CN100501174C

CN100501174C - 高效合成射流激励器

Info

Publication number: CN100501174C
Application number: CNB2007101003666A
Authority: CN
Inventors: 张攀峰; 王晋军; 徐超军; 冯立好
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: CN101070867A

Abstract

本发明涉及一种通过改变驱动信号上下半周期的时间比而产生高效合成射流的高效合成射流激励器。该激励器包括控制系统和执行系统；该控制系统具体包括微型计算机，A/D转换卡，可编程控制器PLC；该执行系统具体包括伺服电机，对心曲柄机构，振动器，腔体；该控制系统产生一种高效激励信号，控制和监视激励器工作，而该执行系统接收控制系统所发出的指令，按照指令信号工作；该控制系统中引入控制电机运转的可编程控制器PLC，从而使对心曲柄机构具有急回特性，使得射流吹气过程缩短，吸气过程延长，进而可以产生高效合成射流。

Description

高效合成射流激励器

(一)技术领域：

本发明涉及一种高效合成射流激励器，属于流动传输和主动控制技术领域。

(二)背景技术：

合成射流是近十年来发展起来的一种新型主动流动控制技术。活塞或压电薄膜进行往返运动吹/吸气体，在腔体出口处形成一系列涡环/对，它们在向外扩展的过程中相互融合形成合成射流。其主要原理是在吹气周期内，腔体内流体在活塞或振动薄膜的压缩下在腔体出口处形成涡环/对，并在它们自身诱导作用下向远离腔体出口方向运动；而在吸气周期内，涡环/对距离腔体出口较远而不会被吸入到腔体中。它吹出的质量和吸入的质量相等，因此又被称为“零质量射流”和“自耦合射流”。它可以起到减小阻力、增加升力、加强掺混以及矢量控制等目的。与传统的吸/吹气流动控制相比，合成射流具有结构简单紧凑、重量轻、成本低、维护方便等诸多优点，在流体机械、飞行器流动分离部件、航空航天发动机上都有很好的应用前景，因而受到了众多研究者的广泛关注。传统合成射流激励器，不管采取什么形式(活塞式、压电薄膜等)，形成射流的激励信号一般都是标准的正弦函数。而从合成射流的形成机理来看，涡环/对得以离开孔口融合形成射流，主要是其诱导速度比较大，从而不会在吸气周期中被吸入到腔体中。基于这种特征，如果能在保持吹/吸气过程中体积流量不变的前提下，将吹气时间缩短、吸气时间延长(如图4中虚线所示)，势必可以减小吸气过程对涡环/对的影响，从而得到效率更高的合成射流。本发明正是基于这一考虑，提出了一种新的产生高效合成射流的激励信号。

(三)发明内容：

本发明一种高效合成射流激励器，其目的在于：研制一种高效的合成射流激励器，将射流吹气过程缩短，吸气过程延长，增强激励器涡量的输出，提高能耗比，以此解决合成射流在实际应用中功率不够或效率太低的问题。

本发明一种高效合成射流激励器，它包括：控制系统和执行系统；该控制系统具体包括微型计算机1，A/D转换卡2，可编程控制器PLC3；该执行系统具体包括伺服电机4，对心曲柄机构5(包括偏心圆盘9和连杆10)，振动器6，腔体7；该控制系统产生一种高效激励信号，控制和监视激励器工作，而该执行系统接收控制系统所发出的指令，按照指令信号工作。该控制系统中引入控制电机运转的可编程控制器PLC3，从而使对心曲柄机构5具有急回特性。

该高效合成射流激励器的具体连接方式为：微型计算机1通过A/D转换卡2与可编程控制器PLC3相连，可编程控制器PLC3连接伺服电机4，伺服电机4再通过对心曲柄机构5与振动器6相连，振动器6在腔体7内。这样就可以通过可编程控制器PLC3在微型计算机1上在线编程产生高效合成射流激励信号，该高效激励信号经过A/D转换卡2存储到可编程控制器PLC3，可编程控制器PLC3控制伺服电机4进行圆周运动，最后通过对心曲柄机构5将伺服电机4的圆周运动转化为振动器6在腔体7内的具有急回特性的往返运动。

可编程控制器PLC3控制伺服电机4做上下半周期时间比不等于1的转动，从而实现对心曲柄机构5的急回运动，形成高效合成射流。

振动器6为固定在腔体7上的弹性薄膜或可以在腔体7内壁往返运动的活塞。

腔体7设有腔体出口8，其形状为圆孔或细长缝。

本发明一种高效合成射流激励器，其优点和功效在于：

1、可编程控制器PLC3的引入使对心曲柄机构5具有急回特性，使得射流吹气过程缩短，吸气过程延长，以此提高合成射流形成涡环的输出涡量和平移速度，提高控制效率；

2、使用可编程控制器PLC3控制对心曲柄机构5，可以对激励器的控制效率进行调制(吸程/吹程时间比的调节)；

3、涡环速度的提高有利于清洁腔体出口附近的杂质，提高合成射流激励器的使用寿命；

4、本发明的振动器6根据控制部件的需要可以选弹性薄膜或与腔体7密封接触的活塞，推广了它的应用范围。

(四)附图说明：

图1是高效合成射流激励器的总体框图；

图2是激励器腔体剖面图；

图3是对心曲柄机构组成示意图；

图4是高效激励信号示意图；

图5是高效激励信号生成指令；

图6是高效合成射流激励器执行效果图；

图中具体标号如下：

a、控制系统 b、执行系统

1、微型机算计 2、A/D转换卡 3、可编程控制器PLC

4、伺服电机 5、对心曲柄机构 6、振动器

7、腔体 8、腔体出口 9、偏心圆盘

10、连杆

(五)具体实施方式：

请参阅图1，图2和图3所示，该激励器由两大部分组成：控制系统和执行系统。控制系统的作用是产生一种高效激励信号，控制和监视激励器工作，它具体包括微型计算机1，A/D转换卡2，可编程控制器PLC3。执行系统接收控制系统所发出指令，按照指定信号工作，它具体包括伺服电机4，对心曲柄机构5(包括偏心圆盘9和连杆10)，振动器6，腔体7。这两大部分的核心是控制系统，而控制系统的核心是可编程控制器PLC3，可编程控制器PLC3的引入成为该发明的核心技术。

该高效合成射流激励器的具体连接方式为：微型计算机1通过A/D转换卡2与可编程控制器PLC3相连，可编程控制器PLC3连接伺服电机4，伺服电机4再通过对心曲柄机构5与振动器6相连，振动器6在腔体7内。这样就可以通过可编程控制器PLC3将伺服电机4的圆周运动转化为振动器6在腔体7内具有急回特性的往返运动。

该高效合成射流激励器工作流程如下。利用可编程控制器PLC3可在线编程的特点，在微型计算机1上编写激励信号生成指令，该指令通过A/D转换卡2传送到可编程控制器PLC3，并完成在可编程控制器PLC3上的存储。这样就利用控制系统完成了高效激励信号的生成工作。当激励器需要运行时，利用微型计算机1控制可编程控制器PLC3开始执行该指令，可编程控制器PLC3将该指令传送到伺服电机4，伺服电机4开始运行做圆周运动，对心曲柄机构5中的偏心圆盘9与电机相连同样做圆周运动，连杆10的一端固定于偏心圆盘9的偏基上，另一端与振动器6相连，这样连杆10将在偏心圆盘9的带动下一端做圆周运动，与振动器6相连的另一端由于腔体7的导轨作用做往返运动，从而将伺服电机4的圆周运动转换为振动器6在腔体7的往返运动，腔体7内流体受到周期性的压缩，将会周期性的从腔体出口8中排出，从而产生了合成射流。我们利用可编程控制器PLC3系统改进了传统的激励信号，使它成为一种新的高效合成射流激励器。

可编程控制器PLC3是本发明的核心，它将微型计算机1和伺服电机4连接起来，从而可以在线编程生成一种高效的激励信号。传统的激励信号如图4的实线所示，该信号的特点是在一个周期内伺服电机4严格按照正弦信号工作，亦即对于每一周期，振动器6往返运动的时间一样，对于合成射流来说，流体从腔体7吹和吸的过程是一致的。而在可编程控制器PLC3作用下，驱动信号变为如图2所示的虚线形式，此时伺服电机4工作时上半周期和下半周期所占用的时间不等，它是对标准正弦激励信号的一种有效改进。值得注意的是，对于每个周期，信号从上半周期过渡到下半周期是缓慢的，并且有连续导数，实际操作具有可行性。将上半周期定义为振动器6的回程，亦即吸程；将下半周期定义为振动器6的进程，亦即吹程。该高效激励信号的基本特点是振动器6一个周期内的吸程时间大于吹程时间，亦即振动器6往返运动过程中的回程时间大于进程时间，表现为急回特性，从而，对心曲柄机构5在此信号的作用下成为急回机构，完成该高效激励信号的执行工作。在合成射流工作时，基于保持吹/吸气过程中体积流量不变的前提下，将吸气过程延长，吹气过程缩短，势必可以提高射流的出口速度，减小激励器在吸程对合成射流的卷吸。

图5是高效激励信号生成指令，它是由微型计算机1上的可编程控制器PLC3专用驱动软件编写完成。该指令(Fxl文件)生成后，并不能直接运行，必须通过驱动软件的“on line”命令转化为Tag文件，然后通过A/D转换卡2将生成的Tag文件存储到伺服电机4中。这时Tag文件变为可执行文件，通过微型计算机1上驱动软件的“start”和“stop”命令即可控制伺服电机4的运行和停止。

这种高效激励信号的一个重要参数是吸吹比因子T1/T2，即一个周期内吸程时间和吹程时间的比值。具体来说，可以通过在线编写梯形图来产生这种高效的激励信号，如图5所示。以伺服电机4工作频率1Hz，吸吹比因子4/1为例说明高效指令程序的编写和该指令控制电机运转情况。对于伺服电机4来说，一个重要的参数为电子齿轮比的值，亦即伺服电机4每转一圈所需的脉冲数。首先调节伺服电机4电子齿轮比为5000。伺服电机4运行周期为ls，其中上半周期所用时间0.8s，下半周期所用时间0.2s。在线编程调节在吸程状态时，PLC以fa＝3125Hz的工作频率发出2500个脉冲；在吹程状态时，可编程控制器PLC3以fb＝12500Hz的工作频率发出2500个脉冲。伺服电机4和对心曲柄机构5相连，其运动周期完全相同。控制伺服电机4运行上半周期和下半周期依次经历振动器6的吸程和吹程。这样伺服电机4运转一个周期，即1s时，激励器吸程所用时间0.8s，吹程所用时间0.2s，吸气时间延长以及吹气时间的缩短，使得吹气速度更大，吸气速度更小，从而利用这种高效激励信号产生了高效的合成射流。另外，可编程控制器PLC3通过改变梯形图的输出参数，得到不同的吸程/吹程时间比值，从而实现合成射流控制效率的可调。需要指出的是，该高效合成射流激励器的吹程时间比吸程时间要短，吸程时间和吹程时间比值在2至10之间较为合适，这个比值过大会对腔体内的流体产生压缩性影响效率，过小对控制效果的提高并不明显，这是由计算和实验得到的结论。

图6显示了该高效合成射流激励器的控制效果。左边图6(a)分别显示了吸吹比因子T1/T2＝1，亦即激励按照传统激励信号工作时，射流出口速度最大时的流线图和涡量图；右边图6(b)则显示了吸吹比因子T1/T2＝2，亦即本发明提出的高效激励信号时的情况。从图示可以明显看到，相比于吸吹比因子T1/T2＝1，T1/T2＝2时合成射流涡环的涡量明显增强，并且平移距离增大，有效控制范围增大。这也就验证了该高效合成射流激励器的创新性，具有更大的实用价值。

Claims

1、一种合成射流激励器，其特征在于：该激励器包括控制系统和执行系统；该控制系统包括微型计算机，A/D转换卡，可编程控制器PLC；该执行系统包括伺服电机，对心曲柄机构，振动器，腔体；该控制系统产生一种激励信号，该激励信号控制激励器工作，而该执行系统接收控制系统所发出的激励信号，按照激励信号工作；该控制系统中引入控制伺服电机运转的可编程控制器PLC，从而使对心曲柄机构具有急回特性；

该合成射流激励器的具体连接方式为：微型计算机通过A/D转换卡与可编程控制器PLC相连，可编程控制器PLC连接伺服电机，伺服电机再通过对心曲柄机构与振动器相连，振动器在腔体内；通过微型计算机上的可编程控制器PLC专用驱动软件，在微型计算机上在线编程产生合成射流激励信号，该激励信号经过A/D转换卡存储到可编程控制器PLC，可编程控制器PLC控制伺服电机进行圆周运动，最后通过对心曲柄机构将伺服电机的圆周运动转化为振动器置在腔体内的具有急回特性的往返运动；所述急回特性的往返运动是指振动器往返运动过程中回程时间大于进程时间。

2、根据权利要求1所述的合成射流激励器，其特征在于：该可编程控制器PLC控制伺服电机做上下半周期时间比不等于1的转动，从而实现对心曲柄机构的所述的具有急回特性的往返运动，形成合成射流。

3、根据权利要求1所述的合成射流激励器，其特征在于：该振动器为固定在腔体上的弹性薄膜。

4、根据权利要求1所述的合成射流激励器，其特征在于：该振动器为在腔体内壁往返运动的活塞。

5、根据权利要求1所述的合成射流激励器，其特征在于：该腔体设有腔体出口，其形状为圆孔或细长缝。