面向窄带谱的造波机主动吸收技术研究

发布时间：2020-03-28 03:02

【摘要】：在海洋工程等领域的模型实验中,造波机作为产生波浪的重要仪器,旨在准确地模拟海浪,人类对造波机的研究、造波理论的研究有着非常重要的意义。然而,与真实海洋环境相比,实验室多在水槽或者水池等封闭的环境内模拟海浪,存在二次反射问题,即造波板推出入射波,入射波遇到水槽壁或者结构物反射,反射波遇到造波板再次反射,此时产生二次反射波,之后多次反射,波浪环境已经被破坏,不光有目标波浪,还有多次反射波的干扰,这种情况下测得的实验数据必然是不准确的。因此,消除二次反射波具有非常重要的意义。为消除造波机与结构物间的二次反射波影响,可利用造波机在产生目标波的同时产生补偿波来消除二次反射波,该方法称为造波机主动吸收技术。本文首先介绍了造波理论、主动吸收理论、造波机的历史发展,介绍了推板式造波机主动吸收控制方程,推导了单频率的规则波的主动吸收控制方程;不规则波可以看作由多个频率的波叠加而成,使得其吸收控制方程不能在时域内求解,因此选择在频域内对其分析,将时域内的控制方程变换为频域下的控制方程,但是由于无法求出频域传递函数的解析解,只有数值解,不能用于主动吸收控制,因此采用滤波器拟合频域下的控制方程,代替其实现时域下的主动吸收控制。传统方式是采用全频域内的优化计算方法,而波浪频率主要分布在[0.5,2]Hz,并且单一波谱情况下根据其主频分布,波谱覆盖的频率范围更小,基本属于窄带谱范围,全频域优化计算不仅复杂而且繁琐,涉及到频率域内的所有传递函数校正。且当水深变化后仍需做同样的工作。本文采用最小均方自适应(LMS)算法,可根据时域数据并针对该数据本身频率范围计算控制参数,将LMS算法计算得到的传递函数拟合值与理论值作对比,经过误差分析,得出误差最小的抽头权值,然后导入有限长冲激响应滤波器中。通过Simulink模型仿真验证该方法所得控制参数在二维水槽中的主动吸收效果,不规则波仿真实验的结果显示该方法能够明显吸收二次反射波,该方法可极大提升效率和稳定性。本项目搭建了一套基于苞米勒控制下的主动吸收式造波机实验平台。上位机是一台工控机,上位机控制软件基于MFC开发,下位机包括苞米勒PLC02、伺服驱动器、伺服电机,下位机控制软件基于ProprogⅢ开发。工程项目在ProMaster中搭建控制,上下位机基于EtherCAT通信。此外为提高实验精度,本文对控制系统进行了延时补偿,平滑滤波、水动力传递函数修正等改进。最后,将基于LMS的主动吸收算法理论通过实验平台验证算法的有效性,实验表明窄带谱范围内,基于LMS算法的主动吸收控制系统吸收效果良好。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH766.22

【参考文献】