基于LabVIEW的水槽造波机控制系统的开发

２００８年８月

第４期总第１８２期

港工技术

ＰｏｒｔＥｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ａｕｇ．２００８

７ＩＩｏｔａｌ１８２Ｎｏ．４

基于ＬａｂＶＩＥＷ的水槽造波机控制系统的开发

白志刚，张志显，路宽

（天津大学建筑工程学院。天津３０００７２）

摘要：以天津大学海岸工程实验室长×宽×高＝９０ｍ×２ｍ×１．８ｍ的双轴推板式波浪水槽为对象，开发基于【ａｂＶＩＥＷ的造波机控制系统。该系统包括造波计算、运动控制、状态监视以及数据采集等部分，实现在水槽造波机上的多轴同步控制。该系统可以实现多种规则波和不规则波的模拟，具有友好直观的人机界面。操作方便。对于虚拟仪器技术及ｈｂＶＩＥＷ在造波机控制领域的应用具有重要意义。

关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；造波机；运动控制

中图分类号：Ｐ７４２：０２４２．１文献标志码：Ａ文章编号：１００４．９５９２（２００８）０４加００１。０４

ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦｌｕｍｅＷａＶｅｍａｌ【ｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶⅢＷ

ＢａｉＺｈｉｇａｎｇ，ＺｈａｎｇＺｈｉｘｉａｎ，ＬｕＫｕａｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉ词Ｅｎ函ｎ∞一Ｉｌｇ。ＴｉａｎｊｉｎＵＩｌｉＶｅｒｓ时，Ｔｉａｎｊｉｎ３０∞７２。Ｃｌｌｉ衄）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｎｕａｌｉｎｓｔｍｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｗａｖｅ眦ｋｅｒ；ｍｏｔｉｏｎｃｏｎ咖ｌ

模型试验是研究港口、船舶、海岸及海洋工程结构物在波浪作用下的运动、受力和安全性等问题的重要方法．要进行这种试验，就必须在水槽或水池中模拟海洋环境条件。其中海浪的模拟是最主要的因素【１１。因此，能够在水槽或水池中模拟实际海浪的造波系统是与试验水槽或水池相配套的大型基础设备。完整的造波系统不仅包括完备的硬件设施，还包括完善的控制系统软件。控制系统软件是整个造波系统的灵魂，它直接决定了造波类型、造波精度、造波控制的人性化程度。

传统的造波机控制系统常常采用ＦＯＲＴＲＡＮ和ＶＣ、Ｄｅｌｐｈｉ等语言混合编程来实现嘲。这种方法利

收稿日期：２００ｒ７ｍ１．３０修回日期：２００８－０５・３０

作者简介：白志刚（１９６６．），男，副教授，主要从事海岸水动力学数学模型研究。用了ＦＯＲＴＲＡＮ在数据计算方面的强大优势进行造波计算，并生成动态链接库或可执行文件；然后用ＶＣ或Ｄｅｌｐｈｉ编程调用这些动态链接库或可执行文件。并编制运动控制程序以及用户界面。这种方法存在以下不足：１）用户界面不够友好，操作性差；２）至少需用２种语言，存在语言交接问题，编程较麻烦；３）可实现的控制和测量功能偏少。采用基于ＬａｂＶＩＥＷ的造波机控制系统则克服了以上问题。

【ａｂＶＩＥＷ是１９８６年美国国家仪器公司（ＮＩ公司）。随同虚拟仪器技术一起推出的一种图形化的编程语言。在数据采集控制方面。协ＶＩＥＷ是一个功能强大的工具，它不仅具备强大的计算能力，可以方便地编制测控程序，而且可以生成友好直观、操作简便的用户界面。ｍＶＩＥＷ是一种语言。具有既可胜任造波控制系统所有程序的编制。而且还可实现其

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・２・港工技术２００８年第４期

他语言不便实现的功能舢］。

１造波机组成及工作原理

天津大学港口与海岸工程实验室．新建了一个长９０ｍ，宽２ｍ，深１．８ｍ的造波水槽。该水槽造波系统采用ＮＩ公司生产的ＰＣＩ一７３４２型运动控制卡装配主控计算机，采用２块造波板由２台交流伺服电机驱动来实现同步控制。

众所周知，只要给水面扰动，水面就会产生波浪。这种扰动如果是周期性的，则在水面上产生规则的、具有和扰动相同周期的波浪（如余弦波）；如果是非周期性的，则产生不规则的波浪。以造不规则波为例，推板式造波机的工作过程如下：

１）选定波浪类型，给定波浪参数，生成目标谱；

２）通过特定函数的转换，把波浪目标谱转换成造波板的驱动谱：

３）通过频域到时域的转换，生成造波板位置时序列。以上３步都在计算机上完成；

４）计算机通过编制的软件，把造波板位置时序列交给运动控制卡；

５）控制卡按给定的位置时序列，生成运动轨迹，并通过电压脉冲信号发给伺服驱动器：

６）伺服驱动器直接控制电机，按控制卡给定的信号转动，从而带动造波板产生期望的波浪；同时电机编码器把电机的转动情况反馈给运动控制卡，从而实现闭环控制。

２造波计算模块

控制系统软件设计的过程中，可以采用模块化设计。ｊ按照功能不同，采用以下４类模块：

造波计算、运动控制、运行状态监视以及波浪参数统计模块。

以模拟Ｐ—Ｍ谱（一种不规则波）为例，介绍造波计算模块设计思路同。

Ｐ—Ｍ谱造波计算可分为谱的生成、谱的转换以及谱到时序列等几个步骤。

１）谱的生成

Ｐ—Ｍ谱的计算公式表示为

ｓ（咖等ｅｘｐ（－器）’（１）其谱峰频率为

∞庐１．２５３／、／见。（２）在式（１）中把圆频率∞离散化，取１００个离散点。下限取谱峰频率的０．３～０．５倍，上限取谱峰频率的３￣４倍，然后给定有效波高既可得到目标谱。在ＬａｂＶＩＥＷ环境中。可以通过公式编辑子ＶＩ来编辑式（１）和式（２）。

２）谱的转换［８，９］

得到波浪目标谱后，需进行谱的转换，将其转换成造波板的驱动谱，其转换公式为

＆（∞）＝＆（∞）／Ｉｒ（∞）１２，（３）式中ｒ（∞）为造波机的传递函数。

３）谱到时序列

得到造波板的驱动谱之后．通过从频域到时域的转换，既可得到造波板位置时序列。通常使用的转换方法为线性波浪叠加法。由谱到时序列的计算公式为

肘一

叼（￡）＝∑、／２ｓ聊（五）幽ｉｃｏｓ幽＋占Ｊ。（４）ｌ＝１

以上３步骤运用协ＶＩＥＷ实现。见图１。

图１造渡计算前面板

３运动控制模块

运动控制模块的主要任务是执行上面产生的造波板位置时序列。它可分为２部分：工作和调整。工作模块负责执行造波；调整模块包括前进、后退以及回零调整．是为正式造波作准备【１０１。运动控制模块运用ＬａｂＶＩＥＷ实现，见图２。

１）工作模块程序流程

正式造波前，必须确定造波板在零位置，否则可能发生超行程的危险。为了防止这种危险，本模块特意作了在造波开始之前先检查造波板是否在零位的设计，如果不在，则不进行造波；同时，造波之前，也必须把编码器清零，如果不清零，驱动器使能后，不仅使机械受到极大冲击，而且也有超行程的危险；其次。因为本水槽使用了２台电机，在造波之前应使它们同步，造波之后，由于可能会进行单轴操作，所以

应取消同步；最后，应在造波之前一时刻，使伺服驱

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