合成射流发生器的频率响应及健康跟踪器
阅读：698发布：2023-03-03
专利汇可以提供合成射流发生器的频率响应及健康跟踪器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及合成射流发生器的 频率 响应及健康 跟踪 器。通过以下步骤控制射流发生器：向射流发生器和射流发生器的模拟电 力 负载提供可变频率的输入 信号 ；测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以识别由射流发生器所产生的射流的最优流；以及调整 输入信号 的频率以维持射流处于最优流。，下面是合成射流发生器的频率响应及健康跟踪器专利的具体信息内容。
1.一种装置，其包括：
电源，其用于向实现射流的射流发生器和所述射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号；
检测电路，其用于测量所述射流发生器和所述模拟电力负载之间的信号差以实现所述射流的最优流；以及
调整电路，其用于调整所述电源的所述可变频率以维持所述射流处于所述最优流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述调整电路被配置为在频率范围内根据所述输入信号以及所述射流发生器和所述模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以便确定用于调整所述电源的所述可变频率的控制参数。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述调整电路被配置为辨别指示所述射流发生器退化的传递函数的变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述射流发生器包括合成射流器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述射流发生器包括压电器件。
6.一种控制射流发生器的方法，其包括：
向所述射流发生器和所述射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号；
测量所述射流发生器和所述模拟电力负载之间的信号差以实现由所述射流发生器所产生的射流的最优流；以及
调整所述输入信号的频率以维持所述射流处于所述最优流。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括根据所述输入信号以及所述射流发生器和所述模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以确定用于调整所述输入信号的所述可变频率的控制参数。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括辨别指示所述射流发生器的退化的传递函数的变化。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述射流发生器以所述射流发生器的共振频率产生所述最优流。
合成射流发生器的频率响应及健康跟踪器
技术领域
[0001] 示例实施例总体涉及合成射流器，并且特别涉及驱动和监测合成射流发生器。
背景技术
[0002] 通常使用某一频率的正弦输入来驱动合成射流发生器的致动器，该频率基于合成射流发生器的频率响应，产生最优的喷射速度。确定产生最优流的该频率通常要求使用外部传感器(例如，加速计)进行校正程序。对于合成射流发生器应用具有适当尺寸、噪声本底、动态范围以及鲁棒性的外部传感器通常是昂贵的，一般比合成射流发生器本身花费得更多。外部传感器通常是受干扰的，并且对合成射流发生器的原位测量不利。
[0003] 在由于发生器的结构改变或者环境状况而造成合成射流发生器的频率响应偏移的情况下，对合成射流发生器进行重新表征通常要求重新附连外部传感器并且重新执行校正程序。在某些应用中，例如，当发生器被附连到在飞行中的机翼时，重新表征可能是被禁止的。而且，在不将发生器从其应用拆除并且将发生器返回到外部传感器可以被附连且重新执行校正程序的测试台的情况下，确定合成射流发生器是否已经退化并且接近失效条件是不可行的。发明内容
[0004] 本发明可以包含一种装置，其可以包括：用于向实现射流的射流发生器和射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号的电源；用于测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以实现射流的最优流的检测电路；以及用于调整电源的可变频率以维持射流处于最优流的调整电路。调整电路可以被配置为在频率范围内根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以便确定用于调整电源的可变频率的控制参数。调整电路可以被配置为辨别指示射流发生器的退化的传递函数的变化。射流发生器可以以射流发生器的共振频率产生最优流。射流发生器可以包括合成射流器。射流发生器可以包括压电器件。射流发生器可以包括电致伸缩器件。射流发生器可以包括扬声器线圈。
[0005] 本发明可以包含一种控制系统，其可以包括：用于向实现射流的射流发生器和射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的电力的电源；测量通过射流发生器和模拟电力负载的电流差以实现射流的最优流的检测电路；以及用于调整电源的可变频率以维持射流处于最优流的调整电路。控制系统还可以包括用于在频率范围内根据电力以及射流发生器和模拟电力负载之间的电流差确定传递函数的计算电路，以便确定用于调整电路的控制参数。计算电路可以被配置为辨别指示射流发生器的退化的传递函数的变化。射流发生器可以以射流发生器的共振频率产生最优流。射流发生器可以包括合成射流器。
[0006] 本发明可以包含一种控制射流发生器的方法，其可以包括：向射流发生器和射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号；测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以实现由射流发生器所产生的射流的最优流；以及调整输入信号的频率以维持射流处于最优流。该方法还包括根据输入信号以及射流发生器与模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以确定用于调整输入信号的可变频率的控制参数。该方法还可以包括辨别指示射流发生器的退化的传递函数的变化。射流发生器可以以射流发生器的共振频率产生最优流。射流发生器可以包括合成射流器。射流发生器可以包括压电器件。射流发生器可以包括电致伸缩器件。射流发生器可以包括扬声器线圈。
[0007] 本发明可以包括一种表征和监测合成射流发生器的性能的方法，其可以包括：在合成射流发生器的操作频率范围内向合成射流发生器和合成射流发生器的模拟电力负载提供输入信号；在操作频率范围内测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差；根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数；以及使用传递函数来确定输入信号的控制参数，使合成射流发生器产生最优流。该方法可以包括：识别与合成射流发生器的变化的共振频率对应的传递函数的变化；以及调整控制参数以改变输入信号的频率，使合成射流发生器操作在变化的共振频率，从而产生最优流。该方法还可以包括：检测预示接近失效条件的传递函数的变化；以及调整控制参数以维持合成射流发生器处于最优流，或者调整控制参数以使合成射流发生器操作在降低的能力。该方法还可以包括发送接近失效条件的警报。该方法还可以包括：在操作频率范围内测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差，以确定射流发生器的反电动势特征；检测预示接近失效条件的反电动势特征的变化；以及调整控制参数以维持合成射流发生器处于最优流，或者调整控制参数以使合成射流发生器操作在降低的能力。该方法还可以包括发送接近失效条件的警报。
[0008] 能够在不使用校正程序和昂贵的外部传感器的情况下表征合成射流发生器将是有优势的。调整合成射流发生器的驱动频率以维持最优射流速度或者最优流，并且确定合成射流发生器是否接近失效条件，也将是有优势的。附图说明
[0009] 图1根据所公开的实施例的多方面示出合成射流发生器的示意图；
[0010] 图2根据所公开的实施例的多方面示出用于表征和监测合成射流发生器的性能的电路的框图；
[0012] 图3B根据所公开的实施例的多方面示出示例性计算电路的框图；
[0013] 图4根据所公开的实施例的多方面示出合成射流发生器的示例性传递函数；
[0014] 图5根据所公开的实施例的多方面示出合成射流发生器的另一示例性传递函数；
[0015] 图6根据所公开的实施例的多方面示出表征和监测合成射流发生器的性能的过程；以及
[0016] 图7根据所公开的实施例的多方面示出结合机翼使用的一个或多个合成射流器的示意图。
具体实施方式
[0017] 图1示出了与所公开的实施例使用的示例性射流发生器100。示例性射流发生器通过来回移动流体通过开口或者孔口而操作。合成射流可以通过由活塞或者隔板循环吸取和排出来自空腔的流体穿过开口而产生。示例性射流发生器100包括一个或多个致动器105、一个或多个弯曲部(flexure)110、一个或多个活塞115、至少一个空腔120以及至少一个孔口125。
[0018] 在一个方面，致动器105可以包括压电元件或电致伸缩元件，通过在该元件两端施加电压来驱动它。在另一方面，致动器可以由压电元件或电致伸缩元件的堆叠构成，通过在该堆叠中的每个元件两端施加电压来驱动它。压电元件或电致伸缩元件可以包括例如，钛酸钡、磷酸镓、铌镁酸铅、锆钛酸铅镧、钛酸铅、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾或者任何其他适合的材料。在又一方面，致动器可以是扬声器线圈。应当理解，示例性射流发生器100可以包括单个致动器，或者可以包括多个致动器。一个或多个弯曲部110可以耦合到致动器105以放大致动器的运动。弯曲部110通常可以是机械弯曲部，但是也可以使用其他运动放大机构，例如伺服机构。致动器105单独或者与弯曲部110结合可以驱动活塞115以转移(displace)流体，例如空气。活塞可以操作为刚性体，或者可以周期性地被弯折、弯曲或以其他方式变形以改变空腔的体积，并且使流体通过孔口125进入或者离开空腔120。
可以使用基于射流发生器100的行为确定的正弦信号来驱动致动器，以提供最优射流动量或者速度，通常称为最优流。在至少一个方面，示例性射流发生器100可以包括分别耦合到两个对置的活塞的两个对置的弯曲部，这两个对置的活塞同时操作以通过孔口125向内和向外转移空腔120中的流体。
可以使用基于射流发生器100的行为确定的正弦信号来驱动致动器，以提供最优射流动量或者速度，通常称为最优流。在至少一个方面，示例性射流发生器100可以包括分别耦合到两个对置的活塞的两个对置的弯曲部，这两个对置的活塞同时操作以通过孔口125向内和向外转移空腔120中的流体。
[0019] 如以上所提到的，外部传感器(例如，加速计)可以用于校正程序以识别射流发生器100的特性，例如，产生最优流的驱动频率。与之相比，根据所公开的实施例，射流发生器的致动器105可以用作原位传感器以检测最优流频率。致动器105还可以用于指示由于例如流体密度、温度或其他条件的改变而导致的最优流频率的改变。另外，致动器105可以用于提供健康评估以识别接近失效条件。
[0020] 图2示出根据所公开的实施例的可以用于表征和监测合成射流发生器230的装置200的框图。该装置可以包括电源210、检测电路215以及调整电路220。为了实现自感测，还可以包括模拟射流发生器230的电力负载的电力负载225。具有匹配的电阻R1、R2的电阻器可以分别与射流发生器230和模拟负载225串联。
[0021] 应当理解，电源210、检测电路215以及调整电路220通常可以包括用于执行根据所公开的实施例的多方面所描述的功能的任何电路或者程序，包括一个或多个处理器、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、门阵列逻辑器件、状态机以及存储器器件。存储器器件可以包括计算机可读或者可用介质，以及用实现所公开的实施例的计算机可执行部件、软件、程序、指令或者命令编码的计算机可读或者可用存储介质。电源210、检测电路215以及调整电路220还可以包括任何适合的传感器、数字信号处理器、锁相环电路、缓冲器、模数和数模转换器、电平移位器、放大器、整流器或者用于执行在此所描述的功能的任何其他适合的电气部件。
[0023] 电源210可以向射流发生器230和模拟电力负载225提供输入信号。电源可以使用桥式电路来驱动射流发生器230和模拟负载225，或者可以使用提供驱动射流发生器230和模拟负载225所需的电压、电流以及转换速率的任何适合的驱动电路。在一个方面，输入信号235可以具有单个频率，并且电源可以根据由调整电路220提供的控制参数改变频率以产生最优流。在至少一个方面，当输入信号235使射流发生器230以射流发生器的共振频率操作时，射流发生器230产生最优流。
[0024] 应当注意，为了减小电源210所需要的电量，可以选择性地将模拟负载225与信号235断开，并且可以在需要表征和监测射流发生器230时连接。
[0025] 在一个方面，检测电路215可以连接到射流发生器230，并且可以被设置为确定通过射流发生器230的信号240的频率且提供指示该频率的输出信号260。调整电路220可以感测输出信号260，并且向电源210提供控制参数255以调整电源的可变频率，使得输入信号235使射流发生器维持最优流。在一个示例性方面，调整电路220可以包括微控制器实施的自适应反馈算法270，自适应反馈算法270使用锁相环电路来比较输入信号235和输出信号260，以跟踪射流发生器230的共振频率，并且向电源210提供控制参数255以便调整电源的可变频率，使得输入信号235使射流发生器以共振频率操作，从而维持最优流。在其他方面，可以利用适合于监测射流发生器的共振频率的变化并且向电源提供控制参数以将射流发生器操作维持在最优流的任何电路。
[0026] 图3A示出微控制器执行的自适应反馈算法270的示例性实施方式的框图，其包括锁相环电路305、微控制器310、数字编程模拟滤波器315、调节电路320以及处理电路325。在一个方面，锁相环电路305和数字编程模拟滤波器315可以用于实现调谐的二阶控制系统，用于跟踪合成射流发生器的操作频率。锁相环电路305可以用于比较信号235和信号
260，并且向微控制器310提供与信号235和信号260之间的差成比例的信号330。微控制器310可以分析该比例信号330以设置数字编程模拟滤波器315的滤波器参数。在一个方面，数字编程模拟滤波器315可以是开关电容滤波器，其开关频率由信号260按照调节电路
320所调节地而设置。数字编程模拟滤波器315的输出可以接着由处理电路325滤波或者进一步处理，以向电源235提供控制参数255。
260，并且向微控制器310提供与信号235和信号260之间的差成比例的信号330。微控制器310可以分析该比例信号330以设置数字编程模拟滤波器315的滤波器参数。在一个方面，数字编程模拟滤波器315可以是开关电容滤波器，其开关频率由信号260按照调节电路
320所调节地而设置。数字编程模拟滤波器315的输出可以接着由处理电路325滤波或者进一步处理，以向电源235提供控制参数255。
[0027] 在另一方面，检测电路215可以连接到射流发生器230和模拟负载，并且可以被设置为测量通过射流发生器230的信号240和通过模拟负载225的信号245之间的差。检测电路215可以向调整电路220提供与信号240和信号245之间的差成比例的输出信号250。在一个方面，输出信号250指示通过射流发生器230和模拟负载225的电流的差。在另一方面，射流发生器230的电力负载与模拟电力负载都是基本容性的。在又一方面，例如，当射流发生器使用扬声器线圈作为致动器时，射流发生器230的电力负载与模拟电力负载可以都是基本感性的。在这两方面，输出信号250可以指示致动射流发生器230所用的电流量。
[0028] 调整电路220可以包括计算电路265，其用于确定在合成射流发生器的操作频率范围内的输入信号和由输出信号250表示的射流发生器和模拟负载之间的信号差的传递函数。
[0029] 图3B示出用于确定和使用传递函数的计算电路265的示例的框图。在至少一个方面，计算电路包括信号调节电路350、微控制器355以及存储器器件360。计算电路265在微控制器355的控制下可以提供使电源210在射流发生器230的操作频率范围内改变输入信号的频率的控制参数255。随着频率改变，微控制器可以在存储器360中存储表示由输出信号250提供并且由调节电路350调节的射流发生器和模拟负载之间的信号差的数据。微控制器355可以使用该数据来计算在射流发生器230的操作频率范围内的针对选定时间间隔的差值信号250相对于输入信号235的传递函数。图4示出示例性传递函数。微控制器355可以分析传递函数400以识别射流发生器230产生最优流时的射流发生器230的一个或多个共振频率，并且微控制器355可以产生用于电源210的控制参数，以在其中一个共振频率下使射流发生器230操作在最优流。在至少一个方面，调整电路可以实现反馈系统以使合成射流发生器230操作在最优流。
[0030] 应当理解，传递函数也可以独立于在此所描述的系统来确定，例如通过以下方式来确定：在单独的测试台上进行独立测量、在其他系统上进行独立计算、在其他系统上进行建模或者使用适合于确定描述合成射流发生器的操作的传递函数的任何过程。
[0031] 微控制器355还可以包括用于识别与射流发生器230的一个或多个共振频率的变化对应的传递函数的变化的电路，一个或多个共振频率的变化是由例如环境条件(例如，流体密度和温度)的变化引起的。作为响应，微控制器355可以产生用于电源210的控制参数255，以随着射流发生器230的共振频率改变而改变信号235的频率，使得射流发生器230继续产生最优流。
[0032] 调整电路220还可以包括用于根据传递函数的变化确定射流发生器230的健康的指示的电路。作为示例，图5示出了图4最初所示的传递函数500，但是具有截去的峰值510。传递函数的特定变化可以识别接近失效条件，例如，损坏的弯曲部或者致动器具有有限的运动范围。在这个示例中，弯曲部或者致动器可能继续运行，但是有效性降低。调整电路可以向电源提供控制参数以维持原始的传递函数，或者向电源提供控制参数以使射流发生器操作在降低的能力，直到射流发生器可以被检修。
[0033] 在至少一个方面，所存储的数据可以用于计算射流发生器的致动器的反电动势(emf)特征(signature)，例如，在射流发生器使用扬声器线圈作为致动器的情况下。检测电路结合调整电路可以被配置为根据反电动势特征的改变确定健康指示器。反电动势的偏差可以提供接近失效条件的指示，并且作为响应，调整电路可以向电源提供控制参数以使射流发生器维持在最优流，或者可以向电源提供控制参数以使射流发生器操作在降低的能力。
[0034] 应当理解，反电动势特征也可以独立于在此所描述的系统来确定，例如通过以下方式来确定：在单独的测试台上进行独立测量、在其他系统上进行独立计算、在其他系统上进行建模或者使用适合于确定在操作频率范围内的合成射流发生器的反电动势的任何过程。
[0035] 调整电路可以可选地向用户或者外部系统发送即将发生的失效的警报，或者可以向电源提供控制参数，使电源发送该警报。
[0036] 图6根据所公开的实施例的多方面示出表征和监测合成射流发生器的性能的过程600。在方框610中，在射流发生器230的操作频率范围内向射流发生器230和模拟负载225提供输入信号。在方框615中，在射流发生器230的操作频率范围内测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差。在方框620中，根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数。在方框625中，使用传递函数确定输入信号的控制参数以使合成射流器产生最优流。在方框630中，识别与射流发生器230的变化的共振频率对应的传递函数的变化，并且调整控制参数以改变输入信号的频率，使得射流发生器230操作在变化的共振频率以产生最优流。在方框635中，可以识别接近失效条件的传递函数或者反电动势特征的变化被确认，并且在方框640中，调整控制参数以维持射流发生器230处于最优流。替换地，在方框645中，调整控制参数以使射流发生器操作在降低的能力，直到射流发生器可以被检修。可选地，在方框650中，可以向用户或者外部系统发送即将发生的失效的警报。
[0037] 图7示出所公开的实施例的示例方面的示意图，在其中可以结合机翼705使用一个或多个合成射流器700以实现有效的流控制。例如，可以使用一个或多个合成射流器700来通过增加或者减小来自流体边界层710的能量而控制流分离。具体地，可以使用一个或多个合成射流器700来通过抑制流分离或者脱落而减小阻力，以便防止在高迎角下的前缘失速。应当理解，图7所示的一个或多个合成射流器可以由上述装置200中所例示的电路进行表征、监测以及控制。应当理解，图7中的合成射流器的位置、布置以及数量仅作为示例示出，并且可以使用任何适合的配置和数量。在美国专利5,938,404中示出了具有合成射流器的示例性机翼，该专利通过引用以其整体合并于此。
[0038] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，一种装置包括：用于向实现(effect)射流的射流发生器和该射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号的电源；用于测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以实现射流的最优流的检测电路；以及用于调整电源的可变频率以维持射流处于最优流的调整电路。
[0039] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，调整电路被配置为在频率范围内根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以便确定用于调整电源的可变频率的控制参数。
[0040] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，调整电路被配置为辨别(distinguish)指示射流发生器的退化的传递函数的变化。
[0041] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器以射流发生器的共振频率产生最优流。
[0042] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括合成射流器。
[0043] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括压电器件。
[0044] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括电致伸缩器件。
[0045] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括扬声器线圈。
[0046] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，一种控制系统包括：用于向实现射流的射流发生器和该射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的电力的电源；用于测量通过射流发生器和模拟电力负载的电流差以实现射流的最优流的检测电路；以及用于调整电源的可变频率以维持射流处于最优流的调整电路。
[0047] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该控制电路包括用于在频率范围内根据电力以及射流发生器和模拟电力负载之间的电流差的传递函数的计算电路，以便确定用于调整电路的控制参数。
[0048] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，计算电路被配置为辨别指示射流发生器的退化的传递函数的变化。
[0049] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器以射流发生器的共振频率产生最优流。
[0050] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括合成射流器。
[0051] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，一种控制射流发生器的方法包括：向射流发生器和射流发生器的模拟电力负载提供可变频率的输入信号；测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以实现由射流发生器所产生的射流的最优流；以及调整输入信号的频率以维持射流处于最优流。
[0052] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数，以确定用于调整输入信号的可变频率的控制参数。
[0053] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括辨别指示射流发生器的退化的传递函数的改变。
[0054] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器以射流发生器的共振频率产生最优流。
[0055] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括合成射流器。
[0056] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括压电器件。
[0057] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括电致伸缩器件。
[0058] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，射流发生器包括扬声器线圈。
[0059] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，一种表征和监测合成射流发生器的性能的方法包括：在合成射流发生器的操作频率范围内向合成射流发生器和合成射流发生器的模拟电力负载提供输入信号；在操作频率范围内测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差；根据输入信号以及射流发生器和模拟电力负载之间的信号差确定传递函数；以及使用传递函数来确定用于输入信号的控制参数以使合成射流发生器产生最优流。
[0060] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括识别与合成射流发生器的变化的共振频率对应的传递函数的变化；以及
[0061] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括调整控制参数以改变输入信号的频率，使合成射流发生器操作在变化的共振频率，从而产生最优流。
[0062] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括检测预示接近失效条件的传递函数的变化，并且调整控制参数以维持合成射流发生器处于最优流，或者调整控制参数以使合成射流发生器操作在降低的能力。
[0063] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括发送接近失效条件的警报。
[0064] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括：在操作频率范围内测量射流发生器和模拟电力负载之间的信号差以确定射流发生器的反电动势特征；检测预示接近失效条件的反电动势特征的变化；以及调整控制参数以维持合成射流发生器处于最优流，或者调整控制参数以使合成射流发生器操作在降低的能力。
[0065] 根据所公开的实施例的一个或多个方面，该方法包括发送接近失效条件的警报。
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