本發(fā)明屬于流場智能控制，具體涉及一種消除鈍體尾跡的智能控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、鈍體作為一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)形式，在高層建筑、大跨度橋梁、海洋平臺、水下航行體等土木與海洋工程領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)流體流過鈍體時(shí)會發(fā)生流動分離，會在鈍體后方形成顯著的尾跡，同時(shí)其阻力作用會導(dǎo)致不對稱周期性渦脫落，這些交替渦脫落不僅降低了近尾跡的穩(wěn)定性，而且對鈍體產(chǎn)生非定常力。對于高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)物，這些尾跡會使得結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不同幅度的振動和風(fēng)致響應(yīng)，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)物的安全性和穩(wěn)定性。對于水下航行體等海洋結(jié)構(gòu)物其產(chǎn)生的尾跡會極大的影響隱身性能，同時(shí)會造成很大的流動噪聲。因此，鈍體尾跡的控制和消除對于結(jié)構(gòu)物的安全、性能以及穩(wěn)定至關(guān)重要。

2、對于流體的控制方法常常按照是否有外部能量的輸入分為主動流動控制和被動流動控制。其中被動控制不需要額外的能量輸入，通過修改結(jié)構(gòu)物外形來實(shí)現(xiàn)，如優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、表面布置小型結(jié)構(gòu)物等，這種方法控制簡單，但是一般只能對特定的流動或者運(yùn)動狀態(tài)可能產(chǎn)生有用的控制效果，這種流動控制方式是事先確定的，但是當(dāng)流場環(huán)境或者物體運(yùn)動狀態(tài)改變后，無法達(dá)到較好的流動控制效果。主動流動控制需要引入外界輔助能量，向原始流場中添加適當(dāng)?shù)母蓴_，來達(dá)到控制流動的目的。對于物體的流動控制已有部分學(xué)者提出了一些手段和方法，如專利號為201410621524.2、專利名稱為一種并列雙圓柱體渦激振動的消減方法，公開了通過向流場中主動噴氣從而對尾流進(jìn)行控制，但是它們都只是盲目的對流場進(jìn)行了控制，并無法控制最佳的噴氣量和方向等，不能實(shí)時(shí)主動的根據(jù)流動環(huán)境或者物體的運(yùn)動狀態(tài)改變來調(diào)整最佳的流動控制，其適用范圍和控制效果非常有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種消除鈍體尾跡的智能控制裝置及方法，，利用人工智能算法能夠?qū)崟r(shí)智能的控制、調(diào)節(jié)和消除鈍體后方尾跡。

2、本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一種消除鈍體尾跡的智能控制裝置，包括：鈍體模型，所述鈍體模型下方和尾后進(jìn)行開孔；吸流管布置在所述鈍體模型下方的開孔處，用于吸取流場中的流體；輸流管與所述吸流管連接，用于運(yùn)輸吸取的流體；流量控制器與所述輸流管連接，用于控制調(diào)節(jié)激勵(lì)參數(shù)；伺服電機(jī)與所述流量控制器連接，通過所述流量控制器輸出的參數(shù)調(diào)節(jié)激勵(lì)器的方向和強(qiáng)度，所述激勵(lì)器布置在所述的鈍體模型的后方開孔處，通過所述激勵(lì)器干擾鈍體后方流場，從而對尾流進(jìn)行控制和消除；數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)與所述流量控制器、ccd高速相機(jī)通過無線信號連接，所述ccd高速相機(jī)的光軸與所述高頻激光器發(fā)出的激光片光平面相互垂直。

4、進(jìn)一步地，所述ccd高速相機(jī)用于拍攝流場中示蹤粒子圖像，拍攝的粒子圖像通過以太網(wǎng)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)中，并將輸出控制參數(shù)輸入到所述流量控制器中。

5、進(jìn)一步地，所述鈍體模型由亞克力材料制作。

6、進(jìn)一步地，所述高頻激光器發(fā)出波長為523nm光源，用于照亮流場中的粒子。

7、進(jìn)一步地，所述的數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)中包括piv流場數(shù)據(jù)集、訓(xùn)練線性遺傳算法(lgp)網(wǎng)絡(luò)、控制參數(shù)評估及輸出。

8、進(jìn)一步地，所述尾流中piv流場數(shù)據(jù)集的生成首先通過粒子圖像測速技術(shù)獲得待測流場區(qū)域的原始速度場分布，然后在粒子圖像中加入隨機(jī)的光照和噪聲,并根據(jù)光照強(qiáng)度改變粒子灰度值，以彌補(bǔ)激光強(qiáng)度干擾對所測量的速度場產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，最終獲得全流場的速度差值j。

9、進(jìn)一步地，所述訓(xùn)練線性遺傳算法lgp網(wǎng)絡(luò)的初始階段，加入一個(gè)反饋信號s作為系統(tǒng)的一個(gè)輸入，通過公式b＝j(luò)(s,h)計(jì)算控制參數(shù)，式中：j為速度差值、s為反饋信號、h為多頻率開環(huán)控制，向量b＝[b1、b2…]包含所有控制指令，控制指令包括激勵(lì)強(qiáng)度、激勵(lì)方向，通過遺傳運(yùn)算使得在特定的b控制下尾流中的速度差值最小。

10、進(jìn)一步地，所述控制參數(shù)評估及輸出中首先通過目標(biāo)函數(shù)k來估計(jì)估計(jì)控制率的效果和效率，基于該目標(biāo)函數(shù)的值，lgp決定是否保留、優(yōu)化或放棄測試當(dāng)前的控制參數(shù)，這個(gè)學(xué)習(xí)過程不斷重復(fù)，直到最優(yōu)控制律被選擇，并將最優(yōu)的控制參數(shù)輸入到控制器中對激勵(lì)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整。

11、本發(fā)明還可以包括：一種利用上述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置的控制方法，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇在暗處，避免周圍環(huán)境光的影響，同時(shí)將鈍體模型表面涂上黑色啞光漆；

12、首先將吸流孔和激勵(lì)器固定在鈍體內(nèi)部，將高頻激光器對準(zhǔn)待測尾流區(qū)域，將ccd高速相機(jī)布置在待測區(qū)域激光平面的垂直方向，開啟高頻激光器和ccd高速相機(jī)，獲得流場中的粒子圖像并輸入到數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行處理得到流場的速度信息，將流場信息輸入到自研的基于遺傳規(guī)劃算法中進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，從而獲得當(dāng)前最優(yōu)控制參數(shù)，并將其傳遞到流量控制器中對激勵(lì)器和伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而改變尾流，然后利用piv又獲取流場信息，往復(fù)循環(huán)直到尾流達(dá)到穩(wěn)定。

13、本發(fā)明的有益效果在于：

14、本發(fā)明能夠?qū)ξ矬w后方產(chǎn)生的尾流進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)的智能調(diào)節(jié)、控制和消除，具有適用范圍廣、易調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。一方面可以根據(jù)流場環(huán)境或者物體運(yùn)動狀態(tài)的改變，智能的自主調(diào)節(jié)激勵(lì)強(qiáng)度和方向從而對尾流進(jìn)行動態(tài)控制。另一方面可以通過對流場信息的實(shí)時(shí)測量，利用自研基于遺傳規(guī)劃算法網(wǎng)絡(luò)對流場信息進(jìn)行提取學(xué)習(xí)，從而獲得當(dāng)前最優(yōu)的激勵(lì)控制參數(shù)并實(shí)時(shí)反饋到控制器中對激勵(lì)器進(jìn)行調(diào)整，激勵(lì)器通過調(diào)整激勵(lì)強(qiáng)度和方向等，從而改變尾流場，而piv將改變后的流場信息又實(shí)時(shí)輸入到遺傳算法中，從而形成閉環(huán)控制，通過反復(fù)循環(huán)最終能夠獲取最優(yōu)的控制參數(shù)，將流體流過鈍體后產(chǎn)出的非定常尾流擾動減弱。

15、本發(fā)明通過piv獲得流場中的粒子圖像并輸入到數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行處理得到流場的速度信息，將流場信息輸入自研的基于遺傳規(guī)劃算法網(wǎng)絡(luò)中，并對流場信息進(jìn)行提取學(xué)習(xí)，從而獲得當(dāng)前最優(yōu)的激勵(lì)控制參數(shù)并實(shí)時(shí)反饋到控制器中對激勵(lì)器進(jìn)行調(diào)整，激勵(lì)器通過調(diào)整激勵(lì)強(qiáng)度和方向等，從而改變尾流場，而piv將改變后的流場信息又實(shí)時(shí)輸入到遺傳算法中，從而形成閉環(huán)控制，通過反復(fù)循環(huán)最終能夠獲取最優(yōu)的控制參數(shù)，將流體流過鈍體后產(chǎn)出的非定常尾流擾動減弱并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，能夠?qū)︹g體后方形成的尾跡進(jìn)行動態(tài)智能實(shí)時(shí)控制、調(diào)節(jié)和消除。

技術(shù)特征：

1.一種消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，包括：鈍體模型(1)，所述鈍體模型(1)下方和尾后進(jìn)行開孔；吸流管(2)布置在所述鈍體模型(1)下方的開孔處，用于吸取流場中的流體；輸流管(3)與所述吸流管(2)連接，用于運(yùn)輸吸取的流體；流量控制器(4)與所述輸流管(3)連接，用于控制調(diào)節(jié)激勵(lì)參數(shù)；伺服電機(jī)(5)與所述流量控制器(4)連接，通過所述流量控制器(4)輸出的參數(shù)調(diào)節(jié)激勵(lì)器(6)的方向和強(qiáng)度，所述激勵(lì)器(6)布置在所述鈍體模型(1)的后方開孔處，通過所述激勵(lì)器(6)干擾鈍體后方流場，從而對尾流進(jìn)行控制和消除；數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)(7)與所述流量控制器(4)、ccd高速相機(jī)(8)通過無線信號連接，所述ccd高速相機(jī)(8)的光軸與所述高頻激光器(9)發(fā)出的激光片光平面相互垂直。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述ccd高速相機(jī)(8)用于拍攝流場中示蹤粒子圖像，拍攝的粒子圖像通過以太網(wǎng)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)(7)中，并將輸出控制參數(shù)輸入到所述流量控制器(6)中。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述鈍體模型(1)由亞克力材料制作。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述高頻激光器(9)發(fā)出波長為523nm光源，用于照亮流場中的粒子。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)(7)中包括piv流場數(shù)據(jù)集、訓(xùn)練線性遺傳算法lgp網(wǎng)絡(luò)、控制參數(shù)評估及輸出。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置及方法，其特征在于，所述尾流中piv流場數(shù)據(jù)集的生成首先通過粒子圖像測速技術(shù)獲得待測流場區(qū)域的原始速度場分布，然后在粒子圖像中加入隨機(jī)的光照和噪聲,并根據(jù)光照強(qiáng)度改變粒子灰度值，以彌補(bǔ)激光強(qiáng)度干擾對所測量的速度場產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，最終獲得全流場的速度差值j。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述訓(xùn)練線性遺傳算法lgp網(wǎng)絡(luò)的初始階段，加入一個(gè)反饋信號s作為系統(tǒng)的一個(gè)輸入，通過公式b＝j(luò)(s,h)計(jì)算控制參數(shù)，式中：j為速度差值、s為反饋信號、h為多頻率開環(huán)控制，向量b＝[b1、b2…]包含所有控制指令，控制指令包括激勵(lì)強(qiáng)度、激勵(lì)方向，通過遺傳運(yùn)算使得在特定的b控制下尾流中的速度差值最小。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置，其特征在于，所述控制參數(shù)評估及輸出中首先通過目標(biāo)函數(shù)k來估計(jì)估計(jì)控制率的效果和效率，基于該目標(biāo)函數(shù)的值，lgp決定是否保留、優(yōu)化或放棄測試當(dāng)前的控制參數(shù)，這個(gè)學(xué)習(xí)過程不斷重復(fù)，直到最優(yōu)控制律被選擇，并將最優(yōu)的控制參數(shù)輸入到控制器中對激勵(lì)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整。

9.一種利用權(quán)利要求1-8之一所述的消除鈍體尾跡的智能控制裝置的控制方法，其特征在于，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇在暗處，避免周圍環(huán)境光的影響，同時(shí)將鈍體模型(1)表面涂上黑色啞光漆；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種消除鈍體尾跡的智能控制裝置及方法。本發(fā)明組成包括：鈍體模型，所述鈍體模型下方和尾后進(jìn)行開孔；吸流管布置在鈍體模型下方的開孔處，用于吸取流場中的流體；輸流管與吸流管連接，用于運(yùn)輸吸取的流體；流量控制器與輸流管連接，用于控制調(diào)節(jié)激勵(lì)參數(shù)；伺服電機(jī)與流量控制器連接，通過流量控制器輸出的參數(shù)調(diào)節(jié)激勵(lì)器的方向和強(qiáng)度，激勵(lì)器布置在鈍體模型的后方開孔處，通過激勵(lì)器干擾鈍體后方流場，從而對尾流進(jìn)行控制和消除；數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練系統(tǒng)與流量控制器、CCD高速相機(jī)通過無線信號連接，CCD高速相機(jī)的光軸與高頻激光器發(fā)出的激光片光平面相互垂直。本發(fā)明能夠?qū)︹g體后方形成的尾跡進(jìn)行動態(tài)智能實(shí)時(shí)控制、調(diào)節(jié)和消除。

技術(shù)研發(fā)人員：郭春雨,吳延園,韓陽,王超,汪永號,朱軍鵬,高銘辰,冀明磊,鄶云飛,范毅偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8