基于垂向多層控制的內波造波系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水動力學實驗研究的技術領域，更具體地，涉及基于垂向多層控制的內波造波系統(tǒng)及其控制方法，用于在水槽或水池生成高精度的內波。
【背景技術】
[0002]在海洋工程及水動力試驗測試領域，造波機是進行物理模型試驗的一種必備裝置。造波機通常設置在試驗水槽或水池的一端，通過造波板的往復運動來制造波浪。由于實驗研究的復雜性和多樣性，往往要求造波機能夠準確生成滿足特定條件的波浪?，F有的造波技術在垂向方向大多采用的是單板來回平推或搖擺，其垂向速度分布的形式是固定的，或是搖擺式的垂向線性速度分布，或是推板式垂向均勻速度分布形式，不能準確反映實際垂向非線性(如指數或雙曲函數)速度分布。
[0003]內波又稱為界面內波，通常用產生于兩層密度不同的流體來簡要描述內波的各種過程。內波的產生，應具備兩個條件，一是流體密度穩(wěn)定分層;二是要有擾動源。實驗中內波生成的方式有很多種，常見的有采用重力塌陷、拖曳地形以及利用造波機造波等方式，而其中采用造波機造波是最方便常用的生成內波的方式。
[0004]垂向單板造波機的優(yōu)點是簡易直觀，容易實現，但不能提供精確的波浪在垂向速度分布非線性的邊界條件。然而在自然界中所有波浪現象在垂向的速度分布都是非線性的，即使是最簡單的正弦波浪也是如此。沿垂直方向的流體質點速度的非線性變化規(guī)律是波浪的重要特征，故能否在邊界處輸入準確的垂向速度關系到所成波浪的品質，對于內波等垂直速度差異大的更是如此。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供基于垂向多層控制的內波造波系統(tǒng)及其控制方法，可以通過分別控制兩個雙板垂向造波機，對不同密度的兩層流體輸入不同的非線性垂向速度分布，實現在水槽或水池中的內波模擬，并具有較高的準確度和精度，滿足不同試驗測試的要求。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:基于垂向多層控制的內波造波系統(tǒng)，其中，包括水槽、產生非線性波浪控制信號的計算機控制驅動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)與垂向造波板;其中水槽內為密度不同的兩層液體；
所述的計算機控制驅動系統(tǒng)連接機械傳動系統(tǒng)，機械傳動系統(tǒng)連接垂向造波板;所述的計算機控制驅動系統(tǒng)包括電機，所述的機械傳動系統(tǒng)包括與電機連接的滑塊機構、對滑塊機構導向的導軌機構、與滑塊機構連接的連桿機構，連桿機構連接垂向造波板。
[0007]本發(fā)明中，垂向造波板包括兩組雙板聯動垂向造波板。
[0008]本方案中，計算機控制驅動系統(tǒng)包括信號處理單元、與信號處理單元連接的控制單元、與控制單元連接的直線電機驅動單元、與直線電機驅動單元連接的直線電機機構。用于驅動造波板按照要求進行運動。根據垂向速度剖面編寫計算機控制系統(tǒng)，采用PID控制技術進一步提高控制精度，實現單軸和多軸同步運動控制;并采用高精度的定時方法，滿足高精度周期的要求。驅動系統(tǒng)的計算機控制和傳動系統(tǒng)的直線電機，是軟硬件的核心部分，具有高速響應、定位精度高、速度快、加減速過程短、行程長度不受限制、傳動安靜、噪音低、效率高等優(yōu)點。
[0009]進一步的，所述的直線電機機構包括第一直線電機、第二直線電機、第三直線電機；
所述的機械傳動系統(tǒng)還包括基架，導軌機構的兩端固定于基架上，所述的滑塊機構包括第一滑塊、第二滑塊、第三滑塊，導軌機構包括第一導軌、第二導軌、第三導軌，連桿機構包括第一連桿、第二連桿、第三連桿；
第一直線電機連接第一滑塊，第一滑塊連接第一連桿，第一滑塊沿第一導軌軸向移動；第二直線電機連接第二滑塊，第二滑塊連接第二連桿，第二滑塊沿第二導軌軸向移動;第三直線電機連接第三滑塊，第三滑塊連接第三連桿;第三滑塊沿第三導軌軸向移動。
[0010]所述的第一連桿一端與第一滑塊鉸接，另一端設有第一鉸接部，第二連桿一端與第二滑塊鉸接，另一端設有第二鉸接部，第三連桿一端與第三滑塊鉸接，另一端設有第三鉸接部；
所述的垂向造波板包括設于上部的第一垂向造波板、設于下部的第二垂向造波板，第一垂向造波板上部連接第一鉸接部，下部連接第二鉸接部，第二垂向造波板上部連接第二鉸接部，下部連接第三鉸接部。
[0011]本發(fā)明中，基架用于安裝計算機控制驅動系統(tǒng)，保證控制驅動系統(tǒng)能穩(wěn)定工作且不互相影響。連桿連接控制驅動系統(tǒng)和垂向造波板，與造波板鉸接，在控制系統(tǒng)的驅動下帶動造波板根據要求運動(包括推動和轉動)。
[0012]垂向造波板包括兩組雙板聯動垂向造波板，液體分層界面布置在造波板的連接處，位于兩種液體的雙板造波板以各自的速度反向運動，可以生成沿液體界面?zhèn)鞑サ牟ā?br>[0013]進一步的，基架上還設有基架限位部，連桿機構穿過基架限位部。第一連桿、第二連桿、第三連桿由上往下設置。本發(fā)明中，基架限位部可對連桿機構的上下擺動位置進行限位，使其在規(guī)定的軌跡內運動。
[0014]與現有技術相比，有益效果是:本發(fā)明通過分別控制兩個雙板垂向造波機，對不同密度的兩層流體輸入不同的非線性垂向速度分布，實現在水槽或水池中的內波模擬，并具有較高的準確度和精度，滿足不同試驗測試的要求。
[0015]并可根據不同的控制精度、響應速度和穩(wěn)定性等應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，降低了維護和保養(yǎng)成本。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明整體示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明機械傳動系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明模塊示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明機械傳動系統(tǒng)立體示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明內波速度剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0021]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制;為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸;對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關系僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
[0022]如圖1一 4所示，基于垂向多層控制的內波造波系統(tǒng)，其中，包括水槽、產生非線性波浪控制信號的計算機控制驅動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)與垂向造波板。
水槽內為密度不同的兩層液體，其中密度較大的液體位于下方;兩層液體的交界面保持于兩組雙板聯動垂向造波板的中間位置。
[0023]計算機控制驅動系統(tǒng)連接機械傳動系統(tǒng)，機械傳動系統(tǒng)連接垂向造波板;計算機控制驅動系統(tǒng)包括電機，機械傳動系統(tǒng)包括與電機連接的滑塊機構5、對滑塊機構5導向的導軌機構6、與滑塊機構5連接的連桿機構7，連桿機構7連接垂向造波板。
[0024]本實施例中，垂向造波板包括兩組雙板聯動垂向造波板。相應的，圖1-3所示的機械傳動結構和雙板聯動垂向造波板是單組的結構，完整地物理結構由兩組上述結構組成，如圖4所示。
[0025]以下描述均只針對單組的結構，兩組的控制方法一致。
[0026]本實施例中，計算機控制驅動系統(tǒng)包括信號處理單元1、與信號處理單元I連接的控制單元2、與控制單元2連接的直線電機驅動單元3、與直線電機驅動單元3連接的直線電機機構30。直線電機機構30包括第一直線電機31、第二直線電機32、第三直線電機33。信號處理單元與控制單元用于驅動造波板按照要求進行運動。信號處理單元根據目標內波的垂向速度剖面生成控制信號，并采用高精度的定時方法，滿足高精度造波周期控制的要求。控制單元用于實現機械傳動系統(tǒng)的單軸和多軸同步運動控制，采用PID控制技術可進一步提高控制精度。直線電機驅動單元是硬件的核心部分，直線電機具有高速響應、定位精度高、速度快、加減速過程短、行程長度不受限制、傳動安靜、噪音低、效率高等優(yōu)點。
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