分離主動控制

分離主動控制（Phase-compensation control） 通過向流場注入可控的能量，可更加靈活、精確、有效地改變流動狀態，從而達到更好的控制效果。是控制科學和流體力學交叉所產生的一個新的研究領域，在學術上和工程套用上都有很高的研究價值。

分離控制可分為被動流動控制(Passive Flow Control, PFC)和主動流動控制(Active Flow Control, AFC)。

基本介紹

• 中文名：分離主動控制
• 外文名：Phase-compensation control
• 涉及學科：信息科學
• 分為：被動流動控制和主動流動控制
• 通過：向流場注入可控的能量
• 套用：自動化

背景

航空航天技術是二十世紀發展最為迅速、活躍的科學技術之一，使人類的生活產生了巨大的變化，其發展水平標誌著一個國家科學技術的先進性。在航空航天活動的最主要的工具就是飛行器，它不僅是航空航天技術的核心，其研製水平也是國家科技、工業等綜合實力的集中體現。

未來飛行器的設計是一個高度複雜的系統，並且是一個涉及多種學科的綜合。雷達、電子儀表、自動控制系統等技術的迅速發展使飛行器的性能得到了顯著的提高。然而，毋庸置疑，優良的空氣動力特性及動力裝置仍然是飛行器獲得高機動性和機敏性的重要保障，是其在作戰效能上實現新高度的保證。

翼型是各種飛行器上廣泛使用的幾何形狀，如舵、穩定翼、鰭等，其設計是飛行器設計的關鍵技術之一，其氣動特性直接影響整個飛行器的氣動特性，在空氣動力學理論和飛行器設計中具有重要的地位。

隨著飛行器設計性能要求的不斷提高，為使飛行器的性能能夠實現新的突破，在飛行過程中必須擴大飛行器的使用迎角，而大迎角飛行常伴隨著分離、非定常等複雜流動現象。流體在低雷諾數條件下常常處於層流狀態，此時，其抵抗逆壓梯度的能力較弱，更易發生分離、轉扳等流動現象，若翼型上表面分離區過大，將導致升力驟減、阻力劇增，由於分離氣流的不穩定性，在一定條件下還會伴有振盪的產生，進而引起飛行器的整體產生振動或強烈噪聲，嚴重時甚至影響到飛行器的安全性，大大地降低了飛行器的氣動性能。因此，為減小阻力、增大升力、提高臨界失速攻角，如何抑制或消除翼型流動分離是提高飛行器性能過程中必須要解決的一個難題。

顯而易見，分離主動控制技術變得越來越重要，並在高性能飛行器研製中顯出不可替代的作用，分離控制和減阻、氣動噪聲控制、渦流控制等技術是達到新一代飛行器設計目標的必要途徑，特別是主動分離主動控制技術是解決這些問題的最有效的手段之一。

通過近幾十年的發展，飛行器氣動布局設計技術趨於成熟，因此，未來必須依託於諸如主動分離主動控制技術等具有變革性意義的先進手段，才能進一步提高飛行器的性能。當前我國大型民用飛機正處於研發階段，而更多的仍處於研製或預研階段。面對國際航空業的激烈競爭，我國的軍民用飛行器要想在重重挑戰中有所突破，必須積極開展以減阻降噪為目的的分離控制、噪聲控制、渦流控制等先進的分離主動控制技術研究工作。

綜上，了解翼型流動分離現象的特點及危害，研究切實有效的翼型流動分離控制方法，對推動高性能飛行器的發展以及提高飛行員駕駛的安全性都具有非常重大的意義。

分離原理

分離原理是把隨機控制系統的控制器分解成狀態估計和確定性反饋控制兩部分分別進行設計的一種原理。

套用這個原理時，先根據隨機觀測數據估計系統的狀態，再把估計值看作為真實狀態，按照確定性系統設計最優控制規律。這是對隨機最優控制系統設計技術的一種簡化。這樣設計出來的系統常常不是真正最優的。只有對某些特定類型的系統，可按分離原理設計出最優的隨機控制策略。這類系統稱為可分離系統。線性二次型高斯 (LQG)隨機過程控制問題就屬於這一類，它的求解和實現都比較容易，有較大的實用意義。下圖為按分離原理設計的控制器結構。狀態估值器可採用卡爾曼濾波器來實現（見卡爾曼-布希濾波），它給出受控過程內部狀態x的最優估計值憫。而後用憫的信息按確定性的反饋律給出控制и 的值，и =L憫。

對可分離性的概念進行更深入的研究，還可導出中立性和確定性等價兩個概念。中立性條件只說明在設計反饋控制律時不必顧及它對估計精度的影響，這個條件較可分離性條件為弱。確定性等價條件則比可分離性更強,它要求由憫到и 的反饋控制律與隨機干擾為零時得到的確定性系統的最優控制律完全一致。在確定性等價條件滿足時，設計過程可進一步簡化。

主動控制

主動控制就是預先分析目標偏離的可能性，並擬訂和採取各項防禦措施，以使計畫目標得以實施。它是面向未來的控制、前饋控制和事前控制。

主動控制是對將要實施的計畫目標進行的控制，是在事情發生前按預定計畫目標主動採取控制措施的一種方法。主動控制可以解決傳統控制過程中存在的時滯影響，盡最大可能改變偏差已成事實的被動局面，使目標控制達到理想的效果。當控制者根據自己掌握的信息預測出控制目標將要偏離計畫目標時，採取適當的糾正措施，使計畫目標的運行不發生偏離。

分離主動控制簡介

分離主動控制是控制科學和流體力學交叉所產生的一個新的研究領域，在學術上和工程套用上都有很高的研究價值。

分離主動控制可分為被動分離主動控制(Passive Flow Control, PFC)和分離主動控制(Active Flow Control, AFC)。目前工程上廣泛套用的是被動分離主動控制，如航行器表面上的端板、擾流板、導葉、小肋(Criblet)、溝槽、旋渦發生器等。被動分離主動控制通過預先設計好的固定裝置來改變流動狀態，當流場實際情況與設計狀態有所偏離時，控制效果將有所降低。

分離主動控制通過向流場注入可控的能量，可更加靈活、精確、有效地改變流動狀態，從而達到更好的控制效果。針對不同的套用對象，主動分離主動控制可起到抑制/增強流動分離、推遲提前轉扳、提高/降低流動穩定性、耗散乃曾加振盪能量等作用，從而達到減少航行器在流體中的阻力、提高升力、減少壓力脈動、降低輻射噪聲等效果，以及加強傳質傳熱、增強流體介質的混合，提高換熱效率、燃燒效率和化學反應效率等。

措施

實施主動控制可以採取以下措施：

1、詳細調查並分析研究外部環境條件，以確定影響目標實現和計畫實施的各種有利和不利因素，並將這些因素考慮到計畫和其他管理職能之中。

2、識別風險，努力將各種影響目標實現的因素找出來，為風險分析和管理提供依據，並在計畫實施中做好風險管理。

3、用科學的方法制定計畫。做好計畫可行性分析，消除那些造成資源不可行、技術不可行、經濟不可行和財務不可行的各種錯誤和缺陷，保障工程項目的實施能夠有足夠的時間、空間、人力、物力和財力，並在此基礎上力求使計畫得到最佳化。事實上，計畫制定得越明確、完善，就越能設計出有效的控制系統，也就越能使控制產生更好的效果。

4、高質量地做好組織工作。使組織與目標和計畫高度一致，把目標控制的任務與管理職能落實到適當的機構和人員，做到職權與職責明確，使全體成員能夠通力協作，為共同實現目標而努力。

5、制定必要的備用方案，以對付可能出現的影響目標或計畫實現的情況。一旦發生這些情況，因有應急措施做保障，從而可以減少偏離量，或避免發生偏離。

6、計畫要有適當的鬆弛度，即計畫要留有餘地，這樣，可以避免那些經常發生但又不可避免的干擾因素對計畫產生影響，減少“例外”情況產生的數量，從而使管理人員處於主動地位。

7、溝通信息流通渠道，加強信息收集，整理和研究工作，為預測未來發展狀況提供全面，及時，可靠的信息。

意義

與被動控制方式相比，分離主動控制具有更高的效率和魯棒性，因而具有廣闊的套用前景，但也面臨著更加複雜的問題。流動現象往往十分複雜，流體力學的基本控制方程(Navier-Stokes CNS)方程是一個強非線性的偏微分方程，目前除了一些最簡單邊界條件，實際問題往往得不到解析解。從控制科學的角度看，主動分離主動控制是具有很高難度的非線性分布參數控制問題;從流體力學的角度看，許多學者將其視為該領域的前沿問題，於2009年開辦了專門的學術期刊—InternationalJournal of Row Control。

認識到主動分離主動控制技術在工程和學術上的重要意義，許多國家在政府的支持下開展了大量的研究工作。例如，美國的國防部高級研究項目管理局(DefenseAdvanced Research Projects Agency, DARPA)、空軍科研署、空軍研究實驗室(AirForce Reserach Laboratory )、國家航空航天局Langl ey研究中心(NASA Langley Research Center )、海軍研究署(Office of Naval Research, ONR )，德國國防部、法國國防部等都對主動分離主動控制進行了有力的資助。

特點

分離主動控制有多種實現方式，如機械式、電磁式、抽吸式等。其中，電磁力作動方式在工程套用上具有獨特的優勢。與其他作動方式相比，電磁力作動方式具有如下特點:

• 無運動部件，可靠性高，易於實現，尤其適合在海水中航行的航行器。
  
• 回響速度快，可以達到極高的頻率。
  
• 建模和分析相對簡單。由於電磁力是體積力，可直接向流場注入動量，不改變流體質量，對於海水等弱電導率的介質而言，電磁力與流體動力相互間的耦合簡單，有利於建模和分析。
  

由於在可實現性上的優勢，電磁力作用下的流動主動控制研究，尤其是閉環控制的研究，可以看做是實現分離主動控制理論與套用的重要橋樑，但是電磁力控制除了分離主動控制共有的模型複雜、分析困難外，還存在效率較低，電化學腐蝕等問題。因此，電磁力主動分離主動控制的研究既有吸引力又有挑戰性。

流動分離是一種常見的流動現象。流體流經圓柱、大功角翼、孔穴等物體時，會發生流動分離現象。流動分離不僅會增加航行器所受阻力，在一定條件下還會產生振盪，進而引起流致振動或噪聲，以及結構疲勞等不良後果。因此，利用電磁力對分離流動進行有效控制的研究具有重要意義。

現狀

分離流動是流體力學中一類複雜的流動現象，普通存在於航空、航天、流動機械等各種實際工程問題中。在大迎角飛行過程中，若產生流動分離現象將導致飛行器升力驟減，阻力劇增，並伴生掉高度、低頭、急滾下墜、抖動等現象，使飛行員猝不及防，往往發生失速墜毀等事故。如何消除或延緩翼型流動分離，是一個亟待解決的難題。國內外許多研究學者針對這一問題在分離主動控制方法、裝置設計和套用方面進行了廣泛的研究工作，取得了一定的成就。

流動主動控制問題涉及到控制科學和流體力學兩大領域，目前的研究十分活躍，主要有面向控制的流動機理、數學建模及模型降階、分離主動控制策略、感測器和作動器、數值分析和模型實驗等方面。

機理研究

分離主動控制的目的在於改變流動的狀態，而流動狀態的演變往往和流體的某種機制有關。因此，深入揭示流動穩定性、壁面湍流產生和抑制、鈍體流動分離等機理是當前分離主動控制研究的一個重要方向。

Collis回顧2004年以前的研究進展，重點對利用流動不穩定進行控制的研究工作進行了總結，指出利用流動的不穩定所產生的放大效應，有望設計出更加高效的控制。Karniadakis等對湍流減阻的機理和近壁面流動的改變機理作了深入闡述。Bewley和Protas研究了不可壓縮流體的壁面湍流機理，提出由壁面摩擦阻力和壓力信息，利用壁面作動器重構流動狀態的理論。

Bagheir等在總結了水動力穩定性方面的研究進展的基礎上，提出了一種用於流體動力學的輸入一輸出分析、模型降階和控制器設計的框架，並利用該框架研究了平板邊界層的控制問題。

另外，對於流體和固體之間的相互作用及控制機理，如流致固體振動的機理和控制，流體流過孔穴時引發的振盪與控制、流體流過鈍體時的控制等，也有較為廣泛和深入的研究。

簡化法

分離主動控制的對象是高度非線性的無窮維系統，現有成熟的控制理論和方法難以處理這樣的問題。目前的計算水平尚不足以線上得到NS方程的數值解。因此，主動分離主動控制的模型降階研究一直是研究熱點。流動主動控制中的模型降階可大致分為物理簡化法和數學簡化法兩種途徑。

物理簡化法主要利用流體力學的分析手段，忽略一些對分離主動控制影響不大的效應，將複雜的流動用相對簡單的流動來近似。例如，勢流分析、渦方法、邊界層方程、拋物化穩定方程、歐拉方程、諧波線性化NS方程等湍流的模型近似方法，如雷諾平均NS方程(Renolds Average Navier-Stokes, RAMS) ，大渦模擬(LargeEddy Simulation, LES )等，也可看做是模型降階。另外，將三維流動用二維流動近似、用無粘流近似有粘流等也可以看做是模型降階方法。基於物理簡化法的模型降階在主動分離主動控制的成功套用可見文獻等。

數學簡化法的基本思路是將NS方程的解用一組基函式的線性疊加來表示，然後將截斷後的基與NS方程作投影運算，得到基函式的係數。根據基函式的選擇方式，可以有不同的模型降階方法。主動分離主動控制研究中，最為常用的是本徵正交分解(Proper Orthogonal Decompositon, POD)方法。 POD方法按能量伍z範數)最優原則，截取能量最大的模作為基函式。當流場的相干性較強時，對低R數的鈍體繞流、孔穴振盪流等控制問題，可以用很少的幾階POD模態來近似。提高POD方法的魯棒性是近來研究的熱點。一些控制手段以改變邊界條件的方式作用於流場，Kasnakoglu等及Caraballo等提出的控制分離和作動模方法可以較好地解決這一問題。但目前尚無公認的方法能很好地解決高階截斷後丟失小尺度渦信息的問題。 Noacko等提出平均場校正方法在提高POD的魯棒性方面具有一定的優勢，可以在低階模型中較好地保留擾動增長等動力學特徵。近來出現的Centroidal voronoi tessellations ( CVT)是一種與POD類似的方法，在分離主動控制的模型降階中也有所套用。另外，基於神經網路的建模也主動分離主動控制的模型降階中也有所研究。