一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置的制作方法

文檔序號:17997192發布日期:2019-06-22 01:21
一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置的制作方法

本發明屬于電磁流體控制領域,特別是一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置。



背景技術:

潛艇、魚雷等水下航行器在海洋中航行時,由于其和海水流動相互作用,使其表面產生湍流邊界層,從而產生速度和壓力脈動形成流體阻力和噪聲,導致航速和水下兵器的作戰性能降低,其中摩擦阻力來自航行器和周圍水流之間的相互阻力。在一般的船舶中,摩擦阻力約占全部阻力的70-80%,即使在高速運動的船舶中,摩擦阻力也約占全部阻力的40%,若能通過壁面湍流控制技術減少這些航行體的表面摩擦力,就能夠節約大量的能源消耗,使航行體性能大幅提升,同時還可以取得消渦、減振、減噪等效果,因此該技術在航空、船舶、運輸、軍事等領域均具有重要的應用前景。

電磁力流體邊界層控制技術作為一種主動控制方法,其基本原理是在弱導電液(如海水)中的航行體表面按照一定的方式排布電、磁極板,當電、磁極板激活后可對其附近一定區域內的流體施加電磁力的作用。另外,在現代科學技術的眾多領域中,自動控制技術起著越來越重要的作用。所謂自動控制,是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設備或裝置使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。

中國專利201610238883.9公開了一種用于航行體湍流邊界層控制的電磁肋條復合減阻器,通過將主動控制與被動控制相結合的方法,對航行體邊界層中的近壁擬序結構和湍流猝發事件進行有效抑制,能夠大幅度減小壁面阻力。由于此專利設計的是利用電磁力進行的開環控制系統,并不能實時檢測展向振蕩電磁力的減阻效果并對其效果進行自動控制調節,因此不能實現自動控制展向振蕩電磁力振蕩頻率的目的。



技術實現要素:

本發明的目的在于提供一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置,以解決自動控制翼型繞流展向振蕩電磁力振蕩頻率的問題。

實現本發明目的的技術解決方案為:

一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置,包括電極、磁體、翼型激活板和電極控制器、壓力傳感器、A/D轉換及放大器、外部供電直流電源、ARM處理器;多個電極和多個磁體依次間隔固定在翼型激活板上;所述翼型激活板中設有放置磁體和電極的凹槽,通過凹槽將磁體和電極與翼型激活板連為整體,電極與電極控制器連接;相鄰磁極的極性相反,相鄰電極的極性相反;所述電極控制器用以給翼型激活板表面的電極通以具有振蕩頻率的直流電,使翼型激活板表面在磁場和電場的作用下產生展向振蕩電磁力;所述壓力傳感器與翼型激活板相連,用以檢測翼型激活板在流體中所受阻力的大小,將測得的阻力信號轉換為電信號;所述A/D轉換及放大器將上述電信號進行數模轉換并放大處理然后傳輸至ARM處理器;所述ARM處理器用以控制電極控制器產生振蕩頻率的直流電,并控制電極控制器的振蕩頻率;所述外部供電直流電源用以對A/D轉換及放大器供電。

本發明與現有技術相比,其顯著優點:

(1)本發明采用閉環系統自動控制的方式,將電磁流體控制與自動控制技術相結合,利用PID控制算法消除系統誤差,使展向振蕩電磁力的振蕩頻率維持在減阻效果最優的振蕩頻率范圍內;

(2)本發明采用ARM處理器作為整個裝置的主控系統,可以較快的處理速度進行計算并減小誤差信號,使整個控制裝置對誤差信號具有較快的響應速度;

(3)本發明是利用控制裝置對湍流邊界層進行控制,因此對于較高流速下的航行體邊界層亦能進行有效控制。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置中的翼型激活板及電極控制器示意圖。

圖2為本發明用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置中的總體結構示意圖。

圖3為本發明用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置中的電極控制器的信號流向圖。

圖4為本發明用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置實施例1中具體實驗結果圖。

具體實施方式

為了說明本發明的技術方案及技術目的,下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的介紹。

結合圖1與圖2,本發明的一種用于翼型繞流展向振蕩電磁力減阻的自動控制裝置,包括電極1、磁體2、翼型激活板3和電極控制器4、壓力傳感器、A/D轉換及放大器、外部供電直流電源、ARM處理器;多個電極1和多個磁體2依次間隔固定在翼型激活板3上;所述翼型激活板3中設有放置磁體2和電極1的凹槽,通過凹槽將磁體2和電極1與翼型激活板3連為整體,電極1通過導線與電極控制器4連接;相鄰磁極2的極性相反,相鄰電極1的極性相反;所述電極控制器4用以給翼型激活板表面的電極通以具有一定振蕩頻率的直流電,使翼型激活板表面在磁場和電場的作用下產生一定強度的展向振蕩電磁力;所述壓力傳感器通過連桿與翼型激活板3相連,用以檢測翼型激活板在流體中所受阻力的大小,將測得的阻力信號轉換為電信號;所述A/D轉換及放大器將上述電信號進行數模轉換并放大處理然后傳輸至ARM處理器;所述ARM處理器用以控制電極控制器4產生振蕩頻率的直流電,并控制電極控制器4的振蕩頻率,使得輸出電磁力的振蕩頻率維持在減阻效果最優的振蕩頻率范圍內;所述外部供電直流電源用以對A/D轉換及放大器供電,以確保此此A/D轉換及放大器平穩有效的運行。

進一步的,所述電極控制器4包括第一固態繼電器、第二固態繼電器、第一直流電源、第二直流電源;所述第一固態繼電器的輸出口與第一直流電源正極相連;第二固態繼電器的接地端與第二直流電源負極相連;兩個直流電源串聯后與電極1相連;第二固態繼電器的輸出口與第一固態繼電器的接地端連接后與電極1相連;ARM處理器的信號輸出口分別與兩個固態繼電器的輸入口連接;當ARM處理器向第一固態繼電器輸出高電平信號時,與此同時向第二固態繼電器輸出低電平信號,此時兩個直流電源和第一固態繼電器之間的電路會接通,產生正向電磁力+fL;當ARM處理器向第二固態繼電器輸出高電平信號時,與此同時向第一固態繼電器輸出低電平信號,此時兩個直流電源與第二固態繼電器之間的電路會接通,產生負向電磁力-fL;最終電極控制器4可輸出具有一定振蕩頻率的直流電。

結合圖1,電極控制器4提供給翼型激活板3表面的電極1以振蕩直流電信號,根據電磁力fL的定義計算公式

fL=J×B=σ(E×B)+σ(U×B)×B

其中,J為電流密度矢量,B為磁感應強度矢量,σ為電介質的電導率,E為電場強度矢量,U為流體運動速度矢量。對于弱電介質溶液,U×B項產生的電流非常小,因此可忽略,于是有fL=σ(E×B)。在這種工況下能夠在翼型激活板3的表面產生展向振蕩的電磁力±fL。由于展向振蕩電磁力可以使條帶傾斜,在流場中產生附加的負展向渦,導致近壁區域平均流向速度梯度的減小,因此可以使在流體中翼型激活板3表面的阻力減小。

ARM處理器中設計PID控制算法對展向振蕩電磁力的振蕩頻率進行調節。首先在 ARM處理器中設置初始振蕩頻率一定、占空比50%的振蕩電信號,然后通過PID控制算法控制電極控制器4的輸出振蕩頻率u(t),以調整振蕩電磁力±fL。PID控制算法為:

其中,Kp為比例系數,Ti為積分時間常量,Td為微分時間常量,t為時間常量。通過調節參數Kp、Ti、Td,可調整電極控制器4的輸出振蕩頻率。

設理想狀態下施加展向振蕩電磁力后達到的減阻值為r(t);由于整個控制裝置存在系統誤差,實際施加展向振蕩電磁力后通過壓力傳感器測得到的減阻值為c(t),因此誤差值為e(t)=r(t)-c(t);

然后,將模擬PID進行離散化,這樣ARM處理器只需根據采樣時刻的偏差計算輸出振蕩頻率。采用離散的差分方程代替連續的微分方程,對連續系統進行離散化t=KT。

式中T為采樣時間,K為取值樣點,K=0,1,2…。

根據理想的減阻值r(t)與實際測得的反饋值c(t)進行差值計算得到誤差值e(t),然后采用PID算法對誤差值e(t)進行調節,由e(t)=r(t)-c(t)可知,調節誤差值e(t)可以調節輸入的理想減阻值r(t),由于展向振蕩電磁力可以減小翼型激活板3表面的阻力,并且展向電磁力的振蕩頻率對減阻效果有很大的影響,因此調節ARM處理器的輸出振蕩頻率可以改變電極控制器輸出振蕩信號的頻率,進一步可以調節翼型激活板3表面所產生的展向振蕩電磁力的大小,因此,最終會影響展向振蕩電磁力的減阻效果。

進一步的,所述壓力傳感器采用的是應變式壓力傳感器。

進一步的,本發明還包括示波器,所述示波器與A/D轉換及放大器的信號輸出口連接,可以實時觀察翼型激活板3在流體中所受阻力的變化情況。

實施例

所述翼型激活板3采用的是NACA0012標準翼型,翼型長為100mm,弦高12mm,并在翼型激活板3的表面間隔交替排布磁體與電極,電極與磁體的寬度均為4mm,電極1有7片,尺寸為117×4×1(mm3),磁體2為8塊,尺寸為117×4×2(mm3),該實驗在轉動的有機玻璃水槽內進行,槽內裝有一定量的硫酸銅溶液,其電導率和密度與海水接近,將翼型激活板與來流方向成15°攻角插入溶液中放置。如圖1中,flow表示流體的流動方向,±fL表示正負振蕩電磁力的方向,正負振蕩電磁力的方向垂直于流體的流動方向。結合圖3,ARM處理器的輸出口輸出頻率可調占空比50%的高電平為3.3V、低電平為0V的振蕩信號,兩個直流電源提供25V的直流電,經過電極控制器4的處理之后可輸出頻率可調占空比為50%的±25V的振蕩直流電。本發明的A/D轉換及放大器選用的是旭日衡器開發研制的XR-A02系列全數字多功能重量變送器,可以將壓力傳感器的模擬輸出轉化為數字信號并對此信號進行運算放大,最終得到一個4-20mA的電流輸出,在輸出端并聯一個2W/200Ω的電阻,因此可得到0.8-4V的輸出直流電壓。

圖4為利用示波器采集到的阻力波動曲線,圖中橫坐標表示時間t,縱坐標表示阻力F,Before表示施加展向振蕩電磁力前的阻力波動曲線,Action表示在該時刻施加展向振蕩電磁力,After表示施加展向振蕩電磁力后的阻力波動曲線。因此可知,未施加展向振蕩電磁力前,可在觀測段得到完全發展的湍流,翼型所受阻力較大,最大為0.06N 左右,施加展向振蕩電磁力后,壁面阻力大幅下降,最大為0.04N左右。通過多組實驗對比發現,當其他實驗條件不變僅改變ARM處理器的輸出振蕩頻率時,發現當展向振蕩電磁力的振蕩頻率為20HZ時具有最優的減阻效果。

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