一種室內風浪水槽造波機閉環控制方法

專利名稱：一種室內風浪水槽造波機閉環控制方法
技術領域：
本發明屬于造波機控制系統技術領域，涉及一種小型室內風浪水槽造波機的閉環 控制方法，特別是一種集硬件和軟件于一體的閉環控制系統。
背景技術：
我國從五十年代開始水池造波方面的研究工作；七十年代，造波技術系統逐漸采 用模擬信號裝置來控制；到了八十年代，開始采用小型電子計算機，通過系統軟件和應用軟 件及造波軟件來控制；九十年代以后，已完全采用計算機進行造波控制。計算機控制技術運 用到造波機系統中，為造波技術開辟了新天地，運用計算機自動控制，不僅能方便地造出各 種規則波，不規則波，而且大大提高了波浪模擬的精度。英國從八十年代中期已有電機式的 造波系統，日本從八十年代中期開始已有電機式的造波系統，當時采用的是直流伺服電機， 從1992年開始采用新型的交流伺服電機；2000年荷蘭Delft水工試驗室和力士樂公司合 作為我國702所提供的不規則波造波機系統方案中，采用的也是交流伺服電機。一個完整 的造波系統不僅包括完備的硬件設施，還包括完善的控制系統軟件，控制系統軟件是整個 造波系統的靈魂，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 且對整個造波系統的安全保障也有著極其重要的影響；造波控制軟件設計，不僅需要波浪 理論、波浪模擬理論方面的知識，而且還涉及計算機技術、軟件設計、自動控制、機電一體化 等學科內容。歸結起來，現有的對造波機及其造波的控制方式有多種，但從理論上講，至今還尚 未見有效的應用于小型室內風狼水槽的硬、軟件結合為一體的控制方法及其實現系統；現 有的控制方法原理簡單，閉環控制效果差，對造波的波風效果不易直接體現和監控，應用場
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發明內容
本發明的目的在于克服現有造波技術及其工藝方法中存在的缺點，尋求設計一種 借助于現代計算機硬件和軟件的配合，形成對小型室內風浪水槽造波機及其造波過程的全 程閉環控制的方法。為了實現上述目的，本發明由浪高儀實時采集波高數據作為造波控制的反饋信號 構成搖板造波的閉環控制；由風速儀實時測量風道內的風速作為造風控制的反饋信號構成 風機造風的閉環控制；通過搖板造淺水波和造風造毛細波并電信連通組合形成閉環控制系 統；實現閉環控制的系統裝置包括上位機監控模塊、造波模塊和造風模塊；其中上位機監 控模塊為安裝虛擬儀器測試測量軟件的工控機，是整個造波機閉環控制系統的監視與控制 中心，控制過程包括系統的初始化、搖板造波控制、造風造波控制、數據采集、數據記錄和數 據分析；造波模塊采用PC機加裝運動控制卡的控制模式，包括運動控制卡、伺服驅動器、交 流伺服電機、編碼器、滾珠絲杠、搖板和浪高儀；造波模塊中運動控制卡是搖板運動的控制 中心，完成伺服驅動數據的生成，運動控制卡發送脈沖命令給伺服驅動器，進而驅動伺服電機，伺服電機通過滾珠絲杠帶動搖板運動，在水面激起波浪，通過控制搖板的運動軌跡在水 面產生規則波或不規則波，水池中安裝浪高儀，浪高儀測得的實時波高信息，作為搖板造波 閉環控制的反饋信號反饋到上位工控機，從而實現搖板造波的閉環控制；造風模塊采用PC 機加裝多功能數據采集卡的控制模式，包括多功能數據采集卡、風機變頻器、軸流風機和風 速儀；造風模塊通過多功能數據采集卡的模擬量輸出控制風機變頻器頻率，進而控制風機 的轉速，風道內安裝有風速儀，風速儀測得的實時風速通過多功能數據采集卡的模擬量輸 入通道進行采集，作為造風閉環控制的反饋信號反饋到上位工控機，實現風機造風的閉環 控制；數字量數據采集卡負責采集控制面板按鈕信號及滾珠絲杠限位開關和行程開關信 號，并輸出控制伺服驅動器及風機變頻器的控制信號。本發明的閉環控制系統包括監控軟件主程序、造風子程序、規則波子和不規則波 子程序，監控軟件主程序啟動后首先進行系統初始化，包括運動控制卡的初始化及數據庫 的初始化，再輸入正確的用戶名和密碼后登錄系統，方能進行控制操作；監控軟件主程序運 行過程中不斷地掃描輸入輸出狀態并刷新前面板界面，等待用戶觸發事件的發生；用戶控 制命令包括用戶管理、造風、造波、數據查詢、波形查詢與分析和退出命令。本發明的造風子程序啟動后首先讀取用戶前面板設定的造風時間，然后讀取用戶 前面板設定的風速設定值及風速儀反饋的實際風速值；風速設定值和實際風速反饋值經過 PID運算，計算出控制輸出量，即變頻器頻率；控制輸出量通過多功能數據采集卡的模擬量 輸出通道控制變頻器的頻率；再將實際運行時間與設定時間進行比較，如果未到設定時間， 造風子程序繼續讀取實時風速信息進行控制運算，如果到達設定時間，則結束造風子程序。
本發明的規則波子程序啟動規則波造波時，首先判斷搖板是否復位，如果沒有復 位，執行搖板復位子程序；讀取用戶前面板設定的規則波波高和周期，再根據微幅波理論公 式計算搖板的搖幅，在閉環控制時搖幅還需要加上計算的搖幅修正量；由搖板搖幅和周期 根據正弦運動規律計算生成伺服電機運行的控制數據，并向運動控制卡發送控制數據，驅 動伺服電機帶動搖板造波；然后，判斷造波是否結束，如果未結束，進一步判斷是否為閉環 控制，若為開環控制，則直接按上一次計算的控制數據向運動控制卡發送命令，若為閉環控 制，則根據浪高儀采樣的數據進行波形測量，計算出實際波高；將實際波高與設定波高比 較，獲得偏差；再根據波高偏差經過比例換算求得搖幅修正量，作為規則波造波控制的反饋 量，重新計算伺服電機控制數據。本發明的不規則子波程序啟動不規則波造波時，首先判斷搖板是否復位，如果沒 有復位，則執行搖板復位子程序；再讀取用戶前面板選擇的波譜及設定的參數；然后，計算 生成相應的目標譜，閉環控制時進行偏差修正；用線性波浪疊加法將目標譜從頻域轉換到 時域，獲得搖板位置時序列；再根據搖板位置時序列計算生成伺服電機控制數據，并向運動 控制卡發送控制數據，驅動伺服電機帶動搖板造不規則波；對采樣的波高數據進行波譜分 析，求得實際波浪譜；然后判斷造波是否結束，如果未結束，進一步判斷是否為閉環控制，若 為開環控制，則直接按上一次計算的控制數據向運動控制卡發送命令，若為閉環控制，則將 目標譜與實測譜進行比較，得到譜偏差，再對譜偏差做比例計算，求得波譜修正量，作為不 規則波造波控制的反饋量，重新計算伺服電機控制數據。本發明的控制系統進行造波及造風的配合控制，首先運行規則波子程序或不規則 波子程序，并運行于閉環控制狀態；當所造規則波或不規則波達到控制要求時，無擾動切換到開環控制，此時，運行造風子程序，當風速穩定時，即可實現搖板造微幅波及造風造毛細 波的波浪模擬。本發明與現有技術相比，其控制原理安全可靠，對造波造風功能的閉環控制效果 好，自動化程度高，能夠實現機械式造波及造風造波的綜合模擬，可以廣泛應用于各種小型 室內造波機的造波場合形成完整的閉路(是否改成閉環？)控制系統。


圖1為本發明的控制系統整體結構原理示意框圖。圖2為本發明的監控軟件主程序流程結構原理示意框圖。 圖3為本發明的造風子程序流程結構原理示意框圖。圖4為本發明的規則波子程序流程結構原理示意框圖。圖5為本發明的不規則波子程序流程結構原理示意框圖。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖作進一步描述。實施例本實施例通過浪高儀實時采集波高數據作為造波控制的反饋信號構成搖板造波 的閉環控制；通過風速儀實時測量風道內的風速作為造風控制的反饋信號構成風機造風的 閉環控制；形成通過搖板造淺水波和造風造毛細波的閉環控制系統；實現閉環控制的系統 裝置包括上位機監控模塊、造波模塊和造風模塊；其中上位機監控模塊為安裝虛擬儀器測 試測量軟件的工控機；上位機監控模塊是整個造波機閉環控制系統的監視與控制中心，包 括系統的初始化、搖板造波控制、造風造波控制、數據采集、數據記錄及數據分析；造波模塊 采用PC機加裝運動控制卡的控制模式，包括運動控制卡、伺服驅動器、交流伺服電機、編碼 器、滾珠絲杠、搖板和浪高儀；造波模塊中運動控制卡是搖板運動的控制中心，完成伺服驅 動數據的生成，運動控制卡發送脈沖命令給伺服驅動器，進而驅動伺服電機，伺服電機通過 滾珠絲杠帶動搖板運動，從而在水面激起波浪，通過控制搖板的運動軌跡即可在水面產生 規則波或不規則波，水池中安裝浪高儀，浪高儀測得的實時波高信息，作為搖板造波閉環控 制的反饋信號反饋到上位工控機，從而實現搖板造波的閉環控制；造風模塊采用PC機加裝 多功能數據采集卡的控制模式，包括多功能數據采集卡、風機變頻器、軸流風機和風速儀； 造風模塊通過多功能數據采集卡的模擬量輸出，控制風機變頻器頻率，進而控制風機的轉 速，風道內安裝有風速儀，風速儀測得的實時風速通過多功能數據采集卡的模擬量輸入通 道進行采集，作為造風閉環控制的反饋信號反饋到上位工控機，從而實現風機造風的閉環 控制；數字量數據采集卡負責采集控制面板按鈕信號及滾珠絲杠限位開關和行程開關信 號，并輸出控制伺服驅動器及風機變頻器等的控制信號。本實施例的控制系統包括監控軟件主程序、造風子程序、規則波子程序和不規則 波子程序，監控軟件主程序啟動后首先進入步驟S2進行系統初始化，包括運動控制卡的初 始化及數據庫的初始化，進入步驟3，輸入正確的用戶名和密碼后登錄系統，方能進行各種 操作；監控軟件主程序運行過程中會不斷地掃描輸入輸出狀態并刷新前面板界面，同時程 序進入S5狀態，等待用戶觸發事件的發生；用戶控制命令包括用戶管理、造風、造波、數據查詢、波形查詢與分析及退出命令。本實施例的造風子程序啟動后首先進入步驟S14，讀取用戶前面板設定的造風時 間，然后進入步驟S15，讀取用戶前面板設定的風速值及步驟S19風速儀反饋的實際風速 值；在步驟S16，風速設定值和反饋值經過PID運算，計算出控制輸出量，即變頻器頻率；在 步驟S17，控制輸出量通過多功能數據采集卡的模擬量輸出通道控制變頻器的頻率；在步 驟S18，將實際運行時間與設定時間進行比較，如果未到設定時間，造風子程序繼續讀取實 時風速信息進行控制運算，如果到達設定時間，則結束造風子程序。
本實施例的規則波子程序啟動規則波造波時，首先進入步驟S20，判斷搖板是否復 位，如果沒有復位，進入步驟S21執行搖板復位子程序；在步驟S22，讀取用戶前面板設定的 規則波波高和周期，進入步驟S23，根據微幅波理論公式計算搖板的搖幅，在閉環控制時搖 幅還需要加上由步驟S30計算的搖幅修正量；在步驟S24，由搖板搖幅和周期，根據正弦運 動規律計算生成伺服電機運行的控制數據，并在步驟S25，向運動控制卡發送控制數據，驅 動伺服電機帶動搖板造波；在步驟S26，判斷造波是否結束，如果未結束，進入步驟S27,判 斷是否為閉環控制，若為否，則直接轉到步驟S25，繼續向運動控制卡發送上一次計算的控 制數據，若為閉環控制，則進入步驟S28，根據浪高儀采樣的數據進行波形測量，計算出實際 波高；在步驟S29，將實測波高與設定波高比較，獲得偏差；在步驟S30，根據波高偏差經過 比例換算求得搖幅修正量，作為規則波造波控制的反饋量。本實施例的不規則子波程序啟動不規則波造波時，首先進入步驟S31，判斷搖板是 否復位，如果沒有復位，進入步驟S32執行搖板復位子程序；在步驟S33，讀取用戶前面板選 擇的波譜及設定的參數；在步驟S34，計算生成相應的目標譜，閉環控制時進行偏差修正。 在步驟S35，用線性波浪疊加法將目標譜從頻域轉換到時域，獲得搖板位置時序列；在步驟 S36，根據搖板位置時序列計算生成伺服電機控制數據，并進入步驟S37，向運動控制卡發 送控制數據，驅動伺服電機帶動搖板造不規則波；在步驟S41，對由步驟S40采樣的波高數 據進行波譜分析，求得實際波浪譜；在步驟S38，判斷造波是否結束，如果未結束，進入步驟 S39，判斷是否為閉環控制，若為否，則直接轉到步驟S37，繼續向運動控制卡發送上一次計 算的控制數據，若為閉環控制，則進入步驟S42，將目標譜與實測譜進行比較，得到譜偏差； 在步驟S43，對譜偏差做比例計算，求得波譜修正量，作為不規則波造波控制的反饋量。
權利要求
一種室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于由浪高儀實時采集波高數據作為造波控制的反饋信號構成搖板造波的閉環控制；由風速儀實時測量風道內的風速作為造風控制的反饋信號構成風機造風的閉環控制；通過搖板造淺水波和造風造毛細波并電信連通組合形成閉環控制系統；實現閉環控制的系統裝置包括上位機監控模塊、造波模塊和造風模塊；其中上位機監控模塊為安裝虛擬儀器測試測量軟件的工控機，是整個造波機閉環控制系統的監視與控制中心，控制過程包括系統的初始化、搖板造波控制、造風造波控制、數據采集、數據記錄和數據分析；造波模塊采用PC機加裝運動控制卡的控制模式，包括運動控制卡、伺服驅動器、交流伺服電機、編碼器、滾珠絲杠、搖板和浪高儀；造波模塊中運動控制卡是搖板運動的控制中心，完成伺服驅動數據的生成，運動控制卡發送脈沖命令給伺服驅動器，進而驅動伺服電機，伺服電機通過滾珠絲杠帶動搖板運動，在水面激起波浪，通過控制搖板的運動軌跡在水面產生規則波或不規則波，水池中安裝浪高儀，浪高儀測得的實時波高信息作為搖板造波閉環控制的反饋信號反饋到上位工控機，實現搖板造波的閉環控制；造風模塊采用PC機加裝多功能數據采集卡的控制模式，包括多功能數據采集卡、風機變頻器、軸流風機和風速儀；造風模塊通過多功能數據采集卡的模擬量輸出控制風機變頻器頻率，進而控制風機的轉速，風道內安裝有風速儀，風速儀測得的實時風速通過多功能數據采集卡的模擬量輸入通道進行采集，作為造風閉環控制的反饋信號反饋到上位工控機，實現風機造風的閉環控制；數字量數據采集卡負責采集控制面板按鈕信號及滾珠絲杠限位開關和行程開關信號，并輸出控制伺服驅動器及風機變頻器的控制信號。
2.根據權利要求1所述的室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于閉環控制 系統包括監控軟件主程序、造風子程序、規則波和不規則波子程序，監控軟件主程序啟動后 先進行系統初始化，包括運動控制卡的初始化及數據庫的初始化，再輸入正確的用戶名和 密碼后登錄系統，方能進行控制操作；監控軟件主程序運行過程中不斷地掃描輸入輸出狀 態并刷新前面板界面，等待用戶觸發事件的發生；用戶控制命令包括用戶管理、造風、造波、 數據查詢、波形查詢與分析和退出命令。
3.根據權利要求1所述的室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于造風子程 序啟動后先讀取用戶前面板設定的造風時間，然后讀取用戶前面板設定的風速設定值及風 速儀反饋的實際風速值；風速設定值和實際風速反饋值經過PID運算，計算出控制輸出量， 即變頻器頻率；控制輸出量通過多功能數據采集卡的模擬量輸出通道控制變頻器的頻率； 再將實際運行時間與設定時間進行比較，如果未到設定時間，造風子程序繼續讀取實時風 速信息進行控制運算，如果到達設定時間，則結束造風子程序。
4.根據權利要求1所述的室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于規則波子 程序啟動規則波造波時，先判斷搖板是否復位，如果沒有復位，執行搖板復位子程序；讀取 用戶前面板設定的規則波波高和周期，再根據微幅波理論公式計算搖板的搖幅，在閉環控 制時搖幅還需要加上計算的搖幅修正量；由搖板搖幅和周期根據正弦運動規律計算生成伺 服電機運行的控制數據，并向運動控制卡發送控制數據，驅動伺服電機帶動搖板造波；然后 判斷造波是否結束，如果未結束，進一步判斷是否為閉環控制，若為開環控制，則直接按上 一次計算的控制數據向運動控制卡發送命令，若為閉環控制，則根據浪高儀采樣的數據進 行波形測量，計算出實際波高；將實際波高與設定波高比較，獲得偏差；再根據波高偏差經 過比例換算求得搖幅修正量，作為規則波造波控制的反饋量，重新計算伺服電機控制數據。
5.根據權利要求1所述的室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于不規則 子波程序啟動不規則波造波時，先判斷搖板是否復位，如果沒有復位，則執行搖板復位子程 序；再讀取用戶前面板選擇的波譜及設定的參數；然后計算生成相應的目標譜，閉環控制 時進行偏差修正；用線性波浪疊加法將目標譜從頻域轉換到時域，獲得搖板位置時序列； 再根據搖板位置時序列計算生成伺服電機控制數據，并向運動控制卡發送控制數據，驅動 伺服電機帶動搖板造不規則波；對采樣的波高數據進行波譜分析，求得實際波浪譜；然后 判斷造波是否結束，如果未結束，進一步判斷是否為閉環控制，若為開環控制，則直接按上 一次計算的控制數據向運動控制卡發送命令，若為閉環控制，則將目標譜與實測譜進行比 較，得到譜偏差，再對譜偏差做比例計算，求得波譜修正量，作為不規則波造波控制的反饋 量，重新計算伺服電機控制數據。
6.根據權利要求1所述的室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，其特征在于控制系統 進行造波及造風的配合控制，先運行規則波子程序或不規則波子程序，并運行于閉環控制 狀態；當所造規則波或不規則波達到控制要求時，無擾動切換到開環控制，此時，運行造風 子程序，當風速穩定時，即可實現搖板造微幅波及造風造毛細波的波浪模擬。
全文摘要
本發明屬于造波機控制系統技術領域，涉及一種小型室內風浪水槽造波機的閉環控制方法，特別是一種集硬件和軟件于一體的閉環控制系統，由浪高儀實時采集波高數據作為造波控制的反饋信號構成搖板造波的閉環控制；由風速儀實時測量風道內的風速作為造風控制的反饋信號構成風機造風的閉環控制；通過搖板造淺水波和造風造毛細波并電信連通組合形成閉環控制系統；實現閉環控制的系統裝置包括上位機監控模塊、造波模塊和造風模塊；其控制原理安全可靠，對造波造風功能的閉環控制效果好，自動化程度高，能夠實現機械式造波及造風造波的綜合模擬，可以廣泛應用于各種小型室內造波機的造波場合形成完整的閉環控制系統。
文檔編號G05B19/048GK101968636SQ201010290810
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月18日 優先權日2010年9月18日
發明者孫濤, 楊建軍, 王衛明, 高軍偉, 黃振興 申請人:青島眾盟電子科技有限公司