圓形水池造波機系統設計及聚焦波研究

陳俊 王磊 林俊 徐奕蒙 王天奕 郭澤斌 林柏涵

摘? 要：該文介紹了國內首個圓形水池造波機平臺，該平臺為筆者所在研究院自主研發產品，目前在國內擁有技術領先性和唯一性。該造波機平臺整體結構為圓形，采用推板式造波方式，控制系統采用基于EtherCAT總線的多軸運動控制系統。該水池除了能模擬常規波浪外，還能在圓形水池內模擬出強非線性波與類似字符的波面，生成各種不同全向波浪，相較于傳統的矩形波浪水池，其對方向波浪具有優越的適應性，特別是生成三維全向孤立波、聚焦波方面能力突出。鑒于此，該文給出了基于聚焦波理論的初步研究結果，其成果證明了圓形水池造波機模擬極端海況的能力，可開展深遠海海洋技術裝備的可靠性與生存性試驗。

關鍵詞：圓形水池? ?造波機? ?EtherCAT? ?聚焦波? ?極端波浪

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（c）-0043-05

Design of Wave Maker System in Circular Tank and Research on Focused Wave

CHEN Jun? ?WANG Lei? ?LIN Jun? ?XU Yimeng? ?WANG Tianyi? ?GUO Zebin? ?LIN Baihan

（Pearl River Water Resources Research Institute， Pearl River Water Resources Commission of? Water Resources， Guangzhou， Guangdong Province， 510611 China）

Abstract： This paper introduces the first circular pool wave maker platform in China. The platform is a product independently developed by the author's Research Institute. At present， it has technology leadership and uniqueness in China. The overall structure of the wave maker platform is circular， the push plate wave making mode is adopted， and the control system adopts the multi axis motion control system based on EtherCAT bus. In addition to simulating conventional waves， the tank can also simulate strong nonlinear waves and wave surfaces with similar characters in a circular tank to generate various omni-directional waves. Compared with the traditional rectangular wave tank， it has superior adaptability to directional waves， especially its ability to generate three-dimensional omni-directional solitary waves and focused waves. In view of this， this paper presents the preliminary research results based on the focused wave theory， which proves the ability of the circular pool wave maker to simulate extreme sea conditions and can carry out the reliability and survivability test of far-reaching marine technical equipment.

Key Words： Circular tank; Wave maker; EtherCAT; Focused wave; Extreme wave;

針對當前我國建設海洋強國的戰略需要，應加快推動海洋科技創新。深海蘊藏著豐富的資源，是人類未來發展的藍色空間，也是國家長遠發展的戰略新疆域。海洋深水工程技術與設備研發創新需要極端工況波浪水池做技術支撐平臺。目前我國已有水池類型眾多，包括海洋工程水池、船舶拖曳水池、波流動床渾水港池等，可以模擬大多數應用場景下的海洋環境[1]。然而，面對深海復雜的風浪流海洋環境條件，我國現有水池還無法模擬相應海洋極端工況，因而無法完成海洋技術裝備在極端海洋環境下的可靠性驗證試驗。而圓形波浪水池可與現有的各類水池形成良好的互補性，模擬海洋能源裝備、水下機器人、海洋平臺等在極端海況下的性能測試，極大縮短了海試周期，加快技術裝備的開發;能夠有效提升我國的海洋裝備試驗能力，優化提升海洋技術裝備在極端海洋環境條件下的生存能力。因此，為了加強深海波浪研究，建造一套深海波浪模擬平臺已迫在眉睫。

1? 圓形水池造波機平臺

區別于淺海波浪，在深海區波浪是全向作用于研究對象的。因此深海波浪模擬需采用圓形波浪水池，波浪模擬裝置也需360度布置。目前，圓形波浪水池全球僅在英國愛丁堡大學和日本國家海事研究所有建設，在國內擁有技術領先性和唯一性。因此，筆者所在院在佛山里水試驗基地建設了一座小比尺的圓形波浪水池（如圖1所示），用于在深遠海區域（如南海）的波浪模擬技術的前期研究，可利用圓形波浪水池和全向波浪合成技術模擬幾乎所有極端波浪條件，進而可以極大縮短海洋技術裝備研發周期，實現快速原型設計與優化，有利于以更快速、更經濟、更低風險的方式實現海洋技術裝備的高效開發與可靠利用;有利于把科研轉換成先進生產力，實現創新驅動發展，進一步提升該院在波浪測控領域的品牌效應，奠定該院在造波機領域的國內領先地位。

考慮到科學性、先進性和實用性，建造的圓形水池造波機平臺直徑6 m，有效直徑4.6 m，最大工作水深0.3 m，造波單元數量為32，造波板單板寬度為0.5 m（包含縫隙），每個造波單元加裝板前波浪監測傳感器，滿足全向主動吸收式造波平臺的硬件要求。

2? 造波控制系統設計

圓形水池造波機控制系統架構圖見圖2。

圓形水池造波機控制系統主要包括以下7個部分：

（1）應用軟件。用于計算產生期望的推板運動過程。

（2）運動控制器。用于接收應用軟件傳來的目標位置，將其轉換為電壓信號傳給電機的伺服驅動器[2]。

（3）伺服驅動器。用于接收來自運動控制器的電壓信號，并將其轉換為驅動電機需要的電流。

（4）伺服電機。在伺服驅動器控制下提供足夠的扭矩使造波推板運動期望的距離。

（5）滾珠絲杠+推板。滾珠絲杠將電機旋轉運動轉為直線運動，進而使推板在電機作用下完成造波運動過程。

（6）反饋設備。對于伺服電機反饋設備通常是個積分編碼器，用來感應電機的位置并通知運動控制器，形成一個閉環的運動控制系統[2]。

（7）板前波高采集系統。滿足無反射造波需要。

3? 推板式造波裝置設計

單個推板式造波單元機械裝置結構圖見圖3。

由造波機框架、前限位開關、滾珠絲杠、方形導軌、滑塊、推波板及框架、零位開關、后限位開關、造波機安裝板、伺服電機、板前波高儀等組成。限位開關又稱為位置開關，被用來限制推板的位置或行程，使推板按一定位置或行程自動停止;每個造波單元都安裝有零位開關，具有零位檢測與控制功能，通過下位機可以實現對推板位置的精確定位。推板式造波機模擬波浪的原理是電機的驅動器接收運動控制器發出的控制信號，驅動電機旋轉，滾珠絲杠將電機旋轉運動轉為直線運動，從而帶動推波板做有規律的前后往復運行，即造波運動。

4? 網絡通信單元設計

在伺服運動控制領域，運用較多的網絡通信結構有CAN總線、SynqNet總線和EtherCAT總線。通過比較3種總線的特點，此次圓形水池造波機系統采用EtherCAT總線性結構。EtherCAT是由德國Beckhoff公司于2003年提出的實時工業以太網技術。EtherCAT工業以太網以其高速的通信速率、高度的實時性能、靈活的拓撲機制、精確的同步性能等多項技術優勢，在工業領域內得到了廣泛的應用。EtherCAT的主要特點是高效率、刷新周期短、同步性能好、兼容性強[3]。

按照此方案設計了圓形水池造波機系統網絡結構，見圖4所示。中央監控主機與運動控制器之間通過以太網相連，運動控制器下轄11臺伺服驅動器，每臺驅動器可帶3臺伺服電機，共32臺伺服電機，運動控制器與11臺伺服驅動器之間通過EtherCAT網絡相連，每16臺驅動器安裝在一個控制柜內，共2個控制柜。

5? 造波系統應用軟件設計

系統軟件分為兩個部分：中央監控主機軟件和運動控制軟件。中央監控主機軟件是基于Windows 7 64位系統，采用VC++2010高級語言開發平臺;運動控制軟件是基于Windows 7 32位系統，采用TwinCAT開發平臺;二者之間的通信是通過ADS進行數據交換。

5.1 中央監控主機軟件

中央監控主機軟件采用VC++2010高級語言開發平臺，采用模塊化的設計方法對中央監控主機軟件進行設計。該軟件包括波列數據生成模塊、ADS通信模塊、遠程控制模塊、異常處理模塊、數據傳輸模塊、圖形化顯示模塊、數據采集及儀器率定模塊和數據分析模塊等。中央監控主機軟件流程圖見圖5。

中央監控主機軟件具體設計思路如下：

程序初始化完成后，便進入ADS通訊模塊，通過特定的NetID+Port建立與運動控制軟件之間的連接，并實時檢測TwinCAT狀態，如果檢測到其狀態為ADSSTATE_RUN，說明TwinCAT程序正常運行;然后進入波浪數據生成模塊，生成所需要的波列數據，這些數據本質上是所有推波板的位置坐標;造波數據生成后，進入數據傳輸模塊，通過以太網將數據發送到運動控制器;在開始造波前，系統通過異常處理模塊，檢測各造波機是否處于IDLE（正常）狀態，如果存在不正常狀態，可通過復位功能，使所有造波機都處于IDLE狀態;數據傳輸完成，便可控制運動控制器進行造波試驗。在整個造波過程中，運動控制器實時發送造波機狀態給中央監控主機軟件，一旦發生異常情況，立即停止造波，中央監控主機根據具體的異常情況進行處理，待故障解除后方可進行后續試驗。

5.2 運動控制軟件

運動控制軟件具體設計思路如下：

程序初始化完成后，等待中央監控軟件的連接;當網絡連接建立完成后，進入造波數據接收模塊，開始接收數據。造波模塊將接收到的數據發送到對應的驅動器，進而控制電機運動。在整個過程中，造波機的復位、回參、裝載凸輪表、開始造波、停止造波等指令都是通過中央監控軟件來控制。運動控制軟件流程見圖6。

6? 聚焦波模擬研究

圓形水池造波機一個最主要的功能就是模擬深海極端波浪。極端波浪包括“典型”極端波浪和“畸形”極端波浪兩種。“典型”極端波浪基于微幅波理論，將復雜的波浪變化用一種單一頻率的波動來代表，水面上任意一點都將隨時間做簡諧形式的振蕩，一般可以用余弦曲線或者正弦曲線來表示這一波動;“畸形”極端波浪基于線性疊加理論，將海浪看作是由大量的具有不同波高、不同周期和不同初相位的余弦波疊加而成，通過各種方式使大量的具有合適相位和方向的余弦波疊加可以產生極端大波[4]。

而聚焦波是產生“畸形”極端波浪的主要方法。生成聚焦波的基本思路為：在空間與時間的某一固定點（聚焦點）處，所有組成波均以零相位疊加，從而在該點處形成一個極高的波峰，從分析這個疊加點出發，反推得到造波板的位移曲線[5]。

空間波列時程可由波列頻譜離散形式的Fourier反變換得到[6]，即：

（1）

式（1）中：為生成聚焦波所用的頻譜，為圓頻率離散點，其中N為采樣點的個數;Δω=2π/（NΔt），為采樣周期，為采樣時間間隔。Fourier反變換時取個頻率間隔，kj為第j個組成波的波數，滿足線性彌散關系;為時間離散點;為空間離散點;為聚焦點的空間與時間坐標。式中Fourier反變換包含了幅值頻譜及相位分布2個重要信息。在波浪的傳播過程中，幅值譜是不隨位置變化的，相位分布及波列形狀隨空間位置變化而變化。在聚焦點處，所有組成波疊加為一個單獨的波峰點。為在時歷上聚焦，式中的Fourier反變換應在時間上做的平移，以使各組成波的相位在[0，π）范圍內變化。這樣便得到聚焦位置處的波列時程，即：

（2）

從聚焦點出發，將上式Fourier反變換轉換到造波板位置處，即得到造波板前的波列時程[7]：

（3）

基于造波機的頻率響應函數，即可得到生成瞬態波時推板行程的過程曲線[8]：

（4）

依據上述聚焦波理論，在矩形水池波浪模擬算法的基礎上，實現一種全向波浪模擬合成算法，筆者做了大量實驗，最終得到比較理想的聚焦波成果，其中最典型的兩種聚焦波見圖7和圖8所示，其中圖7是尖峰聚焦波，證明圓形水池造波機模擬極端海況的能力，圖8是字母“D”波形，證明了該院聚焦波波浪算法的研發能力。

5? 結語

該文介紹了國內首個圓形水池造波機平臺，該平臺為筆者所在研究院自主研發產品，目前在國內擁有技術領先性和唯一性。該造波機平臺整體結構為圓形，采用推板式造波方式，控制系統采用基于EtherCAT總線的多軸運動控制系統。該水池除了能模擬常規波浪外，還能在圓形水池內模擬出強非線性波與類似字符的波面，生成各種不同全向波浪，相較于傳統的矩形波浪水池，其對方向波浪具有優越的適應性，特別是生成三維全向孤立波、聚焦波方面能力突出。鑒于此，該文給出了基于聚焦波理論的初步研究結果，其成果證明了圓形水池造波機模擬極端海況的能力，可開展深遠海海洋技術裝備的可靠性與生存性試驗。

參考文獻

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[7] 王磊，李金宣，樣金鳳，等.三維聚焦波破碎相關特性的試驗研究——單頻聚焦[J].水道港口，2021，42（1）：22-28.

[8] 鄭澤宇.聚焦波在典型島礁斷面上傳播的水動力特性研究[D].大連：大連理工大學，2019.