專利名稱：高效合成射流激勵器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效合成射流激勵器，屬于流動傳輸和主動控制技術領域。
背景技術：
合成射流是近十年來發(fā)展起來的一種新型主動流動控制技術。活塞或壓電薄膜進行往返運動吹/吸氣體，在腔體出口處形成一系列渦環(huán)/對，它們在向外擴展的過程中相互融合形成合成射流。其主要原理是在吹氣周期內(nèi)，腔體內(nèi)流體在活塞或振動薄膜的壓縮下在腔體出口處形成渦環(huán)/對，并在它們自身誘導作用下向遠離腔體出口方向運動；而在吸氣周期內(nèi)，渦環(huán)/對距離腔體出口較遠而不會被吸入到腔體中。它吹出的質(zhì)量和吸入的質(zhì)量相等，因此又被稱為“零質(zhì)量射流”和“自耦合射流”。它可以起到減小阻力、增加升力、加強摻混以及矢量控制等目的。與傳統(tǒng)的吸/吹氣流動控制相比，合成射流具有結構簡單緊湊、重量輕、成本低、維護方便等諸多優(yōu)點，在流體機械、飛行器流動分離部件、航空航天發(fā)動機上都有很好的應用前景，因而受到了眾多研究者的廣泛關注。傳統(tǒng)合成射流激勵器，不管采取什么形式(活塞式、壓電薄膜等)，形成射流的激勵信號一般都是標準的正弦函數(shù)。而從合成射流的形成機理來看，渦環(huán)/對得以離開孔口融合形成射流，主要是其誘導速度比較大，從而不會在吸氣周期中被吸入到腔體中?；谶@種特征，如果能在保持吹/吸氣過程中體積流量不變的前提下，將吹氣時間縮短、吸氣時間延長(如圖4中虛線所示)，勢必可以減小吸氣過程對渦環(huán)/對的影響，從而得到效率更高的合成射流。本發(fā)明正是基于這一考慮，提出了一種新的產(chǎn)生高效合成射流的激勵信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種高效合成射流激勵器，其目的在于研制一種高效的合成射流激勵器，將射流吹氣過程縮短，吸氣過程延長，增強激勵器渦量的輸出，提高能耗比，以此解決合成射流在實際應用中功率不夠或效率太低的問題。
本發(fā)明一種高效合成射流激勵器，它包括控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)；該控制系統(tǒng)具體包括微型計算機1，A/D轉(zhuǎn)換卡2，可編程控制器PLC3；該執(zhí)行系統(tǒng)具體包括伺服電機4，對心曲柄機構5(包括偏心圓盤9和連桿10)，振動器6，腔體7；該控制系統(tǒng)產(chǎn)生一種高效激勵信號，控制和監(jiān)視激勵器工作，而該執(zhí)行系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令，按照指令信號工作。該控制系統(tǒng)中引入控制電機運轉(zhuǎn)的可編程控制器PLC3，從而使對心曲柄機構5具有急回特性。
該高效合成射流激勵器的具體連接方式為微型計算機1通過A/D轉(zhuǎn)換卡2與可編程控制器PLC3相連，可編程控制器PLC3連接伺服電機4，伺服電機4再通過對心曲柄機構5與振動器6相連，振動器6在腔體7內(nèi)。這樣就可以通過可編程控制器PLC3在微型計算機1上在線編程產(chǎn)生高效合成射流激勵信號，該高效激勵信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡2存儲到可編程控制器PLC3，可編程控制器PLC3控制伺服電機4進行圓周運動，最后通過對心曲柄機構5將伺服電機4的圓周運動轉(zhuǎn)化為振動器6在腔體7內(nèi)的具有急回特性的往返運動。
可編程控制器PLC3控制伺服電機4做上下半周期時間比不等于1的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對心曲柄機構5的急回運動，形成高效合成射流。
振動器6為固定在腔體7上的彈性薄膜或可以在腔體7內(nèi)壁往返運動的活塞。
腔體7設有腔體出口8，其形狀為圓孔或細長縫。
本發(fā)明一種高效合成射流激勵器，其優(yōu)點和功效在于1、可編程控制器PLC3的引入使對心曲柄機構5具有急回特性，使得射流吹氣過程縮短，吸氣過程延長，以此提高合成射流形成渦環(huán)的輸出渦量和平移速度，提高控制效率；2、使用可編程控制器PLC3控制對心曲柄機構5，可以對激勵器的控制效率進行調(diào)制(吸程/吹程時間比的調(diào)節(jié))；3、渦環(huán)速度的提高有利于清潔腔體出口附近的雜質(zhì)，提高合成射流激勵器的使用壽命；4、本發(fā)明的振動器6根據(jù)控制部件的需要可以選彈性薄膜或與腔體7密封接觸的活塞，推廣了它的應用范圍。


圖1是高效合成射流激勵器的總體框圖；圖2是激勵器腔體剖面圖；圖3是對心曲柄機構組成示意圖；圖4是高效激勵信號示意圖；圖5是高效激勵信號生成指令；圖6是高效合成射流激勵器執(zhí)行效果圖；圖中具體標號如下a、控制系統(tǒng) b、執(zhí)行系統(tǒng)1、微型機算計2、A/D轉(zhuǎn)換卡 3、可編程控制器PLC4、伺服電機 5、對心曲柄機構 6、振動器7、腔體 8、腔體出口 9、偏心圓盤10、連桿具體實施例方式請參閱圖1，圖2和圖3所示，該激勵器由兩大部分組成控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生一種高效激勵信號，控制和監(jiān)視激勵器工作，它具體包括微型計算機1，A/D轉(zhuǎn)換卡2，可編程控制器PLC3。執(zhí)行系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)所發(fā)出指令，按照指定信號工作，它具體包括伺服電機4，對心曲柄機構5(包括偏心圓盤9和連桿10)，振動器6，腔體7。這兩大部分的核心是控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)的核心是可編程控制器PLC3，可編程控制器PLC3的引入成為該發(fā)明的核心技術。
該高效合成射流激勵器的具體連接方式為微型計算機1通過A/D轉(zhuǎn)換卡2與可編程控制器PLC3相連，可編程控制器PLC3連接伺服電機4，伺服電機4再通過對心曲柄機構5與振動器6相連，振動器6在腔體7內(nèi)。這樣就可以通過可編程控制器PLC3將伺服電機4的圓周運動轉(zhuǎn)化為振動器6在腔體7內(nèi)具有急回特性的往返運動。
該高效合成射流激勵器工作流程如下。利用可編程控制器PLC3可在線編程的特點，在微型計算機1上編寫激勵信號生成指令，該指令通過A/D轉(zhuǎn)換卡2傳送到可編程控制器PLC3，并完成在可編程控制器PLC3上的存儲。這樣就利用控制系統(tǒng)完成了高效激勵信號的生成工作。當激勵器需要運行時，利用微型計算機1控制可編程控制器PLC3開始執(zhí)行該指令，可編程控制器PLC3將該指令傳送到伺服電機4，伺服電機4開始運行做圓周運動，對心曲柄機構5中的偏心圓盤9與電機相連同樣做圓周運動，連桿10的一端固定于偏心圓盤9的偏基上，另一端與振動器6相連，這樣連桿10將在偏心圓盤9的帶動下一端做圓周運動，與振動器6相連的另一端由于腔體7的導軌作用做往返運動，從而將伺服電機4的圓周運動轉(zhuǎn)換為振動器6在腔體7的往返運動，腔體7內(nèi)流體受到周期性的壓縮，將會周期性的從腔體出口8中排出，從而產(chǎn)生了合成射流。我們利用可編程控制器PLC3系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)的激勵信號，使它成為一種新的高效合成射流激勵器。
可編程控制器PLC3是本發(fā)明的核心，它將微型計算機1和伺服電機4連接起來，從而可以在線編程生成一種高效的激勵信號。傳統(tǒng)的激勵信號如圖4的實線所示，該信號的特點是在一個周期內(nèi)伺服電機4嚴格按照正弦信號工作，亦即對于每一周期，振動器6往返運動的時間一樣，對于合成射流來說，流體從腔體7吹和吸的過程是一致的。而在可編程控制器PLC3作用下，驅(qū)動信號變?yōu)槿鐖D2所示的虛線形式，此時伺服電機4工作時上半周期和下半周期所占用的時間不等，它是對標準正弦激勵信號的一種有效改進。值得注意的是，對于每個周期，信號從上半周期過渡到下半周期是緩慢的，并且有連續(xù)導數(shù)，實際操作具有可行性。將上半周期定義為振動器6的回程，亦即吸程；將下半周期定義為振動器6的進程，亦即吹程。該高效激勵信號的基本特點是振動器6一個周期內(nèi)的吸程時間大于吹程時間，亦即振動器6往返運動過程中的回程時間大于進程時間，表現(xiàn)為急回特性，從而，對心曲柄機構5在此信號的作用下成為急回機構，完成該高效激勵信號的執(zhí)行工作。在合成射流工作時，基于保持吹/吸氣過程中體積流量不變的前提下，將吸氣過程延長，吹氣過程縮短，勢必可以提高射流的出口速度，減小激勵器在吸程對合成射流的卷吸。
圖5是高效激勵信號生成指令，它是由微型計算機1上的可編程控制器PLC3專用驅(qū)動軟件編寫完成。該指令(Fxl文件)生成后，并不能直接運行，必須通過驅(qū)動軟件的“on line”命令轉(zhuǎn)化為Tag文件，然后通過A/D轉(zhuǎn)換卡2將生成的Tag文件存儲到伺服電機4中。這時Tag文件變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，通過微型計算機1上驅(qū)動軟件的“start”和“stop”命令即可控制伺服電機4的運行和停止。
這種高效激勵信號的一個重要參數(shù)是吸吹比因子T1/T2，即一個周期內(nèi)吸程時間和吹程時間的比值。具體來說，可以通過在線編寫梯形圖來產(chǎn)生這種高效的激勵信號，如圖5所示。以伺服電機4工作頻率1Hz，吸吹比因子4/1為例說明高效指令程序的編寫和該指令控制電機運轉(zhuǎn)情況。對于伺服電機4來說，一個重要的參數(shù)為電子齒輪比的值，亦即伺服電機4每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)。首先調(diào)節(jié)伺服電機4電子齒輪比為5000。伺服電機4運行周期為1s，其中上半周期所用時間0.8s，下半周期所用時間0.2s。在線編程調(diào)節(jié)在吸程狀態(tài)時，PLC以fa＝3125Hz的工作頻率發(fā)出2500個脈沖；在吹程狀態(tài)時，可編程控制器PLC3以fb＝12500Hz的工作頻率發(fā)出2500個脈沖。伺服電機4和對心曲柄機構5相連，其運動周期完全相同?？刂扑欧姍C4運行上半周期和下半周期依次經(jīng)歷振動器6的吸程和吹程。這樣伺服電機4運轉(zhuǎn)一個周期，即1s時，激勵器吸程所用時間0.8s，吹程所用時間0.2s，吸氣時間延長以及吹氣時間的縮短，使得吹氣速度更大，吸氣速度更小，從而利用這種高效激勵信號產(chǎn)生了高效的合成射流。另外，可編程控制器PLC3通過改變梯形圖的輸出參數(shù)，得到不同的吸程/吹程時間比值，從而實現(xiàn)合成射流控制效率的可調(diào)。需要指出的是，該高效合成射流激勵器的吹程時間比吸程時間要短，吸程時間和吹程時間比值在2至10之間較為合適，這個比值過大會對腔體內(nèi)的流體產(chǎn)生壓縮性影響效率，過小對控制效果的提高并不明顯，這是由計算和實驗得到的結論。
圖6顯示了該高效合成射流激勵器的控制效果。左邊圖6(a)分別顯示了吸吹比因子T1/T2＝1，亦即激勵按照傳統(tǒng)激勵信號工作時，射流出口速度最大時的流線圖和渦量圖；右邊圖6(b)則顯示了吸吹比因子T1/T2＝2，亦即本發(fā)明提出的高效激勵信號時的情況。從圖示可以明顯看到，相比于吸吹比因子T1/T2＝1，T1/T2＝2時合成射流渦環(huán)的渦量明顯增強，并且平移距離增大，有效控制范圍增大。這也就驗證了該高效合成射流激勵器的創(chuàng)新性，具有更大的實用價值。
權利要求
1.一種高效合成射流激勵器，其特征在于該激勵器包括控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)；該控制系統(tǒng)具體包括微型計算機，A/D轉(zhuǎn)換卡，可編程控制器PLC；該執(zhí)行系統(tǒng)具體包括伺服電機，對心曲柄機構，振動器，腔體；該控制系統(tǒng)產(chǎn)生一種高效激勵信號，控制和監(jiān)視激勵器工作，而該執(zhí)行系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令，按照指令信號工作；該控制系統(tǒng)中引入控制電機運轉(zhuǎn)的可編程控制器PLC，從而使對心曲柄機構具有急回特性；該高效合成射流激勵器的具體連接方式為微型計算機通過A/D轉(zhuǎn)換卡與可編程控制器PLC相連，可編程控制器PLC連接伺服電機，伺服電機再通過對心曲柄機構與振動器相連，振動器在腔體內(nèi)；這樣就可以通過可編程控制器PLC在微型計算機上在線編程產(chǎn)生高效合成射流激勵信號，該高效激勵信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡存儲到可編程控制器PLC，可編程控制器PLC控制伺服電機進行圓周運動，最后通過對心曲柄機構將伺服電機的圓周運動轉(zhuǎn)化為振動器置在腔體內(nèi)的具有急回特性的往返運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的高效合成射流激勵器，其特征在于該可編程控制器PLC控制伺服電機做上下半周期時間比不等于1的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對心曲柄機構的急回運動，形成高效合成射流。
3.根據(jù)權利要求1所述的高效合成射流激勵器，其特征在于該振動器為固定在腔體上的彈性薄膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的高效合成射流激勵器，其特征在于該振動器為可以在腔體內(nèi)壁往返運動的活塞。
5.根據(jù)權利要求1所述的高效合成射流激勵器，其特征在于該腔體設有腔體出口，其形狀為圓孔或細長縫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過改變驅(qū)動信號上下半周期的時間比而產(chǎn)生高效合成射流的高效合成射流激勵器。該激勵器包括控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)；該控制系統(tǒng)具體包括微型計算機，A/D轉(zhuǎn)換卡，可編程控制器PLC；該執(zhí)行系統(tǒng)具體包括伺服電機，對心曲柄機構，振動器，腔體；該控制系統(tǒng)產(chǎn)生一種高效激勵信號，控制和監(jiān)視激勵器工作，而該執(zhí)行系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令，按照指令信號工作；該控制系統(tǒng)中引入控制電機運轉(zhuǎn)的可編程控制器PLC，從而使對心曲柄機構具有急回特性，使得射流吹氣過程縮短，吸氣過程延長，進而可以產(chǎn)生高效合成射流。
文檔編號F15D1/08GK101070867SQ20071010036
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權日2007年6月8日
發(fā)明者張攀峰, 王晉軍, 徐超軍, 馮立好 申請人:北京航空航天大學