在水槽造波機控制系統(tǒng)中的應用研究

1、在水槽造波機控制系統(tǒng)中的應用研究 天津大學 碩士學位論文 姓名：張志顯 申請學位級別：碩士 專業(yè)：港口、海岸及近海工程 指導教師：白志剛 20061201 摘要 在實驗室的波浪水槽或水池中利用造波機進行物理模擬，亦即波浪模型試驗是研究海浪的重要途徑之一。目前，波浪的物理模型試驗廣泛應用于涉及波浪問題的海岸及海洋工程問題的研究中。在波浪物理模擬中，建立合理的造波控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對各種波浪的模擬，是實驗室波浪水槽或水池建設(shè)中的重點。 本文以天津大學海岸工程實驗室長寬高的雙軸推板式波浪水槽為對象，首創(chuàng)性地開發(fā)了基于的造波機控制系統(tǒng)，其中包括數(shù)據(jù)計算、運動控制、狀態(tài)監(jiān)視以及數(shù)據(jù)采集等實用程序，并且還率先

2、實現(xiàn)了在水槽造波機上的多軸同步控制。該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種規(guī)則波和不規(guī)則波的造波控制，具有良好直觀的人機界面，操作極為方便。本文對于虛擬儀器技術(shù)以及圖形化編程環(huán)境在造波機控制領(lǐng)域的應用具有開創(chuàng)意義。 本文通過大量試驗，率定出該水槽造波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，利用此傳遞函數(shù)進行了規(guī)則波和不規(guī)則波造波品質(zhì)分析，結(jié)果令人滿意。并對盲溝這種用于排水的建筑材料，用來作為消波材料的效果進行了試驗研究，分析了材料空隙率、材料厚度、擺放角度以及擺放位置對消波效果的影響，得出了一些有用的結(jié)論。關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)造波機運動控制消波 ， ， 也 ， ， ； ， ， ：， 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指

3、導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：張恕顯簽字日期：。如年月羅日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解叁鲞盤堂有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權(quán)苤盜太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。 （保密的學位論文在解密后適

4、用本授權(quán)說明） 學位論文作者簽名：認南顯 簽字日期：唧年月鄉(xiāng)日導師虢鋤名卅簽字吼叩年月勿日 第一章緒論 第一章緒論 本文的研究背景和意義 波浪是海洋中非常重要的自然現(xiàn)象，是港口、海岸與海洋工程建筑物以及船舶受到的主要載荷，也是引起海岸泥沙運動的主要動力之一【。研究波浪及其作用有三種途徑：一是現(xiàn)場觀測研究：二是在實驗室內(nèi)進行物理模擬研究；三是理論分析和數(shù)值模擬研究。由于海浪的復雜多交性，加上現(xiàn)場環(huán)境惡劣，進行現(xiàn)場觀測需要花費大量的人力物力；理論研究目前也有許多的局限性，特別對于不規(guī)則波浪，很多問題還有賴于室內(nèi)的模型試驗研究】。 模型試驗是研究港口、船舶、海岸及海洋工程結(jié)構(gòu)物在波浪作用下的運動、受

5、力和安全性等問題的重要方法，它可以提供最直接的實驗數(shù)據(jù)來源，使得海岸工程、海洋工程、船舶工程、水利工程等設(shè)計布局更加安全、經(jīng)濟、合理、實用。要進行這種試驗，就必須在水槽或水池中模擬海洋環(huán)境條件，其中海浪的模擬是最主要的因素。因此，能夠在水槽或水池中模擬實際海浪的造波系統(tǒng)是與試驗水槽或水池相配套的大型基礎(chǔ)設(shè)備。一個完整的造波系統(tǒng)不僅包括完備的硬件設(shè)施，還包括完善的控制系統(tǒng)軟件?？刂葡到y(tǒng)軟件是整個造波系統(tǒng)的靈魂，它不僅能直接決定造波類型品種、造波的效果、造波控制的便易程度，而且對整個造波系統(tǒng)的安全保障也有著極其重要的影響。造波控制軟件設(shè)計，不僅需要波浪理論、波浪模擬理論方面的知識，而且還涉及計算機

6、技術(shù)、軟件設(shè)計、自動控制、機電一體化等學科內(nèi)容。 隨著實驗室技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)不斷采用，各種線形規(guī)則波、非線性特殊波以及各種不規(guī)則造波已成為波浪水槽的基本功能。天津大學建工學院為了推進學科建設(shè)、增強實驗能力，提高科研條件，重建了港口、海岸工程實驗室，該實驗室創(chuàng)新性的推出了基于控制卡的雙電機雙造波板水槽造波系統(tǒng)。本課題的主要任務(wù)就是為該水槽設(shè)計一套完整的造波機控制軟件。本課題的完成，將直接促使該水槽實現(xiàn)造波控制，實現(xiàn)多種波浪的模擬，因而具有較高的使用價值和重要的現(xiàn)實意義。 國內(nèi)外的發(fā)展狀況國外很早就已經(jīng)開始了造波機及造波技術(shù)的研究工作。建于年， 第一章緒論 年正式投產(chǎn)的荷蘭瓦格寧根水池，是世

7、界上最早的一座耐波性水池，該水池長米，寬米，深米。采用搖板式蛇形造波機，搖板高米，寬米搖動鉸鏈位于水下米，共有塊搖板，搖板每分鐘擺次，產(chǎn)生的波長為米。美國泰勒水池建于年，水池為矩形，主尺度為米。采用空氣式造波機，其功率指數(shù)在最大負荷時為馬力，造波范圍波長為米，波高為加米，可對長峰不規(guī)則波和短峰波進行模擬。英國哈斯拉水池，建于年，年正式投產(chǎn)，安裝有沖箱式造波機，可造長峰規(guī)則波和不規(guī)則波。美國斯蒂文森水池，裝有沖箱式造波機，可造長峰規(guī)則波和不規(guī)則波。日本三鷹露天水池，裝有搖板式造波機，可造波長為米，最大波高米【。 我國從年代開始造波水池方面的研究工作，最初是從規(guī)則波（正弦波）開始研究。年代初，中國

8、第一臺規(guī)則波造波機研制成功。七十年代，我國造波系統(tǒng)逐漸采用模擬信號裝置來控制。到了八十年代，已采用小型電子計算機，通過系統(tǒng)軟件和應用軟件及造波軟件來控制，我國第一臺不規(guī)則造波機安裝在南京水利科學研究院水池。九十年代以后，已完全采用計算機進行造波控制。計算機控制運用到造波機系統(tǒng)，為造波技術(shù)開辟了新天地。運用計算機自動控制，不僅能方便地造出各種規(guī)則波，不規(guī)則波，而且可以實現(xiàn)對反射波的主動吸收，從而大大提高了波浪模擬的精度。 虛擬儀器技術(shù)簡介 如上所述，該水槽造波控制系統(tǒng)采用的是公司，即美國國家儀器公司（）生產(chǎn)的控制卡（），因而為應用同樣是由公司提出并開發(fā)出的虛擬儀器技術(shù)提供了極大方便。 虛擬儀器概

9、念 所謂虛擬儀器（，簡稱）就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具有虛擬面板、測試、控制功能由測控軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標點擊虛擬面板就可操作這臺計算機系統(tǒng)硬件平臺，就如同使用一臺專用電測量儀器以及控制儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，使測試儀器與個人計算機的界線模糊了。 虛擬儀器是利用計算機顯示器（）的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板。以多種形式表達輸出檢測結(jié)果利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù) 第一章緒論 據(jù)的運算、分析、處理、由接口設(shè)備完成設(shè)備的控制，信號的采集、測量與調(diào)理。從而完成各種測控功能的一種計算機儀器系統(tǒng)?！疤摂M二字主要包含兩方面的含義。 虛擬儀器的面板是虛

10、擬的。 虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。如由各種開關(guān)、按鍵、顯示器等實現(xiàn)儀器電源的通、“斷”、被測信號“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)設(shè)置；測量結(jié)果的“數(shù)值顯示、“波形顯示等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實物，而且是由“手動一、“觸摸”來進行操作的，而虛擬儀器面板控件是外形與實物相像的符合通用習慣的虛擬開關(guān)示波器等，對應著相應的軟件程序。這些軟件已經(jīng)設(shè)計好了用戶不必設(shè)計、只需選用代表該種軟件程序的圖形“控件一即可，由計算機的鼠標“鍵擊”，來對其進行操作。因此，設(shè)計虛擬面板的過程就是在“前面板”設(shè)計窗口中，從控制模板選取、擺放所需的圖形“控件。 虛擬

11、儀器測量、控制功能是由軟件編程來實現(xiàn)的。 在以計算機為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程設(shè)計來實現(xiàn)儀器的測控功能，而且可以通過不同測控功能的軟件模塊的組合，來實現(xiàn)多種測控功能。因此有在硬件平臺確定后“軟件就是儀器”的說法、它體現(xiàn)了測控技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合。 虛擬儀器的特點可歸納為： （）在通用硬件平臺確定后由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。 （）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的而不是事先由廠家定義好的。 （）儀器能的改進和功能擴展只需進行相關(guān)軟件的設(shè)計更新而不需購買新的儀器。 （）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。 （）虛擬儀器開放、靈活可與計算機同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊

12、設(shè)備互聯(lián)。 決定虛擬儀器具有上述傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點的根本原因在于：虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。 虛擬儀器的組成虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分吲： 第一章緒論 高效的軟件 軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計或調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創(chuàng)建自己的應用以及友好的人機交互界面。公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟件叫，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。此外，提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計與測試的交互式軟件、用于傳統(tǒng)語言的、針對微軟的等等，均可滿足客戶對高性能應用的需求。 有了功能強大的軟件，就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應用中的強大優(yōu)勢。 模塊化的硬件 面對如今日益復雜的測試測量應用，提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論是，或者是總