專利名稱：一種非線性控制的高精度造波系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋工程及水動(dòng)力試驗(yàn)測試領(lǐng)域，涉及一種用于水槽或水池的高精度的非線性控制的造波系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在海洋工程及水動(dòng)力試驗(yàn)測試領(lǐng)域，造波機(jī)是進(jìn)行物理模型試驗(yàn)的一種必備裝置。造波機(jī)通常設(shè)置在試驗(yàn)水槽或水池的一端，通過造波板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來制造波浪。由于實(shí)驗(yàn)研究的復(fù)雜性和多樣性，往往要求造波機(jī)能夠準(zhǔn)確生成滿足特定條件的波浪?，F(xiàn)有的造波技術(shù)多基于線性控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是簡易直觀，容易實(shí)現(xiàn)。然而在自然界，幾乎所有現(xiàn)象都是非線性的，線性理論僅僅是非線性理論的特例。實(shí)際的物理系統(tǒng)，由于其組成部分總是或多或少地帶有非線性特性，可以說都是非線性系統(tǒng)。從非線性到線性的簡化往往需要作出一定條件的假設(shè)，并且不可避免地將犧牲系統(tǒng)的部分精度和準(zhǔn)確性。因此，非線性控制是更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)，有助于我們更準(zhǔn)確地認(rèn)識自然規(guī)律，使自動(dòng)化水平有更大的飛越。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的技術(shù)缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種采用非線性控制的高精度造波系統(tǒng)及方法，以提高水槽或水池波浪模擬的準(zhǔn)確度和精度，滿足不同試驗(yàn)測試的要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種非線性控制的造波系統(tǒng)，其包括順序連接的計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及造波板，該計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，并通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)造波板作非線性運(yùn)動(dòng)。該計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由信號處理單元、計(jì)算機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和交流伺服電機(jī)組成；計(jì)算機(jī)控制單元由信號處理單元調(diào)取非線性控制信號，計(jì)算機(jī)控制單元發(fā)出控制命令至電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)將動(dòng)能傳遞到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)一步地，所述計(jì)算機(jī)控制單元根據(jù)不同的使用需求，可以選擇為嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器或工控機(jī)。具體地，該非線性控制信號為具有多種控制精度的波浪控制信號，目標(biāo)波的一個(gè)周期先按控制精度要求分成若干個(gè)控制分量，再對應(yīng)改變各個(gè)分量的運(yùn)行時(shí)間，即改變每個(gè)控制變量內(nèi)脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)波的頻率；或改變在各個(gè)控制分量內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，從而改變目標(biāo)波的波高。控制分量數(shù)可為10 5000。該非線性控制信號為預(yù)處理波浪控制信號，其由信號處理單元根據(jù)所需波浪要素預(yù)先計(jì)算完畢并生成控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫、在造波時(shí)能夠直接從中讀取并傳輸?shù)娇刂茊卧男盘?。該非線性控制信號為實(shí)時(shí)演算波浪控制信號，為造波時(shí)根據(jù)所需波浪要素由信號處理單元實(shí)時(shí)模擬計(jì)算并直接傳輸?shù)娇刂茊卧男盘枴?br> 該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括支架、聯(lián)軸器、軸承、防撞塊、滾珠絲杠螺母副、滑塊與基座、 傳動(dòng)桿、轉(zhuǎn)換臂及水平臂；滾珠絲杠螺母副通過軸承安裝在支架上，交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠螺母副連接，在滾珠絲杠螺母副上安裝有滑塊與基座，滑塊與基座通過安裝軸承連接傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿再連接轉(zhuǎn)換臂，轉(zhuǎn)換臂經(jīng)過支承軸和兩端的軸承連接，轉(zhuǎn)換臂再通過水平臂連接造波板。本發(fā)明還提供了一種非線性控制的造波系統(tǒng)的造波方法，其在非線性控制系統(tǒng)中建立了高精度分段離散控制信號與造波板運(yùn)動(dòng)的一一對應(yīng)的控制關(guān)系，利用分段離散控制信號驅(qū)動(dòng)非線性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制造波板按目標(biāo)波要求進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
(1)本發(fā)明采用非線性控制系統(tǒng)，能夠造出比線性控制系統(tǒng)更復(fù)雜、更多變的波浪，并且提高了造波的精度和準(zhǔn)確度。(2)本發(fā)明可根據(jù)不同的控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等應(yīng)用需求選擇嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器或工控機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制單元，在保證高精度和高響應(yīng)速度的前提下，增強(qiáng)了系統(tǒng)操作靈活性和穩(wěn)定性，降低了維護(hù)和保養(yǎng)成本。(3)本發(fā)明機(jī)械部分采用滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)，并且采用更穩(wěn)定的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了控制精度和穩(wěn)定性，保證整個(gè)系統(tǒng)在長時(shí)間工作下的可靠性。


圖1為本發(fā)明架構(gòu)示意圖2為本發(fā)明機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，一種采用非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其包括順序連接的計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)A、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)B和造波板12。見圖1，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)A由信號處理單元13、計(jì)算機(jī)控制單元1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2和交流伺服電機(jī)3組成；計(jì)算機(jī)控制單元1由信號處理單元13調(diào)取非線性控制信號， 計(jì)算機(jī)控制單元1發(fā)出控制命令至電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)3， 交流伺服電機(jī)3將動(dòng)能傳遞到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)B。進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)控制單元1根據(jù)不同的使用需求，可以選擇為嵌入式系統(tǒng)、 可編程控制器或工控機(jī)。進(jìn)一步地，該非線性控制信號為具有多種控制精度的波浪控制信號，目標(biāo)波的一個(gè)周期先按控制精度要求分成若干個(gè)控制分量，再對應(yīng)改變各個(gè)分量的運(yùn)行時(shí)間，即改變每個(gè)控制變量內(nèi)脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)波的頻率；或改變在各個(gè)控制分量內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，從而改變目標(biāo)波的波高。進(jìn)一步地，控制分量數(shù)可為10 5000。目標(biāo)波是指根據(jù)試驗(yàn)的需求所生成的波，通常由周期、波高等波浪要素作為技術(shù)指標(biāo)。
所有試驗(yàn)，尤其是涉及到如此復(fù)雜的系統(tǒng)的試驗(yàn)，往往都存在誤差。系統(tǒng)所生成的實(shí)際波，和理想中的目標(biāo)波必定存在誤差?？刂凭鹊淖饔镁褪强刂七@個(gè)誤差?？刂凭雀?，能夠使到誤差相對較小，生成的實(shí)際波和目標(biāo)波更加接近；反之，控制精度低，相對誤差就較大。無論從科學(xué)研究，還是工程應(yīng)用，都要求實(shí)際波和目標(biāo)波較為吻合，誤差較小。以達(dá)到準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)狀況的最終目的，同時(shí)也減少試驗(yàn)的不確定性和成本。進(jìn)一步地，所述波浪控制信號，可以為預(yù)處理波浪控制信號或?qū)崟r(shí)演算波浪控制信號。進(jìn)一步地，所述預(yù)處理波浪控制信號，其由信號處理單元根據(jù)所需波浪要素預(yù)先計(jì)算完畢并生成控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫、在造波時(shí)能夠直接從中讀取并傳輸?shù)娇刂茊卧男盘枴＿M(jìn)一步地，所述實(shí)時(shí)演算波浪控制信號，為造波時(shí)根據(jù)所需波浪要素由信號處理單元實(shí)時(shí)模擬計(jì)算并直接傳輸?shù)娇刂茊卧男盘?。本發(fā)明中的波浪控制信號有兩種，一種是造波機(jī)只需要按照操作人員設(shè)定好的波浪信號造波，工作過程中不再需要人的干預(yù)，可采用預(yù)處理波浪控制信號的方式，另一種則是在造波的過程中需要調(diào)整波浪參數(shù)，操作人員需要實(shí)時(shí)控制造波機(jī)改變波形，則要采用實(shí)時(shí)演算波浪控制信號的方式。預(yù)處理波浪控制信號，是在造波之前就生成的，造波時(shí)只需要讀取就行了。實(shí)時(shí)模擬波浪控制信號，是一邊造波一邊計(jì)算生成的。適合較為簡單的波浪(例如小振幅波等)，同時(shí)靈活性高，可以即時(shí)調(diào)整參數(shù)使到波浪改變。見圖1，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)B由聯(lián)軸器4、軸承5、防撞塊6、滾珠絲杠螺母副7、滑塊與基座8、傳動(dòng)桿9、轉(zhuǎn)換臂10及水平臂11組成。本發(fā)明還公開了一種非線性控制的造波系統(tǒng)的造波方法，其在非線性控制系統(tǒng)中建立了高精度分段離散控制信號與造波板運(yùn)動(dòng)的一一對應(yīng)的控制關(guān)系，利用分段離散控制信號驅(qū)動(dòng)非線性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制造波板按目標(biāo)波要求進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。下面說明本技術(shù)應(yīng)用的工作原理。本發(fā)明啟動(dòng)以后，計(jì)算機(jī)控制單元1首先調(diào)整造波板12回復(fù)到初始位置。計(jì)算機(jī)控制單元1從信號處理單元13中讀取控制信號。所述控制信號即波浪控制信號，可根據(jù)需求采用不同的精度控制，并且可以選擇為預(yù)處理波浪控制信號或?qū)崟r(shí)演算波浪控制信號。 然后計(jì)算機(jī)控制單元1將控制信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元2驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)3。交流伺服電機(jī)3通過聯(lián)軸器4帶動(dòng)滾珠絲杠螺母副7進(jìn)行來回旋轉(zhuǎn)，從而使滑塊與基座8實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)。滑塊與基座8通過傳動(dòng)桿9實(shí)現(xiàn)動(dòng)能傳遞，傳動(dòng)桿9再通過轉(zhuǎn)換臂10連接起來，轉(zhuǎn)換臂10中間通過支承軸和兩端的軸承進(jìn)行支承和連接， 轉(zhuǎn)換臂10再通過水平臂11連接造波板12擺動(dòng)，通過往復(fù)擺動(dòng)造成符合精度要求的波浪。圖3為本發(fā)明機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖。如圖所示，滑塊、連桿和造波板間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是非線性的，示意圖所展示的機(jī)械傳動(dòng)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下
權(quán)利要求
1.一種非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于包括順序連接的計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及造波板，該計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，并通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)造波板作非線性運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于該計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由信號處理單元、計(jì)算機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和交流伺服電機(jī)組成；計(jì)算機(jī)控制單元由信號處理單元調(diào)取非線性控制信號，計(jì)算機(jī)控制單元發(fā)出控制命令至電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)將動(dòng)能傳遞到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)控制單元為嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器或工控機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于該非線性控制信號為具有多種控制精度的波浪控制信號，目標(biāo)波的一個(gè)周期先按控制精度要求分成若干個(gè)控制分量，再對應(yīng)改變各個(gè)分量的運(yùn)行時(shí)間，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)波的頻率；或改變在各個(gè)控制分量內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，從而改變目標(biāo)波的波高。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于控制分量數(shù)可為 10 5000。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于該非線性控制信號為預(yù)處理波浪控制信號，其由信號處理單元根據(jù)所需波浪要素預(yù)先計(jì)算完畢并生成控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫、在造波時(shí)能夠直接從中讀取并傳輸?shù)娇刂茊卧男盘枴?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于該非線性控制信號為實(shí)時(shí)演算波浪控制信號，為造波時(shí)根據(jù)所需波浪要素由信號處理單元實(shí)時(shí)模擬計(jì)算并直接傳輸?shù)娇刂茊卧男盘枴?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其特征在于該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括支架、聯(lián)軸器、軸承、防撞塊、滾珠絲杠螺母副、滑塊與基座、傳動(dòng)桿、轉(zhuǎn)換臂及水平臂；滾珠絲杠螺母副通過軸承安裝在支架上，交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠螺母副連接，在滾珠絲杠螺母副上安裝有滑塊與基座，滑塊與基座通過安裝軸承連接傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿再連接轉(zhuǎn)換臂，轉(zhuǎn)換臂經(jīng)過支承軸和兩端的軸承連接，轉(zhuǎn)換臂再通過水平臂連接造波板。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述非線性控制的高精度造波系統(tǒng)的造波方法，其特征在于 在非線性控制系統(tǒng)中建立了高精度分段離散控制信號與造波板運(yùn)動(dòng)的一一對應(yīng)的控制關(guān)系，利用分段離散控制信號驅(qū)動(dòng)非線性機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制造波板按目標(biāo)波要求進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，包括順序連接的計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及造波板，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)造波板作非線性運(yùn)動(dòng)。采用非線性控制系統(tǒng)，能造出比線性控制系統(tǒng)更復(fù)雜、更多變的波浪，提高造波精度和準(zhǔn)確度。根據(jù)不同控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等應(yīng)用需求選擇嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器或工控機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制單元，在保證高精度和高響應(yīng)速度前提下，增強(qiáng)系統(tǒng)操作靈活性和穩(wěn)定性，降低維護(hù)和保養(yǎng)成本。機(jī)械部分采用滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)，采用更穩(wěn)定的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高控制精度和穩(wěn)定性，保證整個(gè)系統(tǒng)在長時(shí)間工作下的可靠性。本發(fā)明同時(shí)公開一種采用非線性控制的高精度造波方法。
文檔編號G01M10/00GK102183355SQ201110054120
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者余順佳, 周泉, 羅瑩瑩, 蘇煒, 詹杰民, 詹欣榮, 趙陶, 陳曦, 韓毅, 饒瑞生 申請人:中山大學(xué)