控制器、功率驱动设备、伺服电机、机械执行机构、传感器及各级网络所组成，如右图1所示。其中由现场网络互连组合的下位机、运动控制器、功率驱动设备、伺服电机和机械执行机构作为造波机系统的网络化运动控制单元，肩负着将具体的造波命令转换为造波板运动并作用于水体最终形成实际波浪形态的控制任务，是整个造波机系统控制精度的核心所在，该部分性能直接决定整个系统的造波精度，因此其设计对造波机系统研发十分重要。

在造波机系统中，上位机作为系统的主控机承担着人机交互、数据处理、图形显示、控制命令生成及运行状况监控的任务，该部分主要完成系统波浪理论的运算，根据目标波浪的纪谱计算得到造波板位移的时间序列，即运动控制系统的输入命令；下位机由网络接收上位机的控制命令，通过运动控制器来控制和驱动执行机构完成造波目的，同时进行波浪数据采集并将工作状态上传至上位机，其中的运动控制器可以是基于PC的运动控制卡、独立的PLC运动控制器或嵌入式计算运动控制器；伺服电机由运动控制器发出的命令通过功率驱动完成精确的位置或速度伺服控制；执行机构包括伺服电机、丝杠、导轨和造波板，进行具体的造波运动；传感器包括浪高传感仪组、A/D转换器、光电编码器等，用来获取现场的各种信息以完成系统控制与监测；系统的网络包括上层控制管理网络和现场设备互联网络，通常分别采用通用以太网和现场总线，随着网络技术的发展，采用工业以太网取代现场网络成为未来发展的趋势。

应用特性

实际的造波应用需求要求造波机系统具有较高的造波精度，良好的重复性、稳定性及抗扰动能力，具体到运动控制中存在以下的应用特性：

（1）为了实现较高精度的造波目的，要求伺服控制系统具有良好的跟踪能力。

（2）造波机系统的执行机构需完成频繁快速的正反方向运动，这就对伺服电机控制系统的动态响应提出了较高要求。

（3）造波机系统需处于较长时间连续工作的状态，伺服系统长时间的工作引起的温升等因素会造成控制系统模型参数的摄动，使得精确控制的任务变得更加困难，因此在设计中需要加以补偿。

（4）机械执行机构在运动过程中与水体的相互作用使系统易受负载扰动变化的影响，增加了系统控制的复杂性。

（5）对于水池中的造波，需要多轴间高度协同作用才能完成复杂的造波任务，因此对多轴间的同步控制性能具有较为苛刻的要求。

（6）由于运动控制单元需要与下位机进行实时网络数据通信，网络引入的不确定性增加了系统的控制难度。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省