專利名稱：非線性控制的高精度造波系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于海洋工程及水動力試驗測試領(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)。
背景技術(shù)：
在海洋工程及水動力試驗測試領(lǐng)域，造波機是進(jìn)行物理模型試驗的一種必備裝置。造波機通常設(shè)置在試驗水槽或水池的一端，通過造波板的往復(fù)運動來制造波浪。由于實驗研究的復(fù)雜性和多樣性，往往要求造波機能夠準(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)點是簡易直觀，容易實現(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，本實用新型的目的是提供一種采用非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，以提高水槽或水池波浪模擬的準(zhǔn)確度和精度，滿足不同試驗測試的要求。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下一種非線性控制的高精度造波系統(tǒng)，其包括順序連接的計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及造波板，該計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，并通過機械傳動系統(tǒng)驅(qū)動造波板作非線性運動。該計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)由信號處理單元、計算機控制單元、電機驅(qū)動單元和交流伺服電機組成；計算機控制單元由信號處理單元調(diào)取非線性控制信號，計算機控制單元發(fā)出控制命令至電機驅(qū)動單元，電機驅(qū)動單元驅(qū)動交流伺服電機，交流伺服電機將動能傳遞到機械傳動系統(tǒng)。進(jìn)一步地，所述計算機控制單元根據(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。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)波的一個周期先按控制精度要求分成若干個控制分量，再對應(yīng)改變各個分量的運行時間，即改變每個控制變量內(nèi)脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)波的頻率；或改變在各個控制分量內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)，從而改變目標(biāo)波的波高?？刂品至繑?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)先計算完畢并生成控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫、在造波時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時演算波浪控制信號，為造波時根據(jù)所需波浪要素由信號處理單元實時模擬計算并直接傳輸?shù)娇刂茊卧男盘?。[0011]該機械傳動系統(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桿，傳動桿再連接轉(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。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果(1)本實用新型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)本實用新型可根據(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作為計算機控制單元，在保證高精度和高響應(yīng)速度的前提下，增強了系統(tǒng)操作靈活性和穩(wěn)定性，降低了維護(hù)和保養(yǎng)成本。本實用新型機械部分采用滾珠絲杠螺母副驅(qū)動，并且采用更穩(wěn)定的傳動結(jié)構(gòu)，提高了控制精度和穩(wěn)定性，保證整個系統(tǒng)在長時間工作下的可靠性。

圖1為本實用新型架構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型機械傳動系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型機械傳動結(jié)構(gòu)運動關(guān)系示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進(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算機控制驅(qū)動系統(tǒng)A、機械傳動系統(tǒng)B和造波板12。見圖1，計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)A由信號處理單元13、計算機控制單元1、電機驅(qū)動單元2和交流伺服電機3組成；計算機控制單元1由信號處理單元13調(diào)取非線性控制信號， 計算機控制單元1發(fā)出控制命令至電機驅(qū)動單元2，電機驅(qū)動單元2驅(qū)動交流伺服電機3， 交流伺服電機3將動能傳遞到機械傳動系統(tǒng)B。進(jìn)一步的，所述計算機控制單元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。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)波的一個周期先按控制精度要求分成若干個控制分量，再對應(yīng)改變各個分量的運行時間，即改變每個控制變量內(nèi)脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)波的頻率；或改變在各個控制分量內(nèi)輸出的脈沖個數(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，尤其是涉及到如此復(fù)雜的系統(tǒng)的試驗，往往都存在誤差。系統(tǒng)所生成的實際波，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@個誤差。控制精度高，能夠使到誤差相對較小，生成的實際波和目標(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)實狀況的最終目的，同時也減少試驗的不確定性和成本。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)先計算完畢并生成控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫、在造波時能夠直接從中讀取并傳輸?shù)娇刂茊卧男盘?。進(jìn)一步地，所述實時演算波浪控制信號，為造波時根據(jù)所需波浪要素由信號處理單元實時模擬計算并直接傳輸?shù)娇刂茊卧男盘?。本實用新型中的波浪控制信號有兩種，一種是造波機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)，操作人員需要實時控制造波機改變波形，則要采用實時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，造波時只需要讀取就行了。實時模擬波浪控制信號，是一邊造波一邊計算生成的。適合較為簡單的波浪(例如小振幅波等)，同時靈活性高，可以即時調(diào)整參數(shù)使到波浪改變。見圖1，機械傳動系統(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、傳動桿9、轉(zhuǎn)換臂10及水平臂11組成。下面說明本技術(shù)應(yīng)用的工作原理。本實用新型啟動以后，計算機控制單元1首先調(diào)整造波板12回復(fù)到初始位置。計算機控制單元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演算波浪控制信號。然后計算機控制單元1將控制信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸入電機驅(qū)動單元2，通過電機驅(qū)動單元2驅(qū)動交流伺服電機3。交流伺服電機3通過聯(lián)軸器4帶動滾珠絲杠螺母副7進(jìn)行來回旋轉(zhuǎn)，從而使滑塊與基座8實現(xiàn)往復(fù)移動?；瑝K與基座8通過傳動桿9實現(xiàn)動能傳遞，傳動桿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，通過往復(fù)擺動造成符合精度要求的波浪。圖3為本實用新型機械傳動結(jié)構(gòu)運動關(guān)系示意圖。如圖所示，滑塊、連桿和造波板間的運動關(guān)系是非線性的，示意圖所展示的機械傳動的數(shù)學(xué)關(guān)系如下 V-(1)
GOS(—
灼)COS鴿
、·’u CiV^- -Ι /Λ τν β其中爐、科、爐s、烏、線均為伊的函數(shù)。由幾何關(guān)系，可推出 BD = DA2 + BA -2-DA RA -cos^ (2)
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算機控制驅(qū)動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及造波板，該計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，并通過機械傳動系統(tǒng)驅(qū)動造波板作非線性運動。
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)，其特征在于該計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)由信號處理單元、計算機控制單元、電機驅(qū)動單元和交流伺服電機組成；計算機控制單元由信號處理單元調(diào)取非線性控制信號，計算機控制單元發(fā)出控制命令至電機驅(qū)動單元，電機驅(qū)動單元驅(qū)動交流伺服電機，交流伺服電機將動能傳遞到機械傳動系統(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)，其特征在于計算機控制單元為嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器或工控機。
4.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)，其特征在于該機械傳動系統(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桿，傳動桿再連接轉(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。
專利摘要本實用新型公開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算機控制驅(qū)動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及造波板，該計算機控制驅(qū)動系統(tǒng)用于產(chǎn)生非線性控制信號，并通過機械傳動系統(tǒng)驅(qū)動造波板作非線性運動。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。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作為計算機控制單元，在保證高精度和高響應(yīng)速度的前提下，增強了系統(tǒng)操作靈活性和穩(wěn)定性，降低了維護(hù)和保養(yǎng)成本。機械部分采用滾珠絲杠螺母副驅(qū)動，并且采用更穩(wěn)定的傳動結(jié)構(gòu)，提高了控制精度和穩(wěn)定性，保證整個系統(tǒng)在長時間工作下的可靠性。
文檔編號G05B15/02GK202133876SQ20112005780
公開日2012年2月1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)