CN109915443B - 一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，包括电极、磁体、翼型激活板、电极控制器、压力传感器、A/D转换及放大器、示波器、ARM处理器和外部供电直流电源。翼型激活板通过连杆与压力传感器连接，可以实时测量翼型激活板在流体中所受阻力的大小，ARM处理器将压力传感器测得的阻力信号进行减阻效果计算，依据PID控制算法调节输出展向振荡电磁力的振荡频率，实现自动调节展向振荡电磁力振荡频率。本发明将电磁流体控制与自动控制技术相结合，可以对流体边界层中的近壁拟序结构和湍流猝发事件进行有效抑制，大幅度减小壁面阻力，并具有消涡、减振、降噪以及可减轻电离作用的腐蚀等特点。

Description

一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置

技术领域

本发明属于电磁流体控制领域，特别是一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置。

背景技术

潜艇、鱼雷等水下航行器在海洋中航行时，由于其和海水流动相互作用，使其表面产生湍流边界层，从而产生速度和压力脉动形成流体阻力和噪声，导致航速和水下兵器的作战性能降低，其中摩擦阻力来自航行器和周围水流之间的相互阻力。在一般的船舶中，摩擦阻力约占全部阻力的70-80％，即使在高速运动的船舶中，摩擦阻力也约占全部阻力的40％，若能通过壁面湍流控制技术减少这些航行体的表面摩擦力，就能够节约大量的能源消耗，使航行体性能大幅提升，同时还可以取得消涡、减振、减噪等效果，因此该技术在航空、船舶、运输、军事等领域均具有重要的应用前景。

电磁力流体边界层控制技术作为一种主动控制方法，其基本原理是在弱导电液(如海水)中的航行体表面按照一定的方式排布电、磁极板，当电、磁极板激活后可对其附近一定区域内的流体施加电磁力的作用。另外，在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

中国专利201610238883.9公开了一种用于航行体湍流边界层控制的电磁肋条复合减阻器，通过将主动控制与被动控制相结合的方法，对航行体边界层中的近壁拟序结构和湍流猝发事件进行有效抑制，能够大幅度减小壁面阻力。由于此专利设计的是利用电磁力进行的开环控制系统，并不能实时检测展向振荡电磁力的减阻效果并对其效果进行自动控制调节，因此不能实现自动控制展向振荡电磁力振荡频率的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，以解决自动控制翼型绕流展向振荡电磁力振荡频率的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，包括电极、磁体、翼型激活板和电极控制器、压力传感器、A/D转换及放大器、外部供电直流电源、ARM处理器；多个电极和多个磁体依次间隔固定在翼型激活板上；所述翼型激活板中设有放置磁体和电极的凹槽，通过凹槽将磁体和电极与翼型激活板连为整体，电极与电极控制器连接；相邻磁极的极性相反，相邻电极的极性相反；所述电极控制器用以给翼型激活板表面的电极通以具有振荡频率的直流电，使翼型激活板表面在磁场和电场的作用下产生展向振荡电磁力；所述压力传感器与翼型激活板相连，用以检测翼型激活板在流体中所受阻力的大小，将测得的阻力信号转换为电信号；所述A/D转换及放大器将上述电信号进行数模转换并放大处理然后传输至ARM处理器；所述ARM处理器用以控制电极控制器产生振荡频率的直流电，并控制电极控制器的振荡频率；所述外部供电直流电源用以对A/D转换及放大器供电。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明采用闭环系统自动控制的方式，将电磁流体控制与自动控制技术相结合，利用PID控制算法消除系统误差，使展向振荡电磁力的振荡频率维持在减阻效果最优的振荡频率范围内；

(2)本发明采用ARM处理器作为整个装置的主控系统，可以较快的处理速度进行计算并减小误差信号，使整个控制装置对误差信号具有较快的响应速度；

(3)本发明是利用控制装置对湍流边界层进行控制，因此对于较高流速下的航行体边界层亦能进行有效控制。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置中的翼型激活板及电极控制器示意图。

图2为本发明用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置中的总体结构示意图。

图3为本发明用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置中的电极控制器的信号流向图。

图4为本发明用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置实施例1中具体实验结果图。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1与图2，本发明的一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，包括电极1、磁体2、翼型激活板3和电极控制器4、压力传感器、A/D转换及放大器、外部供电直流电源、ARM处理器；多个电极1和多个磁体2依次间隔固定在翼型激活板3上；所述翼型激活板3中设有放置磁体2和电极1的凹槽，通过凹槽将磁体2和电极1与翼型激活板3连为整体，电极1通过导线与电极控制器4连接；相邻磁极2的极性相反，相邻电极1的极性相反；所述电极控制器4用以给翼型激活板表面的电极通以具有一定振荡频率的直流电，使翼型激活板表面在磁场和电场的作用下产生一定强度的展向振荡电磁力；所述压力传感器通过连杆与翼型激活板3相连，用以检测翼型激活板在流体中所受阻力的大小，将测得的阻力信号转换为电信号；所述A/D转换及放大器将上述电信号进行数模转换并放大处理然后传输至ARM处理器；所述ARM处理器用以控制电极控制器4产生振荡频率的直流电，并控制电极控制器4的振荡频率，使得输出电磁力的振荡频率维持在减阻效果最优的振荡频率范围内；所述外部供电直流电源用以对A/D转换及放大器供电，以确保此此A/D转换及放大器平稳有效的运行。

进一步的，所述电极控制器4包括第一固态继电器、第二固态继电器、第一直流电源、第二直流电源；所述第一固态继电器的输出口与第一直流电源正极相连；第二固态继电器的接地端与第二直流电源负极相连；两个直流电源串联后与电极1相连；第二固态继电器的输出口与第一固态继电器的接地端连接后与电极1相连；ARM处理器的信号输出口分别与两个固态继电器的输入口连接；当ARM处理器向第一固态继电器输出高电平信号时，与此同时向第二固态继电器输出低电平信号，此时两个直流电源和第一固态继电器之间的电路会接通，产生正向电磁力+f_L；当ARM处理器向第二固态继电器输出高电平信号时，与此同时向第一固态继电器输出低电平信号，此时两个直流电源与第二固态继电器之间的电路会接通，产生负向电磁力-f_L；最终电极控制器4可输出具有一定振荡频率的直流电。

结合图1，电极控制器4提供给翼型激活板3表面的电极1以振荡直流电信号，根据电磁力f_L的定义计算公式

f_L＝J×B＝σ(E×B)+σ(U×B)×B

其中，J为电流密度矢量，B为磁感应强度矢量，σ为电介质的电导率，E为电场强度矢量，U为流体运动速度矢量。对于弱电介质溶液，U×B项产生的电流非常小，因此可忽略，于是有f_L＝σ(E×B)。在这种工况下能够在翼型激活板3的表面产生展向振荡的电磁力±f_L。由于展向振荡电磁力可以使条带倾斜，在流场中产生附加的负展向涡，导致近壁区域平均流向速度梯度的减小，因此可以使在流体中翼型激活板3表面的阻力减小。

ARM处理器中设计PID控制算法对展向振荡电磁力的振荡频率进行调节。首先在ARM处理器中设置初始振荡频率一定、占空比50％的振荡电信号，然后通过PID控制算法控制电极控制器4的输出振荡频率u(t)，以调整振荡电磁力±f_L。PID控制算法为：

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常量，T_d为微分时间常量，t为时间常量。通过调节参数K_p、T_i、T_d，可调整电极控制器4的输出振荡频率。

设理想状态下施加展向振荡电磁力后达到的减阻值为r(t)；由于整个控制装置存在系统误差，实际施加展向振荡电磁力后通过压力传感器测得到的减阻值为c(t)，因此误差值为e(t)＝r(t)-c(t)；

然后，将模拟PID进行离散化，这样ARM处理器只需根据采样时刻的偏差计算输出振荡频率。采用离散的差分方程代替连续的微分方程，对连续系统进行离散化t＝KT。

式中T为采样时间，K为取值样点，K＝0,1,2…。

根据理想的减阻值r(t)与实际测得的反馈值c(t)进行差值计算得到误差值e(t)，然后采用PID算法对误差值e(t)进行调节，由e(t)＝r(t)-c(t)可知，调节误差值e(t)可以调节输入的理想减阻值r(t)，由于展向振荡电磁力可以减小翼型激活板3表面的阻力，并且展向电磁力的振荡频率对减阻效果有很大的影响，因此调节ARM处理器的输出振荡频率可以改变电极控制器输出振荡信号的频率，进一步可以调节翼型激活板3表面所产生的展向振荡电磁力的大小，因此，最终会影响展向振荡电磁力的减阻效果。

进一步的，所述压力传感器采用的是应变式压力传感器。

进一步的，本发明还包括示波器，所述示波器与A/D转换及放大器的信号输出口连接，可以实时观察翼型激活板3在流体中所受阻力的变化情况。

实施例

所述翼型激活板3采用的是NACA0012标准翼型，翼型长为100mm，弦高12mm，并在翼型激活板3的表面间隔交替排布磁体与电极，电极与磁体的宽度均为4mm，电极1有7片，尺寸为117×4×1(mm³)，磁体2为8块，尺寸为117×4×2(mm³)，该实验在转动的有机玻璃水槽内进行，槽内装有一定量的硫酸铜溶液,其电导率和密度与海水接近，将翼型激活板与来流方向成15°攻角插入溶液中放置。如图1中，flow表示流体的流动方向，±fL表示正负振荡电磁力的方向，正负振荡电磁力的方向垂直于流体的流动方向。结合图3，ARM处理器的输出口输出频率可调占空比50％的高电平为3.3V、低电平为0V的振荡信号，两个直流电源提供25V的直流电，经过电极控制器4的处理之后可输出频率可调占空比为50％的±25V的振荡直流电。本发明的A/D转换及放大器选用的是旭日衡器开发研制的XR-A02系列全数字多功能重量变送器，可以将压力传感器的模拟输出转化为数字信号并对此信号进行运算放大，最终得到一个4-20mA的电流输出，在输出端并联一个2W/200Ω的电阻，因此可得到0.8-4V的输出直流电压。

图4为利用示波器采集到的阻力波动曲线，图中横坐标表示时间t，纵坐标表示阻力F，Before表示施加展向振荡电磁力前的阻力波动曲线，Action表示在该时刻施加展向振荡电磁力，After表示施加展向振荡电磁力后的阻力波动曲线。因此可知，未施加展向振荡电磁力前，可在观测段得到完全发展的湍流，翼型所受阻力较大，最大为0.06N左右，施加展向振荡电磁力后，壁面阻力大幅下降，最大为0.04N左右。通过多组实验对比发现，当其他实验条件不变仅改变ARM处理器的输出振荡频率时，发现当展向振荡电磁力的振荡频率为20HZ时具有最优的减阻效果。

Claims (5)

1.一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，其特征在于，包括电极(1)、磁体(2)、翼型激活板(3)和电极控制器(4)、压力传感器、A/D转换及放大器、外部供电直流电源、ARM处理器；多个电极(1)和多个磁体(2)依次间隔固定在翼型激活板(3)上；所述翼型激活板(3)中设有放置磁体(2)和电极(1)的凹槽，通过凹槽将磁体(2)和电极(1)与翼型激活板(3)连为整体，电极(1)与电极控制器(4)连接；相邻磁极(2)的极性相反，相邻电极(1)的极性相反；所述电极控制器(4)用以给翼型激活板表面的电极通以具有振荡频率的直流电，使翼型激活板表面在磁场和电场的作用下产生展向振荡电磁力；所述压力传感器与翼型激活板(3)相连，用以检测翼型激活板在流体中所受阻力的大小，将测得的阻力信号转换为电信号；所述A/D转换及放大器将上述电信号进行数模转换并放大处理然后传输至ARM处理器；所述ARM处理器用以控制电极控制器(4)产生振荡频率的直流电，并控制电极控制器(4)的振荡频率；所述外部供电直流电源用以对A/D转换及放大器供电；

所述ARM处理器通过PID控制算法控制电极控制器(4)的输出振荡频率u(t)，以调整振荡电磁力±f_L；控制过程为：

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常量，T_d为微分时间常量，t为时间常量；通过调节参数K_p、T_i、T_d调整输出振荡频率。

2.根据权利要求1所述的一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，其特征在于，所述电极控制器(4)包括第一固态继电器、第二固态继电器、第一直流电源、第二直流电源；所述第一固态继电器的输出口与第一直流电源正极相连；第二固态继电器的接地端与第二直流电源负极相连；两个直流电源串联后与电极(1)相连；第二固态继电器的输出口与第一固态继电器的接地端连接后与电极(1)相连；ARM处理器的信号输出口分别与两个固态继电器的输入口连接；当ARM处理器向第一固态继电器输出高电平信号时，与此同时向第二固态继电器输出低电平信号，此时两个直流电源和第一固态继电器之间的电路会接通；当ARM处理器向第二固态继电器输出高电平信号时，与此同时向第一固态继电器输出低电平信号，此时两个直流电源与第二固态继电器之间的电路会接通。

3.根据权利要求1所述的一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，其特征在于，处理过程还包括将模拟PID进行离散化t＝KT：

式中T为采样时间，K为取值样点，K＝0,1,2…；

根据理想的减阻值r(t)与实际测得的反馈值c(t)进行差值计算得到误差值e(t)，然后采用PID算法对误差值e(t)进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，其特征在于，所述压力传感器采用的是应变式压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种用于翼型绕流展向振荡电磁力减阻的自动控制装置，其特征在于，包括示波器，所述示波器与A/D转换及放大器连接。

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