分離流動(dòng)的電磁力主動(dòng)控制.pdf

1、主動(dòng)流動(dòng)控制是控制科學(xué)和流體力學(xué)交叉所產(chǎn)生的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。主動(dòng)流動(dòng)控制通過(guò)向流場(chǎng)注入可控的能量，可抑制流動(dòng)分離和轉(zhuǎn)捩、提高流動(dòng)穩(wěn)定性，達(dá)到減少航行器在流體中的阻力、減少壓力脈動(dòng)、降低輻射噪聲等效果。與被動(dòng)控制方式相比，主動(dòng)流動(dòng)控制具有更高的效率和魯棒性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，但也面臨著更加復(fù)雜的理論和實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。
　　 利用海水的弱導(dǎo)電性，通過(guò)電磁力來(lái)改變局部流場(chǎng)，是一種新興的主動(dòng)流動(dòng)控制方式。本文以電磁力作用下圓柱繞流

2、和大功角翼型繞流兩種分離流動(dòng)為控制對(duì)象，研究了有關(guān)的模型降階、控制器設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題。
　　 一般主動(dòng)流動(dòng)控制分為基于模型和不依賴模型兩類(lèi)方式，本文對(duì)兩類(lèi)控制方式都進(jìn)行了研究。首先，在模型降階研究中，利用有限體積法得到的流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，基于快照式本征正交分解和Galerkin投影方法，建立了電磁力作用下圓柱繞流的降階模型，并利用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行模型參數(shù)的校準(zhǔn)，提高了降階模型的精度。
　　 在降階模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非線

3、性系統(tǒng)的耗散性理論設(shè)計(jì)了控制器。利用POD分解證明了當(dāng)圓柱繞流處于穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)時(shí)，圓柱所受升力的頻率與流場(chǎng)中任一點(diǎn)速度振蕩的頻率相同，因此可以利用升力的測(cè)量信號(hào)來(lái)估計(jì)流場(chǎng)的狀態(tài)。該控制器以布置在圓柱表面的電極和磁極作為作動(dòng)器，將升力作為傳感器反饋信號(hào)。通過(guò)改變圓柱壁面上的電極電壓來(lái)耗散尾流中的脈動(dòng)能量，設(shè)計(jì)的控制器能有效地減少圓柱繞流的振蕩幅度。
　　 其次，在不依賴于模型的主動(dòng)流動(dòng)控制策略研究中，提出了基于粒子群優(yōu)化的極值搜

4、索控制算法（PSOESC）。該算法可通過(guò)在線測(cè)量和尋優(yōu)，使得控制器工作在最佳狀態(tài)附近; 為提高該算法的實(shí)用性，針對(duì)粒子群優(yōu)化的隨機(jī)性、群體性特點(diǎn)，提出狀態(tài)序列的重排算法，以減少控制過(guò)程中的振蕩和增益過(guò)大現(xiàn)象；還針對(duì)粒子群優(yōu)化和分離流動(dòng)的極限環(huán)振蕩周期性特點(diǎn)，提出了PSOESC 加速收斂算法。
　　 最后，利用隨機(jī)差分方程理論分析了PSOESC在噪聲環(huán)境中的穩(wěn)定性，給出了測(cè)量噪聲干擾下保證粒子群優(yōu)化算法收斂的充分條件，并分析了目標(biāo)

5、函數(shù)性態(tài)和噪聲強(qiáng)度對(duì)尋優(yōu)精度的影響。證明了有界測(cè)量噪聲干擾的作用下標(biāo)準(zhǔn)PSO算法產(chǎn)生的序列所滿足的動(dòng)態(tài)方程的穩(wěn)定性判據(jù)與無(wú)干擾時(shí)的一致。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)PSO的參數(shù)滿足條件時(shí)，噪聲不會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)PSO算法是否收斂。該結(jié)論也可推廣到時(shí)變參數(shù)PSO算法中去。但是，噪聲會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)PSO 尋優(yōu)的準(zhǔn)確性，即在噪聲干擾下，PSO將只是收斂到真最優(yōu)值的附近，其誤差限的大小與目標(biāo)函數(shù)的性態(tài)和噪聲的強(qiáng)度有關(guān)。
　　 數(shù)值分析和模型實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的兩種主動(dòng)