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

在實驗水池中，實現(xiàn)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(shù)，除風(fēng)、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(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驗教學(xué)多是在水池中進(jìn)行，但是水池中的實驗需要動用大型儀器設(shè)備和較多的實驗人員，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)代的波浪生成實驗教學(xué)平臺是相關(guān)海洋工程專業(yè)實驗教學(xué)的熱點[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)的實驗設(shè)備用于實驗及教學(xué)。近些年來，很多國內(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、價格昂貴、結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜等缺點阻礙其在常規(guī)的波浪生成研究和實驗教學(xué)進(jìn)一步應(yīng)用[8]。國內(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臺，并對電液激振器的頻率特性和典型激振波形的實現(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實驗平臺。

1 造波實驗平臺的組成及控制系統(tǒng)

本造波機實驗平臺如圖1所示，由上位機控制系統(tǒng)、液壓泵站平臺、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 新型造波機實驗平臺

圖2 造波機電液控制系統(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；8-步進(jìn)電機；9-轉(zhuǎn)閥；10-伺服電機；11-雙作用液壓缸；12-電磁溢流閥；13-過濾器；14-油箱

轉(zhuǎn)閥的工作原理如圖3所示，閥芯有4個結(jié)構(gòu)相同的臺肩，閥芯通過聯(lián)軸器與伺服電動機連接控制閥芯的換向頻率，閥芯另一端通過與直線步進(jìn)電動機連接控制閥芯軸向位移，從而控制閥芯開口的大小以及流量。其中，閥口的設(shè)計是匹配對稱的，前臺肩對應(yīng)的閥口過流面積變化是從零到最大，然后從最大至零，隨后進(jìn)入后臺肩對應(yīng)的閥口過流面積變化，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，其另一臺肩軸肩上的另外一面閥口剛好打開，使閥始終保持一個工作狀態(tài)。

圖3 轉(zhuǎn)閥工作原理圖

由圖3可見，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。伺服電動機轉(zhuǎn)速的變化使得液流方向不斷換向、實現(xiàn)雙作用液壓缸往復(fù)頻率可調(diào)。在造波機中，通過調(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)電動機的軸向位移，調(diào)試生成規(guī)則波浪的波幅。

所設(shè)計的轉(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)過控制柜內(nèi)的SC主機處理后，分別發(fā)送信號給步進(jìn)電動機驅(qū)動器與伺服電動機驅(qū)動器，使電動機開始運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)閥內(nèi)的液壓油流向以及流速，以實現(xiàn)控制造波板移動。同時，安裝在油缸上的傳感器進(jìn)行實時讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，反饋給SC主機處理，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)計如圖5所示，主要由臺達(dá)觸摸屏DVP-B07S410、臺達(dá)DVP-SC主機、臺達(dá)06AD模塊、臺達(dá)ASDA-B2伺服電動機驅(qū)動器、海頓直線步進(jìn)電動機驅(qū)動器DCM4010、開關(guān)電源、Temposonics-EH型傳感器等組成。觸摸屏編程為臺達(dá)DOP，主機為WPL。轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板的設(shè)計如圖6所示。在觸摸面板“直線步進(jìn)電動機操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉(zhuǎn)閥閥口開度數(shù)值，按“位移”按鈕即可將實際轉(zhuǎn)閥閥口開度調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來回運動的位移。在觸摸面板“伺服電動機操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速數(shù)值，按“伺服電動機”按鈕即可將實際轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來回運動的頻率。液壓缸(造波板)實際位移情況將會在觸摸面板的左側(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-開關(guān)電源；2-DCM4010步進(jìn)電動機驅(qū)動器；3-繼電器；4-PLC-SC主機及模塊；5-臺達(dá)觸摸屏；6-電源指示燈；7-電源開關(guān)按鈕；8-熔斷器；9-ASDA-B2伺服電動機驅(qū)動器

圖6 轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板圖

上位機控制柜的硬件設(shè)計如圖7所示，內(nèi)包含一臺工控機，PLC-SV主機，2個DVP06AD模擬量模塊，2個開關(guān)電源，交流接觸器，中間繼電器，220 V空開，380 V空開等。具體設(shè)計操作過程為，首先打開控制柜外壁上380 V的空開，給整個設(shè)備供電，再打開220 V空開給控制柜內(nèi)各種負(fù)載供電，然后依次打開工控機，液壓泵站，轉(zhuǎn)閥裝置控制柜等。并且，所設(shè)計的上位機控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)整個實驗平臺系統(tǒng)壓力。

圖7 上位機硬件

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

圖8 LabVIEW操作頁面及程序

2 造波實驗應(yīng)用與分析

利用上述造波機所設(shè)計的控制系統(tǒng)，本實驗平臺可通過改變造波裝置的液壓系統(tǒng)供油壓力、造波板板來回運動的位移和頻率造出不同形式的規(guī)則波。如圖9所示為造波實驗現(xiàn)場圖以及采集到的不同波高和波長的規(guī)則波，實驗平臺生成的規(guī)則波波形可通過高速攝像機拍攝保存來進(jìn)行各方面參數(shù)讀取和分析。

圖9 造波實驗現(xiàn)場圖

通過改變控制系統(tǒng)中輸入的控制參數(shù)，可以比較觀察各個輸出的規(guī)則波波形參數(shù)(波幅和波長)的變化。在搖板造波波幅實驗方面，如圖10(a)所示為關(guān)于規(guī)則波波幅大小的造波實驗數(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機工作頻率為1.5 Hz的情況下，改變上位工控機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)電動機位移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)電動機位移大小不變時，波幅會隨著系統(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，波幅會隨著直線步進(jìn)電動機位移數(shù)值的增大而增大。在搖板造波波長實驗方面，如圖10(b)所示為關(guān)于規(guī)則波波長大小的造波實驗數(shù)據(jù)圖，結(jié)合給定水深為0.5 m和由上位工控機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機工作頻率大小和直線步進(jìn)電動機位移大小，觀察記錄所形成規(guī)則波波長的數(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)電動機位移不變時，波長隨頻率的增大而減?。划?dāng)頻率不變時，波長不受xv的影響。

(a) 波幅數(shù)據(jù)

(b) 波長數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

本文研制出一種轉(zhuǎn)閥控制式造波機控制系統(tǒng)，主要對造波控制系統(tǒng)中的伺服電動機的轉(zhuǎn)速的輸入控制、直線步進(jìn)電動機軸向位移輸入控制和系統(tǒng)供油壓力控制進(jìn)行了設(shè)計和應(yīng)用，并對所研制出的轉(zhuǎn)閥控制式造波平臺進(jìn)行了實驗研究，分析了造波實驗平臺輸入控制參數(shù)對波幅的影響。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)電動機位移越大，波浪波高越大；波浪波長主要受頻率的影響，上述結(jié)果為進(jìn)一步精確造波實驗提供了技術(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)試不同波幅和波長的規(guī)則波浪，使得進(jìn)行研究和實驗教學(xué)操作過程更為直觀簡單，對于進(jìn)行水動力學(xué)研究以及教學(xué)實驗示范具有重要的參考價值。