劉 毅， 鄭三和， 沈超杰， 鄭羽茜， 黃方平

(浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

在實(shí)驗(yàn)水池中，實(shí)現(xiàn)海上環(huán)境的模擬是隨著海洋開(kāi)發(fā)工程而興起的一門試驗(yàn)研究技術(shù)，除風(fēng)、流的模擬之外，波浪的模擬是極為重要的。波浪對(duì)船舶、水利、海工建筑、海上石油開(kāi)采等許多領(lǐng)域的研究都具有重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是在水池中進(jìn)行，但是水池中的實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)佑么笮蛢x器設(shè)備和較多的實(shí)驗(yàn)人員，從而導(dǎo)致波浪生成研究能耗大，操作繁瑣，維護(hù)成本高昂[2-4]。目前，建立現(xiàn)代的波浪生成實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是相關(guān)海洋工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱點(diǎn)[5-7]。在波浪所涉及到海洋科技、水產(chǎn)學(xué)、水利工程等研究方面，也迫切需求一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)及教學(xué)。近些年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外大型造波裝置也常采用電液伺服技術(shù)作為波浪模擬的解決方案，但是，電液系統(tǒng)中伺服閥的加工和裝配精度高、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜等缺點(diǎn)阻礙其在常規(guī)的波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步應(yīng)用[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了一些大推力、多缸、多軸、高頻的液壓激振裝備，出現(xiàn)了交流伺服液壓振動(dòng)技術(shù)、新型電液伺服控制技術(shù)等[9-12]。文獻(xiàn)[13-15]中提出了一種旋轉(zhuǎn)閥芯結(jié)構(gòu)的高頻電液激振器用于大推力液壓振動(dòng)臺(tái)，并對(duì)電液激振器的頻率特性和典型激振波形的實(shí)現(xiàn)與控制等進(jìn)行了研究。本文基于電液轉(zhuǎn)閥控制技術(shù)[16-17]研制一種新型造波機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 造波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成及控制系統(tǒng)

本造波機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，由上位機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵站平臺(tái)、造波裝置、轉(zhuǎn)閥控制系統(tǒng)以及水槽等組成。圖2所示為造波機(jī)的電液控制系統(tǒng)原理圖，主要由雙作用液壓缸、轉(zhuǎn)閥、電液比例軸向變量柱塞泵和比例溢流閥所組成。

圖1 新型造波機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 造波機(jī)電液控制系統(tǒng)原理圖

1-冷卻器；2-電液比例變量柱塞泵；3-比例溢流閥；4-單向閥；5-蓄能器；6-壓力傳感器；7-流量計(jì)；8-步進(jìn)電機(jī)；9-轉(zhuǎn)閥；10-伺服電機(jī)；11-雙作用液壓缸；12-電磁溢流閥；13-過(guò)濾器；14-油箱

轉(zhuǎn)閥的工作原理如圖3所示，閥芯有4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的臺(tái)肩，閥芯通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電動(dòng)機(jī)連接控制閥芯的換向頻率，閥芯另一端通過(guò)與直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接控制閥芯軸向位移，從而控制閥芯開(kāi)口的大小以及流量。其中，閥口的設(shè)計(jì)是匹配對(duì)稱的，前臺(tái)肩對(duì)應(yīng)的閥口過(guò)流面積變化是從零到最大，然后從最大至零，隨后進(jìn)入后臺(tái)肩對(duì)應(yīng)的閥口過(guò)流面積變化，也是從零到最大，然后從最大至零，且當(dāng)其中一閥口關(guān)閉時(shí)，其另一臺(tái)肩軸肩上的另外一面閥口剛好打開(kāi)，使閥始終保持一個(gè)工作狀態(tài)。

圖3 轉(zhuǎn)閥工作原理圖

由圖3可見(jiàn)，油路通斷為P～B口和A～T口。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)一定的角度，油路通斷可以為P～A口和B～T口。伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化使得液流方向不斷換向、實(shí)現(xiàn)雙作用液壓缸往復(fù)頻率可調(diào)。在造波機(jī)中，通過(guò)調(diào)節(jié)電液比例溢流閥的系統(tǒng)壓力以及轉(zhuǎn)閥中直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸向位移，調(diào)試生成規(guī)則波浪的波幅。

所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)閥裝置控制柜程序流程如圖4所示，所需要的控制量數(shù)值在觸摸屏處輸入，經(jīng)過(guò)控制柜內(nèi)的SC主機(jī)處理后，分別發(fā)送信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)閥內(nèi)的液壓油流向以及流速，以實(shí)現(xiàn)控制造波板移動(dòng)。同時(shí)，安裝在油缸上的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，反饋給SC主機(jī)處理，處理后的數(shù)據(jù)再傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。

圖4 轉(zhuǎn)閥裝置控制柜程序控制流程圖

該轉(zhuǎn)閥的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖5所示，主要由臺(tái)達(dá)觸摸屏DVP-B07S410、臺(tái)達(dá)DVP-SC主機(jī)、臺(tái)達(dá)06AD模塊、臺(tái)達(dá)ASDA-B2伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、海頓直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器DCM4010、開(kāi)關(guān)電源、Temposonics-EH型傳感器等組成。觸摸屏編程為臺(tái)達(dá)DOP，主機(jī)為WPL。轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板的設(shè)計(jì)如圖6所示。在觸摸面板“直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)操作指令”一欄中輸入實(shí)驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)閥閥口開(kāi)度數(shù)值，按“位移”按鈕即可將實(shí)際轉(zhuǎn)閥閥口開(kāi)度調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來(lái)回運(yùn)動(dòng)的位移。在觸摸面板“伺服電動(dòng)機(jī)操作指令”一欄中輸入實(shí)驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速數(shù)值，按“伺服電動(dòng)機(jī)”按鈕即可將實(shí)際轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來(lái)回運(yùn)動(dòng)的頻率。液壓缸(造波板)實(shí)際位移情況將會(huì)在觸摸面板的左側(cè)“液壓缸位移數(shù)值顯示及位移曲線分布圖”中顯示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖

1-開(kāi)關(guān)電源；2-DCM4010步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；3-繼電器；4-PLC-SC主機(jī)及模塊；5-臺(tái)達(dá)觸摸屏；6-電源指示燈；7-電源開(kāi)關(guān)按鈕；8-熔斷器；9-ASDA-B2伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖6 轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板圖

上位機(jī)控制柜的硬件設(shè)計(jì)如圖7所示，內(nèi)包含一臺(tái)工控機(jī)，PLC-SV主機(jī)，2個(gè)DVP06AD模擬量模塊，2個(gè)開(kāi)關(guān)電源，交流接觸器，中間繼電器，220 V空開(kāi)，380 V空開(kāi)等。具體設(shè)計(jì)操作過(guò)程為，首先打開(kāi)控制柜外壁上380 V的空開(kāi)，給整個(gè)設(shè)備供電，再打開(kāi)220 V空開(kāi)給控制柜內(nèi)各種負(fù)載供電，然后依次打開(kāi)工控機(jī)，液壓泵站，轉(zhuǎn)閥裝置控制柜等。并且，所設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)壓力。

圖7 上位機(jī)硬件

利用LabVIEW應(yīng)用程序，所設(shè)計(jì)的操作頁(yè)面及程序如圖8所示，通過(guò)操作頁(yè)面內(nèi)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定來(lái)控制液壓泵站平臺(tái)供給于造波裝置液壓油的壓力。在操作頁(yè)面內(nèi)的“系統(tǒng)壓力設(shè)置MPa”一欄內(nèi)輸入實(shí)驗(yàn)所需要的系統(tǒng)壓力數(shù)值，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“把手”圖標(biāo)即可將系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為所需的數(shù)值，亦可通過(guò)點(diǎn)擊輸入欄旁邊的“上下”圖標(biāo)來(lái)微調(diào)系統(tǒng)壓力值。實(shí)際系統(tǒng)壓力數(shù)值將會(huì)顯示在操作頁(yè)面左側(cè)的圓表盤內(nèi)和圓表盤左上角的數(shù)值顯示欄，以及通過(guò)觀察液壓泵站平臺(tái)上的儀表得知。

圖8 LabVIEW操作頁(yè)面及程序

2 造波實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與分析

利用上述造波機(jī)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可通過(guò)改變?cè)觳ㄑb置的液壓系統(tǒng)供油壓力、造波板板來(lái)回運(yùn)動(dòng)的位移和頻率造出不同形式的規(guī)則波。如圖9所示為造波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖以及采集到的不同波高和波長(zhǎng)的規(guī)則波，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生成的規(guī)則波波形可通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝保存來(lái)進(jìn)行各方面參數(shù)讀取和分析。

圖9 造波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)改變控制系統(tǒng)中輸入的控制參數(shù)，可以比較觀察各個(gè)輸出的規(guī)則波波形參數(shù)(波幅和波長(zhǎng))的變化。在搖板造波波幅實(shí)驗(yàn)方面，如圖10(a)所示為關(guān)于規(guī)則波波幅大小的造波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，在給定水深為0.5 m和由轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動(dòng)機(jī)工作頻率為1.5 Hz的情況下，改變上位工控機(jī)控制界面所控制的系統(tǒng)供油壓力大小和轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移xv大小，觀察記錄所形成規(guī)則波波幅的數(shù)據(jù)。在保持水深和伺服工作頻率不變的情況下?lián)u板式造波，當(dāng)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移大小不變時(shí)，波幅會(huì)隨著系統(tǒng)壓力數(shù)值的增大而增大；當(dāng)系統(tǒng)壓力數(shù)值不變時(shí)，波幅會(huì)隨著直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移數(shù)值的增大而增大。在搖板造波波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)方面，如圖10(b)所示為關(guān)于規(guī)則波波長(zhǎng)大小的造波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，結(jié)合給定水深為0.5 m和由上位工控機(jī)控制界面所控制的系統(tǒng)壓力大小為1.0 MPa的情況下，改變由轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動(dòng)機(jī)工作頻率大小和直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移大小，觀察記錄所形成規(guī)則波波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)并繪制成圖。從圖10(b)可知，在保持水深和供油壓力不變的情況下，直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移不變時(shí)，波長(zhǎng)隨頻率的增大而減??；當(dāng)頻率不變時(shí)，波長(zhǎng)不受xv的影響。

(a) 波幅數(shù)據(jù)

(b) 波長(zhǎng)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研制出一種轉(zhuǎn)閥控制式造波機(jī)控制系統(tǒng)，主要對(duì)造波控制系統(tǒng)中的伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的輸入控制、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸向位移輸入控制和系統(tǒng)供油壓力控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并對(duì)所研制出的轉(zhuǎn)閥控制式造波平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了造波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輸入控制參數(shù)對(duì)波幅的影響。分析結(jié)果表明：隨著供油壓力增大，波浪波高增大；其次，當(dāng)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移越大，波浪波高越大；波浪波長(zhǎng)主要受頻率的影響，上述結(jié)果為進(jìn)一步精確造波實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)支持和參考依據(jù)。研究表明，轉(zhuǎn)閥控制式造波系統(tǒng)易于生成調(diào)試不同波幅和波長(zhǎng)的規(guī)則波浪，使得進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作過(guò)程更為直觀簡(jiǎn)單，對(duì)于進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)研究以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范具有重要的參考價(jià)值。