基于伺服驱动的多板主动吸收造波控制系统开发研究

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为了模拟真实情况,验证护岸、堤坝、港口、平台等工程结构设计安全,研究潮流、波浪能、海洋生物、海洋资源等科学课题,水动力模拟实验系统的建设具有很大的必要性,而造波系统是实验室水动力模拟的关键部分之一。在进行有结构物的波浪实验时,波浪会在水池、结构物和造波机械之间多次反射,这种反射现象出现在结构物和造波结构之间的水域。解决该问题的办法是让造波机在造波的同时进行吸收运动,通过吸收运动抵消反射波浪在造波板上产生的二次反射波,维持造波板到结构物之间行进波的稳定,这种吸收方式被称为主动吸收。本文致力于研究多板水池主动吸收造波技术。相对于水槽,水池横向宽度较大,水动力荷载和扭矩也相应增大,必须采用多组造波板装置以降低每组装置的荷载,其次考虑到复杂研究的需要,宽尺度水池中目标波浪和反射面往往都存在三维性,造波也随之必须考虑斜向造波和斜向吸收问题。在理论方面,基于二维规则波的时域控制法、代表频率法等理论,实现了二维规则波与不规则波的主动吸收造波,以波高反馈的控制方式设计了一套完整的多板主动吸收造波控制系统;本文基于MUSIC算法开发了方向角算法的仿真,在工业控制器中实现了双方向波浪方向角的实时测量,将雷达信号学的方向角算法应用于水动力仿真环境中,实现了应用场景的创新。在系统开发方面,从伺服驱动器的PID控制策略角度优化了伺服电机对造波运动轨迹的追踪效果,改善了现场传感器环境,大大降低了传感器受到的干扰。同时在软件方面,搭建了造波控制程序的框架,开发调试了一套完整的造波控制系统。最后进行了造波实验测试,以分离算法计算对比了二维主动吸收与非主动吸收造波的效果,验证了造波系统的吸收性能。在实验过程中发现多板形式的造波系统下,会出现谐波问题,这种谐波是由传感器测量非波浪信号导致的,会影响主动吸收造波的质量。通过采用多传感器控制单块板的方法对板的运动进行了抑制,改善了多板系统主动吸收造波的效果,实现了吸收技术的实践创新。
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