王永舉

（浙江水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

我國(guó)海岸線曲折綿長(zhǎng)，沿海地區(qū)人口眾多、生產(chǎn)要素高度集中、社會(huì)財(cái)富高度聚集。由于地理位置和氣候條件，沿海地區(qū)夏秋季節(jié)經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)侵襲，極端性天氣事件多，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)已對(duì)沿海地區(qū)構(gòu)成了極大威脅[1]。海岸地區(qū)的防潮防浪研究是涉海工程最重要的研究課題之一，而波浪水槽試驗(yàn)則是分析、解決此類問題最有效的技術(shù)手段[2]。波浪試驗(yàn)加風(fēng)是研究波浪爬高、越浪量的一個(gè)重要負(fù)載，加風(fēng)的準(zhǔn)確性直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。目前國(guó)內(nèi)各大高校以及科研院所大多采用人工控制加風(fēng)的方式，通過變頻器手動(dòng)輸入頻率控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，只能輸出風(fēng)速固定的定常風(fēng)[4]。在每次試驗(yàn)前，配合使用風(fēng)速儀，把變頻器頻率值對(duì)應(yīng)的風(fēng)速一一列出，試驗(yàn)中根據(jù)需要的風(fēng)速，輸入對(duì)應(yīng)的頻率值，由于風(fēng)機(jī)性能及機(jī)械部件的磨損老化，造風(fēng)能力會(huì)產(chǎn)生變化，每次試驗(yàn)前都需要重新率定風(fēng)速對(duì)應(yīng)的頻率。此法加風(fēng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，只能輸出定常風(fēng)速，無法輸出可變的風(fēng)速序列，而且隨著外界環(huán)境的變化，造風(fēng)精度難以保證[5]。本文以浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波浪水槽作為實(shí)例，研究并且實(shí)施波浪水槽自動(dòng)加風(fēng)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

加風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路沿用已有的加風(fēng)方式，采用變頻器帶動(dòng)風(fēng)機(jī)加風(fēng)，與以往不同的是編寫功能完備的上位機(jī)軟件，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加風(fēng)[6]。

2.1 軟件架構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)按照“技術(shù)先進(jìn)、控制可靠、生產(chǎn)需要、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“采集、控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存一體化”的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和完善的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表配置。在對(duì)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)充和兼容性能。

軟件分為3方面：中央控制子系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、風(fēng)速測(cè)量采集顯示子系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)框架見圖1。

圖1 軟件設(shè)計(jì)框架圖

2.1.1 中央控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央控制子系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要完成系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化管理，可隨時(shí)直觀地觀察、控制整個(gè)試驗(yàn)過程并處理記錄各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)。包括歷史數(shù)據(jù)顯示、檢索，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、存檔，人機(jī)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)與控制。

在本系統(tǒng)中以Visual C++作為軟件開發(fā)平臺(tái)，主要完成內(nèi)容：利用Visua1 C++強(qiáng)大的圖形化編程功能，構(gòu)建一個(gè)美觀大方、操作方便的用戶界面。用戶只需要簡(jiǎn)單的操作主界面上的各控件按鈕或菜單選項(xiàng)即可進(jìn)入相應(yīng)的模塊以完成相應(yīng)的任務(wù)，并在主界面上以數(shù)字和圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出該參數(shù)的信息[7]。

2.1.2 運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)運(yùn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)，需要控制電腦與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流、運(yùn)行電壓、變頻器通訊狀態(tài)等指標(biāo)，它是保證控制系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[8]。

2.1.3 風(fēng)速數(shù)據(jù)采集顯示子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集是系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)以風(fēng)速值作為控制變量，系統(tǒng)通過給定風(fēng)速曲線與實(shí)測(cè)風(fēng)速值差值運(yùn)算來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，輸出合適的風(fēng)譜，控制核心算法采用增量式PID算法，在軟件界面可以設(shè)置具體控制參數(shù)，包括比例控制、積分控制、微分控制、滯后常數(shù)等參數(shù)，以獲取更好的控制效果。

風(fēng)速采集通過高精度風(fēng)速儀完成，采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制電腦，風(fēng)速儀與電腦間通訊采用無線透?jìng)髂Ｊ酵ㄓ?，?duì)每一個(gè)風(fēng)速儀獨(dú)立尋址，這樣設(shè)計(jì)的益處是可以靈活布置風(fēng)速儀位置，同時(shí)加減儀器方便，最多可供32臺(tái)風(fēng)速儀同時(shí)工作，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

在軟件界面實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速值，風(fēng)速顯示界面同時(shí)顯示給定曲線和實(shí)測(cè)曲線，方便判斷控制的準(zhǔn)確性以及控制系統(tǒng)是否異常。

2.1.4 加風(fēng)算法設(shè)計(jì)及軟件界面

本加風(fēng)系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制模式，閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括3部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)鍵是被控變量的實(shí)際值與期望值相比較，用這個(gè)偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。

本項(xiàng)目采用的是增量式PID控制算法，是通過對(duì)控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進(jìn)行PID控制的一種控制算法，也稱為校正方法。

具體的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)當(dāng)前實(shí)測(cè)風(fēng)速與預(yù)期風(fēng)速的差值進(jìn)行運(yùn)算，如果差值為正，減小輸出頻率，減小量具體依據(jù)程序預(yù)先給定的差值表進(jìn)行確定，例如風(fēng)速差為1.00 m/s，頻率減小量為2 Hz，風(fēng)速差值為0.50 m/s，頻率減小量為1 Hz，然后不停的判斷風(fēng)速差值，具體的運(yùn)算流程見圖2。

關(guān)于風(fēng)速控制的核心算法代碼為：

public float PID_Calculation()

{ err = SetValue - RealTimeValue；//期望值與實(shí)測(cè)值的差值

float increaseValue；

increaseValue = Kp * (err - err_next) + Ki * err + Kd * (err -2 * err_next + err_last)；//此為PID增量公式

return increaseValue；//返回頻率變化量}

軟件啟動(dòng)后，用戶先點(diǎn)擊連接網(wǎng)絡(luò)，連接變頻器和風(fēng)速儀，網(wǎng)絡(luò)連接好之后選擇造風(fēng)模式，有定常風(fēng)速和輸出可變風(fēng)譜2種，選擇好模式后，導(dǎo)入給定的風(fēng)速數(shù)據(jù)，設(shè)置PID參數(shù)，輸入一個(gè)啟動(dòng)頻率（20 Hz以內(nèi)），開始加風(fēng)，系統(tǒng)按照給定的風(fēng)速曲線自動(dòng)輸出控制頻率，開始加風(fēng)試驗(yàn)，采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)并導(dǎo)出，然后退出軟件。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及的硬件主要有加風(fēng)結(jié)構(gòu)（包括風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)罩）、變頻器、風(fēng)速儀等，風(fēng)機(jī)按照水槽的尺寸和設(shè)計(jì)風(fēng)速來選型，變頻器依據(jù)拖動(dòng)類型和功率匹配來選型，本次設(shè)計(jì)按照浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的波浪水槽來實(shí)施，具體選擇功率18.5 kW、直徑1 200 mm的風(fēng)機(jī)，變頻器采用三菱F800系列，風(fēng)速儀采用易谷科技的高精度風(fēng)速儀。

2.2.1 加風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用吹風(fēng)式加風(fēng)，風(fēng)機(jī)安裝在入風(fēng)口位置，入風(fēng)口位于造波機(jī)前端約10 m處（見圖3），試驗(yàn)區(qū)在出風(fēng)口位置，風(fēng)機(jī)與試驗(yàn)區(qū)之間有約60 m的距離，中間為水槽管道，風(fēng)經(jīng)水槽管道傳至試驗(yàn)區(qū)，達(dá)到加風(fēng)目的，吹風(fēng)式加風(fēng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）風(fēng)速平穩(wěn)，風(fēng)場(chǎng)分布較為均勻，風(fēng)經(jīng)過60 m的水槽管道后趨于平穩(wěn)；

（2）機(jī)理上與海岸工程真實(shí)情況更加符合，沿程的波浪及水面都能受到風(fēng)的作用，試驗(yàn)更加合理；

（3）可以進(jìn)行風(fēng)生浪等其他類型的研究，加風(fēng)方式靈活，研究?jī)?nèi)容更加豐富廣泛。

圖3 吹風(fēng)式加風(fēng)示意圖

具體的加風(fēng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 加風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于風(fēng)機(jī)與水槽整體平行但有高度差，需要一個(gè)過渡段將風(fēng)傳輸至水槽管道內(nèi)，導(dǎo)風(fēng)罩起過渡作用，導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)尤為重要，角度過大，風(fēng)直接吹到導(dǎo)風(fēng)罩上，導(dǎo)致風(fēng)壓損失，加風(fēng)效率低下且紊亂；角度過小，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)回吹現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)的導(dǎo)風(fēng)罩采用2段式設(shè)計(jì)，盡可以盡量減少風(fēng)壓的損失，也避免風(fēng)回吹現(xiàn)象。

本次風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，采用5 m長(zhǎng)的斜坡漸入式導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)，分成2段，第1段長(zhǎng)2 m左右，與風(fēng)機(jī)通過隔離震動(dòng)的軟連接包圍連接，小角度侵入水槽管道內(nèi)，第2段長(zhǎng)3 m左右，下傾斜角度稍大，與水槽管道的蓋板相連。

2.2.2 變頻器與風(fēng)速儀布置及通訊

三菱變頻器F800采用RS - 485總線標(biāo)準(zhǔn)，既可以使用MODBUS - RTU協(xié)議通信，也可以使用簡(jiǎn)單的自有協(xié)議通信。本系統(tǒng)使用自有協(xié)議通信，未來可以擴(kuò)展為MODBUS - RTU協(xié)議通信。變頻器布置在風(fēng)機(jī)附件，這樣風(fēng)機(jī)與變頻器之間的動(dòng)力線纜更短。

通訊的具體格式為：

（1）從計(jì)算機(jī)向變頻器發(fā)送通信要求數(shù)據(jù)，具體格式見表1。

表1 從計(jì)算機(jī)向變頻器發(fā)送通信要求數(shù)據(jù)格式表

（2）從變頻器返回計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，格式見表2。

表2 從變頻器返回計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)格式表

2.2.3 風(fēng)速儀

采用的風(fēng)速儀由易谷科技生產(chǎn)，有多種通訊模式可供選擇，本系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)RS233/RS485（標(biāo)準(zhǔn)modbus）協(xié)議，風(fēng)速儀布置在試驗(yàn)區(qū)上方，實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速，具體協(xié)議如下：

（1）串口格式。數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，校驗(yàn)位無，波特率9 600 bps，串口軟件設(shè)置為hex發(fā)送和接收，2次通信間隔至少1 000 ms以上，下文的CR0，CR1為CRC的校驗(yàn)位。

（2）通訊格式。通訊格式見表3。

表3 風(fēng)速儀通訊格式表

通用幀分為請(qǐng)求幀和應(yīng)答幀，請(qǐng)求幀通訊格式見表4，應(yīng)答幀通訊格式見表5。

表4 請(qǐng)求幀通訊格式表

表5 應(yīng)答幀通訊格式表

硬件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)有：①由于波浪水槽側(cè)壁是波浪幕墻，必須做好風(fēng)機(jī)的震動(dòng)隔離措施，本系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)采用懸掛式設(shè)計(jì)，同時(shí)導(dǎo)風(fēng)罩與風(fēng)機(jī)以及水槽間的連接均采用柔性連接，最大限度的隔離震動(dòng)。②電磁干擾，干擾源是大功率變頻器及風(fēng)機(jī)，變頻器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，敏感設(shè)備是波浪水槽運(yùn)行時(shí)所需的其他精密儀器，例如測(cè)量流速流向的多普勒流速儀、測(cè)量波高的DJ800等儀器，耦合途徑是通過電網(wǎng)電源以及電磁輻射。電磁干擾設(shè)計(jì)有3方面：①屏蔽干擾源，對(duì)變頻器的輸入輸出安裝輸出功率匹配電源濾波器，動(dòng)力電從電網(wǎng)經(jīng)過濾波器進(jìn)入變頻器；② 隔離敏感設(shè)備，變頻器與工控機(jī)的、工控機(jī)和其他采集設(shè)備的通訊采用帶有屏蔽層的雙絞線結(jié)構(gòu)通訊電纜，防止變頻器對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_；③做好接地工作，安裝變頻器的控制柜通過導(dǎo)電率好的銅牌接地。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分析分為2組：

第1組是波浪水槽最常用的加風(fēng)，風(fēng)速為10.00 m/s的定常風(fēng)速，圖5為該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的1組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

圖5 定常風(fēng)速實(shí)測(cè)值與期望值圖

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明實(shí)測(cè)風(fēng)速在不斷變化，程序在不斷的調(diào)節(jié)，風(fēng)速控制誤差在3%以內(nèi)，控制精度高。

第2組是1組變化較為緩慢的正弦波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 正弦風(fēng)速實(shí)測(cè)值與期望值圖

數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于產(chǎn)生變化的風(fēng)速，系統(tǒng)在不斷的調(diào)節(jié)頻率，跟隨效果尚可。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 試驗(yàn)數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)表 m/s

由表6可知，該套系統(tǒng)對(duì)定常風(fēng)速和變化較為緩慢的風(fēng)譜控制效果較好，能夠滿足波浪加風(fēng)試驗(yàn)的需求。

4 總結(jié)及展望

4.1 總 結(jié)

波浪水槽加風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)安裝運(yùn)行，給出實(shí)框圖，該套加風(fēng)系統(tǒng)有3個(gè)特點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)波浪水槽自動(dòng)加風(fēng)功能，2種模式可供選擇，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；②測(cè)控系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)（給定曲線）和輸出數(shù)據(jù)（試驗(yàn)結(jié)果）都采用EXCEL 數(shù)據(jù)格式；③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

4.2 展 望

由于時(shí)間及水平所限，該系統(tǒng)仍有很多問題有待深入研究解決，對(duì)于定常風(fēng)速以及變化較為緩慢的風(fēng)速譜，系統(tǒng)控制效果較好，但是對(duì)于風(fēng)速變化較為劇烈的譜型，由于軟件算法和風(fēng)機(jī)性能等的原因，控制效果不理想，希望在后續(xù)的研究中，能夠改進(jìn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，造風(fēng)系統(tǒng)功能更加完善。