造波機

在實驗水池中實現海上環境的模擬是隨着海洋開發應用而興起的一門實驗研究技術，除風、流的模擬之外，波浪的模擬是極為重要的。波浪對船舶、水利、海工建築、海上石油開採等許多領域的研究都具有重要的意義。

隨着波浪理論、計算機、自動化等技術的發展，通過造波機系統重現海洋波浪的隨機運動已成為海洋工程試驗的重要手段，因此造波機也在世界範圍內成為海洋工程實驗室的基本設備。造波機主要是通過利用可控設備儘可能的模擬真實海況，為各種海洋科學實驗提供可靠的海況物理模型，從而幫助海洋工程研宄和設計人員對不同的海洋工程結構物，如防波堤、碼頭、港口、艦船、航道等設計提供依據，以保證項目工程的經濟性、安全性和可靠性。造波機的發展經歷了從規則波、不規則波到三維波的過程，最初是通過直流伺服電機驅動曲柄連桿機構造波，之後隨着造波功率要求的增加，電液伺服機構廣泛應用於造波機系統。但由於液壓系統傳動效率低、易受温度影響及難以實現高頻率的換向等缺點，己經逐步被近年發展迅速的交流伺服電機驅動系統所取代。相比液壓驅動系統，交流伺服系統動態性能好、維護成本低且不存在漏油的問題，己成為造波機驅動部分發展的主要方向 ^[1]  。

模擬實際的海浪是造波機的一項主要任務。海浪是一種三維的隨機過程，其週期、波高均隨機變化。從模擬技術的角度，我們通常使用規則波、二維不規則波、二維方向波(斜波)、三維不規則波來(三維方向波)來對海浪進行描述。

國內從50年代開始造波水池方面的研究工作，最初是從規則波(正弦波或餘弦波稱為規則波)開始研究。50年代初，中國第一台規則波造波機研製成功。70年代，我國造波系統逐漸採用模擬信號裝置來控制。70年代末大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室利用引進的“CROMEMC”微機作為控制機，研製了國內第一台不規則波造波機—調頻式造波機，因其機械慣性較大，僅能模擬一些簡單的波譜。80年代初期，在對從美國引進的大型水槽不規則波造波機及多向不規則波造波機等設備消化吸收的基礎上，國內幾家科研單位研製了低慣量電機驅動的不規則波造波機和電液壓伺服不規則波造波機。90年代以後，造波機逐漸開始採用計算機控制。

建於1956年的荷蘭瓦格寧根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，該水池長100米，寬24. 5米，深2.5米，採用搖板式蛇形造波機，搖板高1.4米，寬0.6米搖動鉸鏈位於水下1.15米，共有158塊搖板。美國泰勒水池建於1958年，水池為矩形，主尺度為110X73X6米。造波機採用空氣式造波機，造波範圍波長為0.92~12.2米，波高為0.01~0.06米，可對長峯不規則波及短峯波進行模擬。英國哈斯拉水池，建於1957年，安裝有衝箱式造波機，可造長峯波規則波和不規則波。美國斯帝文森水池，裝有衝箱式造波機，可造長峯規則波和不規和不規則波。美國斯帝文森水池，裝有衝箱式造波機，可造長峯規則波和不規則波。日本三鷹露天水池，裝有搖板式造波機，可造波長為0.7米，最大波高0.4米。

20世紀80年代以後，國際上建造的造波機都向具有生成規則波、二維不規則波和三維不規則波的造波能力方向發展 ^[2]  。

造波機作為波浪模擬的設備，其控制性能直接影響着海洋工程試驗的效果，在波浪理論較為成熟和機械結構設計合理的情況下，運動控制的性能成為整個造波機系統性能好壞的決定性因素。由於造波機系統比較複雜，設備數量多，控制室與執行機構距離遠且現場環境惡劣，通常採用層級網絡作為設備互聯和數據傳輸的載體。造波機系統由上位機、下位機、運動控制器、功率驅動設備、伺服電機、機械執行機構、傳感器及各級網絡所組成，如右圖1所示。其中由現場網絡互連組合的下位機、運動控制器、功率驅動設備、伺服電機和機械執行機構作為造波機系統的網絡化運動控制單元，肩負着將具體的造波命令轉換為造波板運動並作用於水體最終形成實際波浪形態的控制任務，是整個造波機系統控制精度的核心所在，該部分性能直接決定整個系統的造波精度，因此其設計對造波機系統研發十分重要。

在造波機系統中，上位機作為系統的主控機承擔着人機交互、數據處理、圖形顯示、控制命令生成及運行狀況監控的任務，該部分主要完成系統波浪理論的運算，根據目標波浪的紀譜計算得到造波板位移的時間序列，即運動控制系統的輸入命令；下位機由網絡接收上位機的控制命令，通過運動控制器來控制和驅動執行機構完成造波目的，同時進行波浪數據採集並將工作狀態上傳至上位機，其中的運動控制器可以是基於PC的運動控制卡、獨立的PLC運動控制器或嵌入式計算運動控制器；伺服電機由運動控制器發出的命令通過功率驅動完成精確的位置或速度伺服控制；執行機構包括伺服電機、絲槓、導軌和造波板，進行具體的造波運動；傳感器包括浪高傳感儀組、A/D轉換器、光電編碼器等，用來獲取現場的各種信息以完成系統控制與監測；系統的網絡包括上層控制管理網絡和現場設備互聯網絡，通常分別採用通用以太網和現場總線，隨着網絡技術的發展，採用工業以太網取代現場網絡成為未來發展的趨勢 ^[1]  。

實際的造波應用需求要求造波機系統具有較高的造波精度，良好的重複性、穩定性及抗擾動能力，具體到運動控制中存在以下的應用特性：

（1）為了實現較高精度的造波目的，要求伺服控制系統具有良好的跟蹤能力。

（2）造波機系統的執行機構需完成頻繁快速的正反方向運動，這就對伺服電機控制系統的動態響應提出了較高要求。

（3）造波機系統需處於較長時間連續工作的狀態，伺服系統長時間的工作引起的温升等因素會造成控制系統模型參數的攝動，使得精確控制的任務變得更加困難，因此在設計中需要加以補償。

（4）機械執行機構在運動過程中與水體的相互作用使系統易受負載擾動變化的影響，增加了系統控制的複雜性。

（5）對於水池中的造波，需要多軸間高度協同作用才能完成複雜的造波任務，因此對多軸間的同步控制性能具有較為苛刻的要求。

（6）由於運動控制單元需要與下位機進行實時網絡數據通信，網絡引入的不確定性增加了系統的控制難度 ^[1]  。