開題報告--- 搖板式造波機液壓驅動控制系統設計

1、<p>　　搖板式造波機液壓驅動控制系統設計</p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　一、課題來源、目的、意義、國內外基本研究概況</p><p><b>　　1.1課題來源：</b></p><p>　　課題為實驗室的改造項目，目的是通過本次設計工作，獲得必要的

2、理論依據，為以后的工作奠定基礎。</p><p>　　1.2 課題目的、意義</p><p>　　在實驗水池中實現海上環(huán)境的模擬是隨著海洋開發(fā)工程而興起的一門試驗研究技術 ，除風、流的模擬之外，波浪的模擬是極為重要的。波浪對船舶、水利、海工建筑、海上石油開采等許多領域的研究都具有重要的意義。</p><p>　　在船舶設計領域，研究船舶在波浪中的航行及運動性能;在碼

3、頭、堤壩等水利工程中， 研究其測試及抗波浪能力;在海上石油開采中，分析海上鉆采設備對海浪的抗疲勞性能，以及在休閑娛樂業(yè)供游客參與波浪戲水游樂活動等，都需要進行波浪相關的試驗。造波機是一種與船舶試驗水池配套的基礎設施，它的作用是在船池中激起不同波長和波高的波浪，模擬實際波浪對船舶的影響，以測定各種技術數據，為船舶設計提供依據。近年來大型水上娛樂場也大量使用造波機造出人工海浪，使內地人們也享受到在大海中游泳的樂趣，因此這又開拓了造波機的新用

4、途。</p><p>　　國內船舶研究單位擁有幾十座各種造波裝置，海岸工程研究單位擁有一百多座大小不同的造波裝置。為了提高造波精度和模擬不規(guī)則波，其中大部分造波機面臨改造的任務。新的研究項目使新的大型造波項目不斷出現，其中不乏重金從國外引進。國內對造波機做過許多的研究，已有相當的水平，積累了相當的經驗，但在新技術日新月異的今天，與國外造波水平仍有明顯的差距，這種差距主要表現在對造波機的系統控制上。</p&g

5、t;<p>　　造波是一門綜合科學技術。它涉及到波浪理論、自動控制理論、海洋學、機械原理、電力電子技術、傳感器技術等多種學科。現在，高新技術的快速發(fā)展，為造波技術的進一步提高提供可能。</p><p>　　因此，本文的研究具有十分現實的意義。</p><p>　　1.3 國內外研究進展情況</p><p>　　國外很早就以經開始了造波機及造波技術的研究

6、工作。建于1956年，1957年正式投產的荷蘭瓦格寧根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，該水池長100米，寬24.5米，深2.5米。采用搖板式蛇形造波機，搖板高1.4米，寬0.6米，搖動鉸鏈位于水下1.15米，共有158塊搖板，搖板每分鐘擺30--60次，產生的波長為1.5-6米。美國泰勒水池建于1958年，水池為矩形，主尺度為110×73×6米。造波機采用空氣式造波機，其功率指數在最大負荷時為2500馬力，造波范

7、圍波長為0.92-12.2米，波高為0.01～0.06米，可對長峰不規(guī)則波及短峰波進行模擬。英國哈斯拉水池，建于1957年，1962年正式投產，安裝有沖箱式造波機，可造長峰波規(guī)則波和不規(guī)則波。美國斯帝文森水池，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0.7米，最大波高0.4米。</p><p>　　我國從上世紀50年代開始造波水池方面的研究工作，最初是從規(guī)則波(正

8、弦波)開始研究。50年代初，中國第一臺規(guī)則波造波機研制成功。70年代，我國造波系統逐漸采用模擬信號裝置來控制。70年代末大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室利用引進的“CROMEMC”微機作為控制機，研制了國內第一臺不規(guī)則波造波機—調頻式造波機，因其機械慣性較大，僅能模擬一些簡單的波譜。80年代初期，我國第一臺不規(guī)則波造波機安裝在南京水利科學研究院水池。90年代以后，逐漸開始采用計算機控制進行造波研究。</p><

9、;p>　　20世紀80年代以后，國際上建造的造波機都向具有生成規(guī)則波、二維不規(guī)則波和三維不規(guī)則波的造波能力方向發(fā)展。</p><p>　　二、預計達到的目標、關鍵理論和技術指標、完成課題的方案及主要措施</p><p><b>　　2.1.預期目標：</b></p><p>　　通過認真學習造波理論和造波機的工作原理，在選擇其驅動方式為液

10、壓驅動的情況下，完成對搖板式造波機控制系統的設計。理論設計完成后，為得到控制系統的最優(yōu)化，最大化的提高造波精度，采用工程系統仿真高級建模平臺AMESim進行仿真，以便能模擬出在試驗中所要求和實際情況最接近的海面波浪。</p><p>　　2.2關鍵理論與技術指標：</p><p>　　2.2.1造波機的形式</p><p>　　造波機的造波形式多種多樣，迄今為止有如

11、下幾種:</p><p>　　1.搖板式。通過機械驅動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產生波動。搖板的擺動幅度控制波高，波長和周期則由擺動頻率來確定。</p><p>　　2.活塞式?；钊接址Q為推板式。通過連桿驅動設在水槽中一端的活塞進行往復運動，使池中水產生波動。波高取決于活塞的沖程，波長則取決于往復的頻率。</p><p>　　3.沖箱式。造波部件為斷面呈特殊形狀

12、的箱體。通過該部件沿垂直水面方向作往復運動達到造波的目的。</p><p>　　4.轉筒式。轉筒式則是通過設置在水面的圓柱體繞偏心軸旋轉使水產生波動。</p><p>　　5.氣壓式。氣壓式是利用氣壓的變化來產生水面波動。如負壓提升法，也可以是通過鼓風機產生的高壓氣體作為擾動源，通過改變氣壓的大小改變波高，氣量的大小改變波長。</p><p>　　目前搖板式造波機和

13、推板式造波機為應用最為廣泛，因為這兩者具有結構簡單、控制方便、便于維護的特點。搖板式造波機一般應用于深水域造波，而推板式造波機一般運用于淺水域造波。造波機的種類繁多，但由于搖板式造波系統具有質量小，結構簡單，便于實時控制等優(yōu)點，特別適合在深水中造波。因此，此系統中，我們就采用結構簡單、能產生各種浪譜、性能優(yōu)越的搖板式造波</p><p>　　2.2.2搖板造波理論：</p><p>　　目

14、前常用的波浪理論是微幅理論和有限振幅斯托克斯波理論，由它們推出的深水波理論、中等水深波理論、淺水波理論則是相關的造波特性研究的理論基礎，在這些基礎上才能了解各種水深條件下的波浪特性和差異，了解不同水深條件下的波浪特性和差異，了解不同水深情況下造波的難易，以及掌握造波性能標準的尺度。而搖板造波理論則是建立在微幅波理論的基礎上，是微幅波理論在實際方面的一個應用。</p><p>　　圖1.搖板式造波機及其參數示意圖&

15、lt;/p><p>　　圖1為搖板造波的參數示意圖。設水深為h；造波板水面下垂直深度為l;水面處搖幅為E;造波板以振幅A來運動產生波浪;設波浪高度為h；波長為λ，周期為T。波浪傳播方向設為正，x軸與水池底部平面重合，y軸與造波板的處在垂直位置時重合，且方向向上。搖板上不同水深處搖板的搖幅e，是y的函數。從微幅波理論出發(fā)，可推導搖板造波的理論公式：</p><p>　　這就是波高和沖程的關系。&

16、lt;/p><p>　　2.2.3造波機驅動方式</p><p>　　一般造波機的驅動方式有三種:電機驅動、氣壓驅動和液壓驅動。它們各有優(yōu)缺點，且適用范圍不同。</p><p>　　☆電機驅動。其優(yōu)點是:體積小，電機啟動容易，控制性能好，快速響應能力強且無污染;其缺點是:力矩輸出較小，負載能力較弱，如果要過得很大得輸出功率，電機得質量和體積都會很大。電機驅動和其它形式相

17、比，在高速、高精度、小型節(jié)能方面更能滿足要求，因而在輕載情況下，國內外采用電機驅動的系統比較多。</p><p>　　☆氣壓驅動。氣動系統以空氣為介質，相應速度快，且空氣可直接從大氣中獲得，又可排放到大氣中，不需要回流系統，與液壓系統相比，氣動系統構成簡單、價格便宜，但工作壓力低，因而承受能力低，定位剛度也低。工作載荷在幾百牛頓時，啟動系統比較有效。 </p><p>　　液壓驅動。

18、液壓傳動雖然油液易泄漏，但輸出力矩大，負載能力強，一個體積與能搬送14～23kg載荷低氣動或電動系統相當低液壓系統，就可搬送130～140kg的負載，而且還有電動系統相當低精度和響應速度。另一方面，液壓系統的油液能起到對運動部件潤滑的作用，并通過油液低流動把熱量帶走，實現系統低自冷卻，以延長元件和系統的使用壽命。采用液壓驅動機構還可以得到很大的速度范圍，其低速特性比電動機要好，當液壓執(zhí)行器泄漏較小時，液壓彈簧剛度大，因而閉環(huán)系統的定位剛

19、度較大，位置誤差比較小。另外，利用液壓系統的集成回路可以把液壓系統設計得相當緊湊，減少系統所占空間。</p><p>　　國內使用的造波機，其動力是電動機，由于電動機有啟動過程，產生一個消波器很難消除的波長，疊加在要求試驗的波浪中，為改善規(guī)則波質量，采用零點啟動裝置是一個辦法。其他如使曲柄連桿機構之比大于8，可保證其動點接近正弦運動，但是最終解決辦法還是采用液壓驅動裝置比較理想。</p><p