開題報(bào)告--- 搖板式造波機(jī)液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　搖板式造波機(jī)液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　開題報(bào)告</b></p><p>　　一、課題來源、目的、意義、國內(nèi)外基本研究概況</p><p><b>　　1.1課題來源：</b></p><p>　　課題為實(shí)驗(yàn)室的改造項(xiàng)目，目的是通過本次設(shè)計(jì)工作，獲得必要的

2、理論依據(jù)，為以后的工作奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2 課題目的、意義</p><p>　　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。</p><p>　　在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，研究船舶在波浪中的航行及運(yùn)動性能;在碼

3、頭、堤壩等水利工程中， 研究其測試及抗波浪能力;在海上石油開采中，分析海上鉆采設(shè)備對海浪的抗疲勞性能，以及在休閑娛樂業(yè)供游客參與波浪戲水游樂活動等，都需要進(jìn)行波浪相關(guān)的試驗(yàn)。造波機(jī)是一種與船舶試驗(yàn)水池配套的基礎(chǔ)設(shè)施，它的作用是在船池中激起不同波長和波高的波浪，模擬實(shí)際波浪對船舶的影響，以測定各種技術(shù)數(shù)據(jù)，為船舶設(shè)計(jì)提供依據(jù)。近年來大型水上娛樂場也大量使用造波機(jī)造出人工海浪，使內(nèi)地人們也享受到在大海中游泳的樂趣，因此這又開拓了造波機(jī)的新用

4、途。</p><p>　　國內(nèi)船舶研究單位擁有幾十座各種造波裝置，海岸工程研究單位擁有一百多座大小不同的造波裝置。為了提高造波精度和模擬不規(guī)則波，其中大部分造波機(jī)面臨改造的任務(wù)。新的研究項(xiàng)目使新的大型造波項(xiàng)目不斷出現(xiàn)，其中不乏重金從國外引進(jìn)。國內(nèi)對造波機(jī)做過許多的研究，已有相當(dāng)?shù)乃剑e累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，但在新技術(shù)日新月異的今天，與國外造波水平仍有明顯的差距，這種差距主要表現(xiàn)在對造波機(jī)的系統(tǒng)控制上。</p&g

5、t;<p>　　造波是一門綜合科學(xué)技術(shù)。它涉及到波浪理論、自動控制理論、海洋學(xué)、機(jī)械原理、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種學(xué)科?，F(xiàn)在，高新技術(shù)的快速發(fā)展，為造波技術(shù)的進(jìn)一步提高提供可能。</p><p>　　因此，本文的研究具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展情況</p><p>　　國外很早就以經(jīng)開始了造波機(jī)及造波技術(shù)的研究

6、工作。建于1956年，1957年正式投產(chǎn)的荷蘭瓦格寧根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，該水池長100米，寬24.5米，深2.5米。采用搖板式蛇形造波機(jī)，搖板高1.4米，寬0.6米，搖動鉸鏈位于水下1.15米，共有158塊搖板，搖板每分鐘擺30--60次，產(chǎn)生的波長為1.5-6米。美國泰勒水池建于1958年，水池為矩形，主尺度為110×73×6米。造波機(jī)采用空氣式造波機(jī)，其功率指數(shù)在最大負(fù)荷時為2500馬力，造波范

7、圍波長為0.92-12.2米，波高為0.01～0.06米，可對長峰不規(guī)則波及短峰波進(jìn)行模擬。英國哈斯拉水池，建于1957年，1962年正式投產(chǎn)，安裝有沖箱式造波機(jī)，可造長峰波規(guī)則波和不規(guī)則波。美國斯帝文森水池，裝有沖箱式造波機(jī)，可造長峰規(guī)則波和不規(guī)則波。日本三鷹露天水池，裝有搖板式造波機(jī)，可造波長為0.7米，最大波高0.4米。</p><p>　　我國從上世紀(jì)50年代開始造波水池方面的研究工作，最初是從規(guī)則波(正

8、弦波)開始研究。50年代初，中國第一臺規(guī)則波造波機(jī)研制成功。70年代，我國造波系統(tǒng)逐漸采用模擬信號裝置來控制。70年代末大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用引進(jìn)的“CROMEMC”微機(jī)作為控制機(jī)，研制了國內(nèi)第一臺不規(guī)則波造波機(jī)—調(diào)頻式造波機(jī)，因其機(jī)械慣性較大，僅能模擬一些簡單的波譜。80年代初期，我國第一臺不規(guī)則波造波機(jī)安裝在南京水利科學(xué)研究院水池。90年代以后，逐漸開始采用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行造波研究。</p><

9、;p>　　20世紀(jì)80年代以后，國際上建造的造波機(jī)都向具有生成規(guī)則波、二維不規(guī)則波和三維不規(guī)則波的造波能力方向發(fā)展。</p><p>　　二、預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案及主要措施</p><p><b>　　2.1.預(yù)期目標(biāo)：</b></p><p>　　通過認(rèn)真學(xué)習(xí)造波理論和造波機(jī)的工作原理，在選擇其驅(qū)動方式為液

10、壓驅(qū)動的情況下，完成對搖板式造波機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。理論設(shè)計(jì)完成后，為得到控制系統(tǒng)的最優(yōu)化，最大化的提高造波精度，采用工程系統(tǒng)仿真高級建模平臺AMESim進(jìn)行仿真，以便能模擬出在試驗(yàn)中所要求和實(shí)際情況最接近的海面波浪。</p><p>　　2.2關(guān)鍵理論與技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　2.2.1造波機(jī)的形式</p><p>　　造波機(jī)的造波形式多種多樣，迄今為止有如

11、下幾種:</p><p>　　1.搖板式。通過機(jī)械驅(qū)動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產(chǎn)生波動。搖板的擺動幅度控制波高，波長和周期則由擺動頻率來確定。</p><p>　　2.活塞式?；钊接址Q為推板式。通過連桿驅(qū)動設(shè)在水槽中一端的活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，使池中水產(chǎn)生波動。波高取決于活塞的沖程，波長則取決于往復(fù)的頻率。</p><p>　　3.沖箱式。造波部件為斷面呈特殊形狀

12、的箱體。通過該部件沿垂直水面方向作往復(fù)運(yùn)動達(dá)到造波的目的。</p><p>　　4.轉(zhuǎn)筒式。轉(zhuǎn)筒式則是通過設(shè)置在水面的圓柱體繞偏心軸旋轉(zhuǎn)使水產(chǎn)生波動。</p><p>　　5.氣壓式。氣壓式是利用氣壓的變化來產(chǎn)生水面波動。如負(fù)壓提升法，也可以是通過鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體作為擾動源，通過改變氣壓的大小改變波高，氣量的大小改變波長。</p><p>　　目前搖板式造波機(jī)和

13、推板式造波機(jī)為應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)檫@兩者具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、便于維護(hù)的特點(diǎn)。搖板式造波機(jī)一般應(yīng)用于深水域造波，而推板式造波機(jī)一般運(yùn)用于淺水域造波。造波機(jī)的種類繁多，但由于搖板式造波系統(tǒng)具有質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)時控制等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在深水中造波。因此，此系統(tǒng)中，我們就采用結(jié)構(gòu)簡單、能產(chǎn)生各種浪譜、性能優(yōu)越的搖板式造波</p><p>　　2.2.2搖板造波理論：</p><p>　　目

14、前常用的波浪理論是微幅理論和有限振幅斯托克斯波理論，由它們推出的深水波理論、中等水深波理論、淺水波理論則是相關(guān)的造波特性研究的理論基礎(chǔ)，在這些基礎(chǔ)上才能了解各種水深條件下的波浪特性和差異，了解不同水深條件下的波浪特性和差異，了解不同水深情況下造波的難易，以及掌握造波性能標(biāo)準(zhǔn)的尺度。而搖板造波理論則是建立在微幅波理論的基礎(chǔ)上，是微幅波理論在實(shí)際方面的一個應(yīng)用。</p><p>　　圖1.搖板式造波機(jī)及其參數(shù)示意圖&

15、lt;/p><p>　　圖1為搖板造波的參數(shù)示意圖。設(shè)水深為h；造波板水面下垂直深度為l;水面處搖幅為E;造波板以振幅A來運(yùn)動產(chǎn)生波浪;設(shè)波浪高度為h；波長為λ，周期為T。波浪傳播方向設(shè)為正，x軸與水池底部平面重合，y軸與造波板的處在垂直位置時重合，且方向向上。搖板上不同水深處搖板的搖幅e，是y的函數(shù)。從微幅波理論出發(fā)，可推導(dǎo)搖板造波的理論公式：</p><p>　　這就是波高和沖程的關(guān)系。&

16、lt;/p><p>　　2.2.3造波機(jī)驅(qū)動方式</p><p>　　一般造波機(jī)的驅(qū)動方式有三種:電機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適用范圍不同。</p><p>　　☆電機(jī)驅(qū)動。其優(yōu)點(diǎn)是:體積小，電機(jī)啟動容易，控制性能好，快速響應(yīng)能力強(qiáng)且無污染;其缺點(diǎn)是:力矩輸出較小，負(fù)載能力較弱，如果要過得很大得輸出功率，電機(jī)得質(zhì)量和體積都會很大。電機(jī)驅(qū)動和其它形式相

17、比，在高速、高精度、小型節(jié)能方面更能滿足要求，因而在輕載情況下，國內(nèi)外采用電機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)比較多。</p><p>　　☆氣壓驅(qū)動。氣動系統(tǒng)以空氣為介質(zhì)，相應(yīng)速度快，且空氣可直接從大氣中獲得，又可排放到大氣中，不需要回流系統(tǒng)，與液壓系統(tǒng)相比，氣動系統(tǒng)構(gòu)成簡單、價格便宜，但工作壓力低，因而承受能力低，定位剛度也低。工作載荷在幾百牛頓時，啟動系統(tǒng)比較有效。 </p><p>　　液壓驅(qū)動。

18、液壓傳動雖然油液易泄漏，但輸出力矩大，負(fù)載能力強(qiáng)，一個體積與能搬送14～23kg載荷低氣動或電動系統(tǒng)相當(dāng)?shù)鸵簤合到y(tǒng)，就可搬送130～140kg的負(fù)載，而且還有電動系統(tǒng)相當(dāng)?shù)途群晚憫?yīng)速度。另一方面，液壓系統(tǒng)的油液能起到對運(yùn)動部件潤滑的作用，并通過油液低流動把熱量帶走，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低自冷卻，以延長元件和系統(tǒng)的使用壽命。采用液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)還可以得到很大的速度范圍，其低速特性比電動機(jī)要好，當(dāng)液壓執(zhí)行器泄漏較小時，液壓彈簧剛度大，因而閉環(huán)系統(tǒng)的定位剛

19、度較大，位置誤差比較小。另外，利用液壓系統(tǒng)的集成回路可以把液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)得相當(dāng)緊湊，減少系統(tǒng)所占空間。</p><p>　　國內(nèi)使用的造波機(jī)，其動力是電動機(jī)，由于電動機(jī)有啟動過程，產(chǎn)生一個消波器很難消除的波長，疊加在要求試驗(yàn)的波浪中，為改善規(guī)則波質(zhì)量，采用零點(diǎn)啟動裝置是一個辦法。其他如使曲柄連桿機(jī)構(gòu)之比大于8，可保證其動點(diǎn)接近正弦運(yùn)動，但是最終解決辦法還是采用液壓驅(qū)動裝置比較理想。</p><p