CN109002063A - 一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，包括：支撑柱，其竖直间隔设置，所述支撑柱高度能够调节；从动轮，其可旋转设置在所述支撑柱相对侧上部且所述从动轮相对设置；主动轮，其可旋转设置在所述从动轮正上方的支撑柱上且所述主动轮相对设置，所述主动轮与所述从动轮啮合传动；第一支撑杆，其两端固定连接相对设置的所述从动轮中心处；第二支撑杆，其两端偏心连接相对设置的所述从动轮，且所述第二支撑杆与所述第一支撑杆平行；动力机构，其固定设置在所述支撑柱顶端，且输出端与所述主动轮中心固定连接，用于驱动所述主动轮旋转。本发明还提供一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法。

Description

一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及等离子体激励器支撑设备技术领域，更具体的是，本发明涉 一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置及其控制方法。

背景技术

等离子体应用到汽车背部时，对整车气动阻力的降低有显著的效果。当 探究等离子体激励对汽车模型背部角度最佳控制时，需要不断更换具有不同 倾角的车尾，甚至是调换具有不同背部倾角的整车模型，然后再重新安装并 布置等离子体电极，试验准备过程繁琐，而且更换之后，两电极之间的高度、 横向距离等参数难以保证相同，试验操作性和可重复性较差，降低了试验精 度。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装 置，通过主动轮和从动轮啮合传动，使得支撑板的角度可调节进而使得等离 子体器的角度可调节，提高试验精度。

本发明的另一个目的是计开发了一种角度自动调节的等离子体激励器支 撑装置的控制方法，通过控制从动轮的旋转圈数精确控制主动轮的旋转角度， 进而控制等离子体器的角度。

本发明还能用模糊控制器和模糊PID控制器并联，并根据支撑柱的高度 和风速确定等离子体的旋转角度差，以快速确定等离子体器的最佳角度。

本发明提供的技术方案为：

一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，包括：

支撑柱，其竖直间隔设置，所述支撑柱高度能够调节；

从动轮，其可旋转设置在所述支撑柱相对侧上部且所述从动轮相对设置；

主动轮，其可旋转设置在所述从动轮正上方的支撑柱上且所述主动轮相 对设置，所述主动轮与所述从动轮啮合传动；

第一支撑杆，其两端固定连接相对设置的所述从动轮中心处；

第二支撑杆，其两端偏心连接相对设置的所述从动轮，且所述第二支撑 杆与所述第一支撑杆平行；

动力机构，其固定设置在所述支撑柱顶端，且输出端与所述主动轮中心 固定连接，用于驱动所述主动轮旋转，

其中，初始状态时，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆所在平面与地面 平行。

优选的是，所述动力机构为驱动电机，所述主动轮的转动方向相反。

优选的是，还包括：

支撑板，其固定设置在所述第一支撑杆和所述第二支撑杆上，用于固定 等离子体激励器；

底座，其固定设置在所述支撑柱底部，用于固定所述支撑柱。

优选的是，还包括连接轴，其固定设置在所述支撑柱相对侧上部，所述 从动轮可旋转套设在所述连接轴上。

优选的是，所述支撑柱包括：

底柱；以及

升降柱，其套设在所述底柱内，且能够沿所述底柱轴向运动；

液压装置，其设置在所述底柱和升降柱之间，用于驱动所述升降柱沿所 述底柱轴向运动。

优选的是，所述等离子激励器包括：

负电极；以及

正电极，其设置在所述负电极上方；

绝缘介质，其设置在所述正电极和负电极之间；

其中，当所述正电极和负电极以高压连接时，所述正电极的下游产生稳 定的等离子体。

一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，包括：

根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差Δn，并以所述旋 转角度差Δn逐步旋转所述等离子体器直至确定等离子体器的最优旋转角度， 使得等离子体器的气动减阻能力最佳，

其中，所述等离子体器的旋转角度通过支撑板旋转控制，所述支撑板的 旋转角度满足：

其中，θ为支撑板的旋转角度，π为圆周率，n为从动轮的旋转圈数，n₁为 主动轮的齿数，n₂为从动轮的齿数。

优选的是，所述根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差 Δn包括模糊控制器：

将支撑柱的高度H、风速V输入模糊控制器，所述模糊控制器中支撑柱 的高度H和风速V分为7个等级；

模糊控制器输出等离子体器的旋转角度差Δn，输出分为7个等级；

所述支撑柱的高度H的模糊论域为[1,1.8]，其量化因子为1；所述风速V 的模糊论域为[0,1]，定量化因子为22；输出等离子体器的旋转角度差Δn的模 糊论域为[1,5]，定量化因子为1；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入第i个测试过程的空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e、偏差 变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比 例积分系数和微分系数输入PID控制器进行等离子体器的旋转角度差Δn的误 差补偿控制。

优选的是，还包括：

所述空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定 量化因子为100；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，定量化因子为15；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比 例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域 为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、 比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS， PM，PB}。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明提供的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，通过主动 轮和从动轮啮合传动，使得支撑板的角度可调节进而使得等离子体器的角度 可调节，便于探究等离子体对不同车型的尾部倾角以及飞行器尾部倾角的最 佳控制，充分发挥等离子体减阻的能力，提高试验精度。

(2)本发明提供的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方 法，通过控制主动轮的旋转圈数精确控制从动轮的旋转角度，进而控制等离 子体器的角度；还能用模糊控制器和模糊PID控制器并联，并根据支撑柱的 高度和风速确定等离子体的旋转角度差，以快速确定等离子体器的最佳角度。

附图说明

图1为本发明所述角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的结构示意 图。

图2为本发明所述角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的结构示意 图。

图3为本发明所述角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的结构示意 图。

图4为本发明所述角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的局部结构 示意图。

图5为本发明所述角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的局部结构 示意图。

图6是本发明所述模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。

图7是本发明所述模糊控制器的输入支撑柱的高度H的隶属度函数图。

图8是本发明所述模糊控制器的输入风速V的隶属度函数图。

图9是本发明所述模糊控制器的输出等离子体器的旋转角度差Δn的隶属 度函数图。

图10是本发明所述模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图11是本发明所述模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数 图。

图12是本发明所述模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图13是本发明所述模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数 图。

图14是本发明所述模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照 说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实 施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中， 为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-5所示，本发明提供一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装 置，包括：支撑柱110，其竖直间隔设置，所述支撑柱110高度能够调节；从 动轮120，其可旋转设置在所述支撑柱110相对侧上部且所述从动轮120相 对设置；主动轮130，其可旋转设置在所述从动轮120正上方的支撑柱110 上且所述主动轮130相对设置，所述主动轮130与所述从动轮120啮合传动； 第一支撑杆140，其两端固定连接相对设置的所述从动轮120中心处；第二支撑杆150，其两端偏心连接相对设置的所述从动轮120，且所述第二支撑杆 150与所述第一支撑杆140平行，并且初始状态时，所述第一支撑杆140和 所述第二支撑杆150所在平面与地面平行；动力机构160，其固定设置在所 述支撑柱110顶端，且输出端与所述主动轮130中心固定连接，用于驱动所 述主动轮130旋转进而驱动从动轮120旋转。所述动力机构160为驱动电机， 所述主动轮130的转动方向相反。

支撑板190，其固定设置在所述第一支撑杆140和所述第二支撑杆150 上，用于固定等离子体激励器170；所述等离子激励器170包括：负电极； 以及正电极，其设置在所述负电极上方；绝缘介质，其设置在所述正电极和 负电极之间；当所述正电极和负电极以高压连接时，所述正电极的下游产生 稳定的等离子体。

底座180，其固定设置在所述支撑柱110底部，用于固定所述支撑柱110。 还包括连接轴121，其固定设置在所述支撑柱110相对侧上部，所述从动轮 120可旋转套设在所述连接轴上。

所述支撑柱110包括：底柱111；以及升降柱112，其套设在所述底柱111 内，且能够沿所述底柱111轴向运动；液压装置(图中未示出)，其设置在所 述底柱111和升降柱112之间，用于驱动所述升降柱112沿所述底柱111轴 向运动。以适应不同车型的不同高度。

本实施例中还包括，风速传感器，其设置在所述支撑柱110上，用于检 测风速大小，空气阻力传感器，其设置在支撑板190上，用于检测空气阻力。 转速传感器，其设置所述动力机构160的输出轴上，用于检测输出轴旋转的 圈数。

工作过程：

调节支撑柱的高度以匹配待测试车型，驱动电机驱动从动轮旋转，进而 带动主动轮旋转，使得支撑板旋转，以调整等离子体的角度，对该测试装置 施加风速以模拟车辆在行驶过程中产生的气动阻力(风速与车速一致)，并测 试等离子体的气动减阻能力，直到等离子体的气动减阻能力最佳时，此时等 离子体的角度为该对应的车型上的最佳安装角度。

本发明提供的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，通过主动轮和 从动轮镍和传动，使得支撑板的角度可调节进而使得等离子体器的角度可调 节，便于探究等离子体对不同车型的尾部倾角以及飞行器尾部倾角的最佳控 制，充分发挥等离子体减阻的能力，提高试验精度。

本发明还提供一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方 法，包括：根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差Δn，并以 所述旋转角度差Δn逐步旋转所述等离子体器直至确定等离子体器的最优旋 转角度，使得等离子体器的气动减阻能力最佳，

其中，所述等离子体器的旋转角度通过支撑板旋转控制，所述支撑板的 旋转角度满足：

其中，θ为支撑板的旋转角度，π为圆周率，n为从动轮的旋转圈数，n₁为 主动轮的齿数，n₂为从动轮的齿数。

根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差Δn的方法，如图 6所示，包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：

步骤1、将支撑柱的高度H、风速V、等离子体器的旋转角度差Δn进行 模糊处理；在无控制时，支撑柱的高度H的模糊论域为[1,1.8]，其量化因子为 1；所述风速V的模糊论域为[0,1]，定量化因子为22；输出等离子体器的旋转 角度差Δn的模糊论域为[1,5]，定量化因子为1。为了保证控制的精度，实现 更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模 糊控制器中支撑柱的高度H和风速V分为7个等级；输出等离子体器的旋转 角度差Δn，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0， PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图7、8 和9。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：

(1)支撑柱的高度H一定，风速V增大，需要增大等离子体器的旋转角 度差Δn；

(2)风速V一定，支撑柱的高度H增大，需要增大等离子体器的旋转角 度差Δn；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一 等离子体器的旋转角度差的模糊控制表

模糊控制器的输入支撑柱的高度H和风速V，用模糊控制规则表一得出 模糊控制器的输出等离子体器的旋转角度差Δn，等离子体器的旋转角度差Δn 利用重心法解模糊化。

步骤2、模糊PID控制器

将第i个测试过程的空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e、偏差变 化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在 无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为100；偏差变化率ec的模 糊论域为[-3,3]，其量化因子为15；PID的比例系数K_p模糊论域为[-1,1]，其 量化因子为0.1。PID的比例积分系数K_i模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1； PID的微分系数K_d模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的 精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比 例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为 {NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形 隶属函数，详见图7-14。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生 了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较 小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_p K_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震 荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大 的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二 PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三 PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四 PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个测试过程的空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e、偏差 变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比 例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行等离子 体器的旋转角度差Δn的误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对等离子体器的旋转角度差Δn进行精 确控制，等离子体器的旋转角度差Δn为模糊控制器的输出角度差和PID控制 器的角度差的误差补偿值的加和，使得等离子体器的旋转角度差Δn的偏差小 于0.1％。

本发明提供的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，通 过控制从动轮的旋转圈数精确控制主动轮的旋转角度，进而控制等离子体器 的角度；还能用模糊控制器和模糊PID控制器并联，并根据支撑柱的高度和 风速确定等离子体的旋转角度差，以快速确定等离子体器的最佳角度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图 例。

Claims (10)

1.一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，包括：

支撑柱，其竖直间隔设置，所述支撑柱高度能够调节；

从动轮，其可旋转设置在所述支撑柱相对侧上部且所述从动轮相对设置；

主动轮，其可旋转设置在所述从动轮正上方的支撑柱上且所述主动轮相对设置，所述主动轮与所述从动轮啮合传动；

第一支撑杆，其两端固定连接相对设置的所述从动轮中心处；

第二支撑杆，其两端偏心连接相对设置的所述从动轮，且所述第二支撑杆与所述第一支撑杆平行；

动力机构，其固定设置在所述支撑柱顶端，且输出端与所述主动轮中心固定连接，用于驱动所述主动轮旋转，

其中，初始状态时，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆所在平面与地面平行。

2.如权利要求1所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，所述动力机构为驱动电机，所述主动轮的转动方向相反。

3.如权利要求1或2所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，还包括：

支撑板，其固定设置在所述第一支撑杆和所述第二支撑杆上，用于固定等离子体激励器；

底座，其固定设置在所述支撑柱底部，用于固定所述支撑柱。

4.如权利要求3所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，还包括连接轴，其固定设置在所述支撑柱相对侧上部，所述从动轮可旋转套设在所述连接轴上。

5.如权利要求1、2或4所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，所述支撑柱包括：

底柱；以及

升降柱，其套设在所述底柱内，且能够沿所述底柱轴向运动；

液压装置，其设置在所述底柱和升降柱之间，用于驱动所述升降柱沿所述底柱轴向运动。

6.如权利要求3所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置，其特征在于，所述等离子激励器包括：

负电极；以及

正电极，其设置在所述负电极上方；

绝缘介质，其设置在所述正电极和负电极之间；

其中，当所述正电极和负电极以高压连接时，所述正电极的下游产生稳定的等离子体。

7.一种角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，其特征在于，包括：

根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差Δn，并以所述旋转角度差Δn逐步旋转所述等离子体器直至确定等离子体器的最优旋转角度，使得等离子体器的气动减阻能力最佳，

其中，所述等离子体器的旋转角度通过支撑板旋转控制，所述支撑板的旋转角度满足：

其中，θ为支撑板的旋转角度，π为圆周率，n为从动轮的旋转圈数，n₁为主动轮的齿数，n₂为从动轮的齿数。

8.如权利要求7所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，其特征在于，所述根据支撑柱的高度和风速确定等离子体器的旋转角度差Δn包括模糊控制器：

将支撑柱的高度H、风速V输入模糊控制器，所述模糊控制器中支撑柱的高度H和风速V分为7个等级；

模糊控制器输出等离子体器的旋转角度差Δn，输出分为7个等级；

所述支撑柱的高度H的模糊论域为[1,1.8]，其量化因子为1；所述风速V的模糊论域为[0,1]，定量化因子为22；输出等离子体器的旋转角度差Δn的模糊论域为[1,5]，定量化因子为1；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

9.如权利要求8所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

输入第i个测试过程的空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行等离子体器的旋转角度差Δn的误差补偿控制。

10.如权利要求9所述的角度自动调节的等离子体激励器支撑装置的控制方法，其特征在于，还包括：

所述空气阻力值F_g和理想空气阻力值的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为100；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，定量化因子为15；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。