朱如洪 唐照付

（上海諾地樂通用設(shè)備制造有限公司研究院)

通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)中必不可少的項(xiàng)目。通風(fēng)機(jī) （簡稱風(fēng)機(jī)）的性能曲線能直觀反映風(fēng)機(jī)的性能狀況，可以根據(jù)需要指導(dǎo)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)的調(diào)節(jié)，也能為風(fēng)機(jī)的改型設(shè)計(jì)提供參考。在所選試驗(yàn)方法一定的情況下，風(fēng)機(jī)性能曲線能否精確反映風(fēng)機(jī)實(shí)際性能，除了受試驗(yàn)過程中所選儀表精度和人為測量誤差的影響外[1]，還在一定程度上取決于試驗(yàn)結(jié)果的處理方法。通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算不僅要用到大量復(fù)雜的公式，而且有時(shí)還需要進(jìn)行迭代計(jì)算。但是手工計(jì)算往往既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又易出錯(cuò)，編寫程序計(jì)算有時(shí)又不能很好地人機(jī)對話，沒有很好的直觀性。這些都是需要解決和改善的問題。

Matlab GUI利用了Matlab自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和圖形處理功能，在用戶圖形界面設(shè)計(jì)方面相比其他高級編程語言具有獨(dú)特的優(yōu)勢[2]。本文以筆者平時(shí)做試驗(yàn)經(jīng)常用到的進(jìn)出氣聯(lián)合試驗(yàn)D型裝置為例，開發(fā)了一種界面友好的、可精確快速地處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算軟件。下面將介紹風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果處理中的難點(diǎn)和基于Matlab GUI制作計(jì)算軟件的方法，希望能給需要自制風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果處理系統(tǒng)的個(gè)人或單位提供參考。

1 Matlab GUI編程的優(yōu)勢

Matlab自身含有強(qiáng)大的函數(shù)庫可直接調(diào)用，無需繁瑣的編程語言，特別在處理矩陣方面更具優(yōu)勢。由VC、Java、VB等高級編程語言制作出的軟件界面友好，功能強(qiáng)大；然而在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種復(fù)雜分析和處理時(shí)，相比于Matlab編程語言而言，這些高級語言則處于明顯的劣勢。Matlab GUI不但可以減少代碼編寫的工作量，而且制作出的軟件同時(shí)具有界面友好和能夠方便進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理及圖像分析等的特點(diǎn)[3-4]。

2 流量的計(jì)算方法

流量是分析求解風(fēng)機(jī)性能時(shí)最重要的一個(gè)參數(shù)，流量的計(jì)算也是編程求解的難點(diǎn)。風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)壓力、功率、效率等都與流量有關(guān)，流量的計(jì)算往往需要迭代求解。依據(jù)GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)——用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》，流量的測定方法有ISO文丘里噴管、多噴嘴或文丘里噴管、90°圓弧進(jìn)口噴嘴、錐形進(jìn)口、孔板等。其中質(zhì)量流量的計(jì)算可統(tǒng)一采用下式：

式中 α——流量系數(shù)；

ε——膨脹系數(shù)。

除了這兩個(gè)系數(shù)外，其余都可以通過測量數(shù)據(jù)簡單計(jì)算得出。各標(biāo)準(zhǔn)對于各種測量方法的流量系數(shù)和膨脹系數(shù)都有各自不同的規(guī)定，對這些系數(shù)的處理也是計(jì)算的難點(diǎn)。下面以錐形進(jìn)口為例作一討論，其復(fù)合流量系數(shù)αε=mlgRed+c，且

聯(lián)合式 （1）、 式 （2） 得：

式中，m和c是試驗(yàn)風(fēng)管直徑的函數(shù)，Δp、μ等可以通過所測數(shù)據(jù)經(jīng)簡單計(jì)算得出。

以qm和Red為未知量的非線性方程組需要迭代求解。調(diào)用Matlab求解函數(shù)fsolve能很好地進(jìn)行求解，其調(diào)用格式為[4]：

其中，fun為要求解的非線性方程組式 （3），x0為賦給fun的初值，options為結(jié)構(gòu)指定的優(yōu)化參數(shù)，比如收斂精度。

3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件的制作

考慮到同一參數(shù)采用不同儀表所測的數(shù)據(jù)不同，程序中提供多個(gè)單位選項(xiàng)以方便對原始記錄數(shù)據(jù)直接輸入而無需先進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換計(jì)算，提高了程序的豐富性。程序的設(shè)計(jì)流程如下：

原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸入→選擇相應(yīng)的單位→計(jì)算→顯示計(jì)算結(jié)果→曲線擬合→曲線輸出。

打開Matlab新建GUI文件，進(jìn)入用戶界面設(shè)計(jì)，選擇相應(yīng)控件進(jìn)行合理布局，此布局也就是最終設(shè)計(jì)軟件的界面，應(yīng)遵循簡潔美觀的原則。

在編寫后臺控制程序時(shí)，各狀態(tài)參數(shù)要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài) (ρ=1.2 kg/m3， p=101325 Pa，t=20℃，相對濕度50%)，并且還可設(shè)置某種需要的進(jìn)氣狀態(tài)，這樣可方便地進(jìn)行各狀態(tài)下風(fēng)機(jī)性能的比較。由于一年中四季更替、環(huán)境改變以及系統(tǒng)中氣體狀態(tài)的變化，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)性能也會隨之變化，如果把可能出現(xiàn)的進(jìn)氣狀態(tài)都考慮到，得到不同狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)性能曲線，那么這些曲線將對調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行和改變性能最佳點(diǎn)的位置有指導(dǎo)意義。這樣就可以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，及時(shí)找到滿足系統(tǒng)要求的風(fēng)機(jī)性能狀態(tài)點(diǎn)，這對節(jié)約能源和保證系統(tǒng)正常運(yùn)行有很大幫助。另外為了得到最佳的風(fēng)機(jī)性能曲線，利用Matlab多項(xiàng)式擬合工具polyfit，即基于最小二乘法的擬合工具，就能很好地滿足要求，無需借助其他曲線擬合軟件。根據(jù)以上要求，特制作如圖1所示的軟件界面。

圖1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)計(jì)算軟件界面圖

Matlab GUI編寫的程序只能在Matlab環(huán)境下才能使用，這樣就給使用帶來不便。利用Matlab的編譯工具deploytool可將程序的m和fig文件編譯成exe文件。因?yàn)镸atlab在編寫程序時(shí)調(diào)用了本身函數(shù)庫的內(nèi)容，要想在沒有安裝Matlab軟件的計(jì)算機(jī)上使用exe文件，也必須先執(zhí)行MCR(Matlab Components Runtime)，所以在編寫exe文件的時(shí)候利用deploytool工具將MCR一起打包，最終生成完整的在Window下可執(zhí)行的exe文件。

4 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)計(jì)算軟件的應(yīng)用

本文以一臺漩渦風(fēng)機(jī)為例說明該軟件的應(yīng)用。試驗(yàn)方法是按照 GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)——用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》規(guī)定的進(jìn)出氣聯(lián)合試驗(yàn)D型裝置，所測結(jié)果的輸入如圖1所示，其中濕球溫度下拉項(xiàng)還可以選擇相對濕度，具體參數(shù)根據(jù)測量儀表而定。流量的測定采用錐形進(jìn)口測流量法。風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)管截面4的靜壓pe4可采用U形管和精密壓力表測量，軟件對U形管又設(shè)置了水柱和水銀兩個(gè)選項(xiàng)以方便數(shù)據(jù)輸入。軟件中還設(shè)置了用戶要求的進(jìn)氣狀態(tài)的空氣密度，通過相似理論把風(fēng)機(jī)性能曲線轉(zhuǎn)換到該條件下，從而直觀地反應(yīng)出用戶要求的進(jìn)氣狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)性能曲線。

圖2 靜壓流量曲線

圖3 空氣功率流量曲線

圖4 總效率流量曲線

從圖2～圖4中擬合的曲線可看出，各狀態(tài)點(diǎn)基本上都落在曲線上，說明曲線擬合質(zhì)量良好。由漩渦風(fēng)機(jī)的性能曲線可以看出，高壓小流量是漩渦風(fēng)機(jī)典型的特征，并且壓力隨流量的增加而快速下降；空氣功率隨流量先增加后減少，說明該臺漩渦風(fēng)機(jī)對單位質(zhì)量氣體做的功在進(jìn)口流量為200 m3/h處達(dá)到極大值；由于測量工具所限，本文只計(jì)算了總效率 （即空氣功率與電機(jī)輸入功率的比值），從曲線走勢來看基本與空氣功率相吻合，說明漩渦風(fēng)機(jī)對氣體做功最大處是效率最高點(diǎn)。該軟件對用戶要求的進(jìn)氣條件下的風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行了繪制，從所繪制的圖中可方便地讀出不同流量下的壓力和效率，這對用戶調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)有指導(dǎo)意義。如果再繪制出不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)性能曲線，那么對調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)性能更具指導(dǎo)意義，而這些都可以在Matlab后臺程序中方便而簡單地實(shí)現(xiàn)，在此不再詳述。

5 結(jié)語

利用Matlab GUI用戶圖形設(shè)計(jì)功能及Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形處理功能，在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)性能曲線計(jì)算程序時(shí)無需復(fù)雜繁瑣的編程語言就能快速實(shí)現(xiàn)軟件的編制，這為工程技術(shù)人員節(jié)省了大量時(shí)間。同時(shí)軟件的圖形界面化能一目了然地處理數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)。改變風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣狀態(tài)能迅速得到該狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)性能曲線，這對了解風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)對系統(tǒng)的作用具有直接的指導(dǎo)意義。

[1] 陳明濤，賽慶毅，蔣旭平，等.相對濕度對風(fēng)機(jī)性能的影響 [J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(4)：23-24.

[2] 吳正人,程友良.用VB語言實(shí)現(xiàn)泵或風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制和換算 [J].電力情報(bào),2002(2）：45-48.

[3] 陳瑞峰，左曙光，郭偉.基于MATLAB GUI的信號分析系統(tǒng) [J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,27（5）：645-647.

[4] 尚濤，謝龍漢,杜如虛，等.MATLAB工程計(jì)算及分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.