基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水动力学实验研究的技术领域，更具体地，涉及基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法，用于在水槽或水池生成高精度的内波。
【背景技术】
[0002]在海洋工程及水动力试验测试领域，造波机是进行物理模型试验的一种必备装置。造波机通常设置在试验水槽或水池的一端，通过造波板的往复运动来制造波浪。由于实验研究的复杂性和多样性，往往要求造波机能够准确生成满足特定条件的波浪。现有的造波技术在垂向方向大多采用的是单板来回平推或摇摆，其垂向速度分布的形式是固定的，或是摇摆式的垂向线性速度分布，或是推板式垂向均匀速度分布形式，不能准确反映实际垂向非线性(如指数或双曲函数)速度分布。
[0003]内波又称为界面内波，通常用产生于两层密度不同的流体来简要描述内波的各种过程。内波的产生，应具备两个条件，一是流体密度稳定分层;二是要有扰动源。实验中内波生成的方式有很多种，常见的有采用重力塌陷、拖曳地形以及利用造波机造波等方式，而其中采用造波机造波是最方便常用的生成内波的方式。
[0004]垂向单板造波机的优点是简易直观，容易实现，但不能提供精确的波浪在垂向速度分布非线性的边界条件。然而在自然界中所有波浪现象在垂向的速度分布都是非线性的，即使是最简单的正弦波浪也是如此。沿垂直方向的流体质点速度的非线性变化规律是波浪的重要特征，故能否在边界处输入准确的垂向速度关系到所成波浪的品质，对于内波等垂直速度差异大的更是如此。
【发明内容】
[0005]本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供基于垂向多层控制的内波造波系统及其控制方法，可以通过分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水槽或水池中的内波模拟，并具有较高的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:基于垂向多层控制的内波造波系统，其中，包括水槽、产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板;其中水槽内为密度不同的两层液体；
所述的计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接垂向造波板;所述的计算机控制驱动系统包括电机，所述的机械传动系统包括与电机连接的滑块机构、对滑块机构导向的导轨机构、与滑块机构连接的连杆机构，连杆机构连接垂向造波板。
[0007]本发明中，垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板。
[0008]本方案中，计算机控制驱动系统包括信号处理单元、与信号处理单元连接的控制单元、与控制单元连接的直线电机驱动单元、与直线电机驱动单元连接的直线电机机构。用于驱动造波板按照要求进行运动。根据垂向速度剖面编写计算机控制系统，采用PID控制技术进一步提高控制精度，实现单轴和多轴同步运动控制;并采用高精度的定时方法，满足高精度周期的要求。驱动系统的计算机控制和传动系统的直线电机，是软硬件的核心部分，具有高速响应、定位精度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、传动安静、噪音低、效率高等优点。
[0009]进一步的，所述的直线电机机构包括第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机；
所述的机械传动系统还包括基架，导轨机构的两端固定于基架上，所述的滑块机构包括第一滑块、第二滑块、第三滑块，导轨机构包括第一导轨、第二导轨、第三导轨，连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆；
第一直线电机连接第一滑块，第一滑块连接第一连杆，第一滑块沿第一导轨轴向移动；第二直线电机连接第二滑块，第二滑块连接第二连杆，第二滑块沿第二导轨轴向移动;第三直线电机连接第三滑块，第三滑块连接第三连杆;第三滑块沿第三导轨轴向移动。
[0010]所述的第一连杆一端与第一滑块铰接，另一端设有第一铰接部，第二连杆一端与第二滑块铰接，另一端设有第二铰接部，第三连杆一端与第三滑块铰接，另一端设有第三铰接部；
所述的垂向造波板包括设于上部的第一垂向造波板、设于下部的第二垂向造波板，第一垂向造波板上部连接第一铰接部，下部连接第二铰接部，第二垂向造波板上部连接第二铰接部，下部连接第三铰接部。
[0011]本发明中，基架用于安装计算机控制驱动系统，保证控制驱动系统能稳定工作且不互相影响。连杆连接控制驱动系统和垂向造波板，与造波板铰接，在控制系统的驱动下带动造波板根据要求运动(包括推动和转动)。
[0012]垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板，液体分层界面布置在造波板的连接处，位于两种液体的双板造波板以各自的速度反向运动，可以生成沿液体界面传播的波。
[0013]进一步的，基架上还设有基架限位部，连杆机构穿过基架限位部。第一连杆、第二连杆、第三连杆由上往下设置。本发明中，基架限位部可对连杆机构的上下摆动位置进行限位，使其在规定的轨迹内运动。
[0014]与现有技术相比，有益效果是:本发明通过分别控制两个双板垂向造波机，对不同密度的两层流体输入不同的非线性垂向速度分布，实现在水槽或水池中的内波模拟，并具有较高的准确度和精度，满足不同试验测试的要求。
[0015]并可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求选择嵌入式系统、可编程控制器或工控机作为计算机控制单元，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强了系统操作灵活性和稳定性，降低了维护和保养成本。
【附图说明】
[0016]图1是本发明整体示意图。
[0017]图2是本发明机械传动系统示意图。
[0018]图3是本发明模块示意图。
[0019]图4是本发明机械传动系统立体示意图。
[0020]图5是本发明内波速度剖面示意图。
【具体实施方式】
[0021]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0022]如图1一 4所示，基于垂向多层控制的内波造波系统，其中，包括水槽、产生非线性波浪控制信号的计算机控制驱动系统、机械传动系统与垂向造波板。
水槽内为密度不同的两层液体，其中密度较大的液体位于下方;两层液体的交界面保持于两组双板联动垂向造波板的中间位置。
[0023]计算机控制驱动系统连接机械传动系统，机械传动系统连接垂向造波板;计算机控制驱动系统包括电机，机械传动系统包括与电机连接的滑块机构5、对滑块机构5导向的导轨机构6、与滑块机构5连接的连杆机构7，连杆机构7连接垂向造波板。
[0024]本实施例中，垂向造波板包括两组双板联动垂向造波板。相应的，图1-3所示的机械传动结构和双板联动垂向造波板是单组的结构，完整地物理结构由两组上述结构组成，如图4所示。
[0025]以下描述均只针对单组的结构，两组的控制方法一致。
[0026]本实施例中，计算机控制驱动系统包括信号处理单元1、与信号处理单元I连接的控制单元2、与控制单元2连接的直线电机驱动单元3、与直线电机驱动单元3连接的直线电机机构30。直线电机机构30包括第一直线电机31、第二直线电机32、第三直线电机33。信号处理单元与控制单元用于驱动造波板按照要求进行运动。信号处理单元根据目标内波的垂向速度剖面生成控制信号，并采用高精度的定时方法，满足高精度造波周期控制的要求。控制单元用于实现机械传动系统的单轴和多轴同步运动控制，采用PID控制技术可进一步提高控制精度。直线电机驱动单元是硬件的核心部分，直线电机具有高速响应、定位精度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、传动安静、噪音低、效率高等优点。
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