傅 冰，陳雪原

(中航工業(yè)空氣動力研究院 測控技術(shù)部，沈陽 110034)

風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)的設(shè)計

傅 冰，陳雪原

(中航工業(yè)空氣動力研究院 測控技術(shù)部，沈陽 110034)

對某高速風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)的分析設(shè)計與實現(xiàn)過程進(jìn)行了論述。在國內(nèi)外可借鑒經(jīng)驗極少的情況下，結(jié)合國內(nèi)風(fēng)洞試驗技術(shù)現(xiàn)狀，為該風(fēng)洞設(shè)計了一套較為完善的風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)。本文介紹了項目研制過程中主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)總體設(shè)計、各子系統(tǒng)功能設(shè)計及其具體實現(xiàn)過程?；陲L(fēng)載試驗數(shù)據(jù)的分析對比與研究，對系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性與效率達(dá)到較好的平衡。

計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；試驗軟件；流場控制；安全監(jiān)控

20世紀(jì)中末葉，世界上建成了德荷風(fēng)洞聯(lián)合體的LLF風(fēng)洞、NTF風(fēng)洞和ETW風(fēng)洞等幾座具有代表性的現(xiàn)代化生產(chǎn)型風(fēng)洞，我國也相繼建成了FL-2、FL-21和FL-24等多座現(xiàn)代化生產(chǎn)性風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗軟件成為這些風(fēng)洞控制的重要組成部分，主要用于實現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)備的基本運(yùn)行控制。

新建的某高速生產(chǎn)型風(fēng)洞是目前國內(nèi)同類型同等尺寸風(fēng)洞中結(jié)構(gòu)和測控系統(tǒng)較為復(fù)雜的風(fēng)洞。試驗控制方式復(fù)雜，流場控制的快速準(zhǔn)確性要求更高，多環(huán)節(jié)復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行效率問題、高馬赫數(shù)下風(fēng)洞洞體高壓情況的安全保障問題也更為突出。該風(fēng)洞試驗軟件作為風(fēng)洞的綜合自動化試驗軟件平臺，著重多種試驗控制流程及模式、流場控制策略及算法和系統(tǒng)安全性設(shè)計，在自動化控制風(fēng)洞運(yùn)行的同時達(dá)到提升流場品質(zhì)、提升運(yùn)行效率、保證系統(tǒng)安全的目的。風(fēng)洞的流場品質(zhì)和綜合能力達(dá)到目前航空先進(jìn)國家同類型風(fēng)洞的先進(jìn)水平。

風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)能控制風(fēng)洞運(yùn)行達(dá)到指定流場指標(biāo)，實現(xiàn)風(fēng)洞試驗流程，取得試驗數(shù)據(jù)，保證試驗過程設(shè)備安全。風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)是集成各種試驗軟硬件資源構(gòu)成的綜合測控平臺，是測控系統(tǒng)的核心，能夠在軟件層面實現(xiàn)風(fēng)洞試驗自動化流程控制、多參數(shù)耦合高精度調(diào)節(jié)和安全監(jiān)控保障等功能，同時實現(xiàn)人機(jī)交互[1-2]。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)完成控制風(fēng)洞試驗的業(yè)務(wù)功能，系統(tǒng)要實現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能按面向風(fēng)洞試驗的應(yīng)用分成業(yè)務(wù)核心功能、業(yè)務(wù)輔助功能、系統(tǒng)支撐功能三大類。

業(yè)務(wù)核心功能：風(fēng)洞試驗實施過程涉及到的業(yè)務(wù)功能為業(yè)務(wù)核心功能，即一般為完成試驗過程實施所需要的控制功能，如流場控制、姿態(tài)控制、試驗數(shù)據(jù)采集等[3]。

業(yè)務(wù)輔助功能：試驗準(zhǔn)備階段和試驗分析總結(jié)階段涉及到的業(yè)務(wù)功能、部分調(diào)試功能和安全功能為業(yè)務(wù)輔助功能，包含部件預(yù)置、安全聯(lián)鎖監(jiān)控、定位鎖緊等[4]。

系統(tǒng)支撐功能：硬件設(shè)備基本控制功能為系統(tǒng)支撐功能。

軟件在功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上同時建立系統(tǒng)的全控制過程參數(shù)記錄和系統(tǒng)狀態(tài)日志。

圖1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)模型

采用labview軟件作為開發(fā)平臺基于虛擬儀器技術(shù)完成搭建。虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件、靈活高效的軟件結(jié)合來完成自動化或測試測量等[5]，借助于PC強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、顯示與數(shù)據(jù)分析。LabVIEW常用的程序設(shè)計模式包括標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)、隊列消息處理器、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式、主/從設(shè)計模式等[6-7]。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 主控軟件

主控軟件負(fù)責(zé)控制試驗流程。試驗控制流程模式選擇、參與試驗的系統(tǒng)選擇、控制參數(shù)輸入、過程設(shè)備監(jiān)控、流場實時曲線監(jiān)控均在主界面實現(xiàn)[8-9]。

風(fēng)洞常壓吹風(fēng)的控制方式為：主調(diào)壓閥控制穩(wěn)定段總壓，高馬赫數(shù)時用輔調(diào)壓閥控制壓力穩(wěn)定，攻角系統(tǒng)步進(jìn)變攻角。軟件從流場控制角度設(shè)計五種模式，即主調(diào)壓閥定開度運(yùn)行模式、輔調(diào)壓閥定開度運(yùn)行模式、主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)模式、輔調(diào)壓閥調(diào)節(jié)模式、主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)+輔調(diào)壓閥調(diào)節(jié)同時控制模式。從試驗應(yīng)用角度設(shè)計四種試驗?zāi)Ｊ?，即掃描閥測壓、模型姿態(tài)控制+穩(wěn)態(tài)數(shù)采測力、模型姿態(tài)控制+掃描閥測壓、移測架+掃描閥測壓模式。不同的模式由不同的子系統(tǒng)參與，按預(yù)定試驗條件實現(xiàn)試驗流程。不同的風(fēng)洞調(diào)試階段和型號應(yīng)用采用不同的控制模式和試驗?zāi)Ｊ健?/p>

圖2 主控軟件主界面

主控軟件采用的主結(jié)構(gòu)是事件型生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)者與消費(fèi)者可以以不同的速率執(zhí)行。共由三個循環(huán)搭建而成，前面板事件檢測循環(huán)用于用戶界面操作檢測，產(chǎn)生事件，進(jìn)行命令分解和需預(yù)置系統(tǒng)的控制；通訊及顯示循環(huán)負(fù)責(zé)發(fā)送和接收流場控制下位機(jī)指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與流場軟件數(shù)據(jù)打包下發(fā)、上傳解包功能，并把反饋分解顯示到用戶界面上，前兩個循環(huán)形成生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)。與其他子系統(tǒng)進(jìn)行通訊的循環(huán)，實現(xiàn)按流程向運(yùn)動控制和測量系統(tǒng)下發(fā)指令及接受反饋狀態(tài)，該循環(huán)與生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)以并行結(jié)構(gòu)形式搭建。

2.2 流場控制

流場控制軟件為軟件系統(tǒng)的實時部分，通過控制調(diào)壓裝置使穩(wěn)定段總壓/M數(shù)恒定[10]。由于其快速性的要求，運(yùn)行在嵌入式控制器PXI實時系統(tǒng)上。流場控制軟件按要求執(zhí)行多種流場控制方式[11]。調(diào)壓閥控制時采用高精度壓力傳感器采集壓力反饋給PXI控制器，PXI控制器經(jīng)控制算法輸出控制信號，控制電液伺服油缸推動調(diào)壓閥閥芯運(yùn)動完成馬赫數(shù)或總壓調(diào)節(jié)[12]。

流場控制軟件由生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)組成。流場控制軟件采用多線程編程，分別處理數(shù)據(jù)采集、TCP/IP數(shù)據(jù)打包發(fā)送、數(shù)據(jù)記錄以及流場控制等多個任務(wù)，使得任務(wù)并行執(zhí)行，各任務(wù)間互不干擾、最大限度發(fā)揮軟件性能。

調(diào)壓閥系統(tǒng)本身是一個非線性時變系統(tǒng)，當(dāng)其處在不同的工作情況時，其系統(tǒng)的參數(shù)并不相同，需根據(jù)不同的試驗條件下的流場試驗結(jié)果現(xiàn)場整定。參數(shù)整定完成后，以數(shù)據(jù)形式下載于流場控制器，試驗時軟件根據(jù)試驗給定條件進(jìn)行控制參數(shù)自動匹配，按匹配得到的參數(shù)進(jìn)行流場控制。

2.2.1 流場控制算法

調(diào)壓閥液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)計為雙環(huán)，外環(huán)是馬赫數(shù)/總壓閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是主調(diào)壓閥位置調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。壓力檢測由壓力傳感器完成，位置檢測由直線位移傳感器來完成[13]。控制原理如圖3所示。

圖3 馬赫數(shù)/總壓控制系統(tǒng)框圖

由于控制對象的復(fù)雜性，使用了以工控機(jī)為核心的數(shù)字調(diào)節(jié)器。馬赫數(shù)/總壓控制系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID控制器進(jìn)行控制。根據(jù)以上各項工作設(shè)計出合理的數(shù)字PID控制器后，在實際吹風(fēng)中來整定數(shù)字PID控制器的參數(shù)。其數(shù)學(xué)公式為

ΔU(k)=KP[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]+PC

U(k)=U(k-1)+ΔU(k)

E(k)為K時刻給定馬赫數(shù)值與實際馬赫數(shù)值之差，E(k-1)及E(k-2)分別是K-1時刻和K-2時刻的誤差值，U(k)是控制器的輸出，KP、KI和KD分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，PC為壓力補(bǔ)償系數(shù)。

2.2.2 軟件濾波

風(fēng)洞總壓和靜壓傳感器的數(shù)據(jù)反饋值作為流場控制算法的輸入條件，對流場控制水平有直接的影響。通過風(fēng)載調(diào)試試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，總壓和靜壓傳感器使用的高精度數(shù)字傳感器，反饋值有一定的隨機(jī)波動，對算法輸出控制參數(shù)影響非常大，影響流場控制水平。為了消除隨機(jī)波動的不利影響，可對反饋值進(jìn)行數(shù)字濾波[14]。數(shù)字濾波器可避免模擬電路中噪聲的影響，比模擬濾波器擁有更高的精度和可靠性。但為保證風(fēng)洞控制系統(tǒng)的實時性，需要采用較短的控制周期，數(shù)字量傳感器沒有傳統(tǒng)模擬量傳感器采樣率高，采樣周期偏長，過高的平均次數(shù)會延長控制周期，不利于流場控制，減少連續(xù)采樣次數(shù)又會直接降低濾波效果，因此不宜于采用采樣輸出比為N∶1的算法。對于遭受隨機(jī)噪聲干擾的流場控制系統(tǒng)來說，需要同時具備較強(qiáng)的抗毛刺干擾能力和抗噪聲干擾能力，經(jīng)過風(fēng)載試驗數(shù)據(jù)的分析對比與研究，將去極值平均濾波與滑動平均濾波相結(jié)合，為系統(tǒng)設(shè)計了去極值的滑動平均濾波器，改進(jìn)后流場反饋參數(shù)更為穩(wěn)定，可以提高比例系數(shù)，使得暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能相互兼顧，并且控制周期沒有受到損失，改進(jìn)后的實時數(shù)據(jù)處理使系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性與效率達(dá)到較好的平衡。

2.3 安全監(jiān)控

安全監(jiān)控軟件對風(fēng)洞沿程各開關(guān)狀態(tài)、壓力等三十多項內(nèi)容進(jìn)行實時監(jiān)控，對報警級別進(jìn)行分類，對風(fēng)洞設(shè)備安全威脅最大的問題列為一級報警，軟件系統(tǒng)檢測到可直接通知主控系統(tǒng)不允許打開閥門或馬上停止運(yùn)行，其他安全威脅較小的的報警為二級或三級。

安全聯(lián)鎖監(jiān)控軟件，是通過OPC技術(shù)與現(xiàn)場的安全聯(lián)鎖PLC進(jìn)行實時通信，通過共享變量發(fā)出一級報警，主控獲取報警后作出緊急處理。界面模擬風(fēng)洞二維全景，在風(fēng)洞工作不正常時，能夠快速定位故障位置，方便故障的排查，及時準(zhǔn)確對異常的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 姿態(tài)控制和測量系統(tǒng)

姿態(tài)控制軟件主要目的是為了實現(xiàn)對姿態(tài)的準(zhǔn)確有效控制。姿態(tài)控制軟件主體程序有三個循環(huán)，分別用于接收并處理相應(yīng)用戶界面事件、與主控程序通信、控制攻角機(jī)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)軟件能夠通過界面操作控制穩(wěn)態(tài)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作，顯示總壓靜壓傳感器和六元天平的原始數(shù)據(jù)、氣動力結(jié)果數(shù)據(jù)[15]。測量軟件使用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和保存分別放入不同的循環(huán)。

2.5 系統(tǒng)通訊

LabVIEW提供多種通訊方式，如OPC、共享變量、TCP/IP通訊等[16]。設(shè)備控制及反饋類信息涉及不同種類硬件設(shè)備的驅(qū)動，使用OPC方便調(diào)用不同的工業(yè)控制產(chǎn)品，預(yù)置設(shè)備通訊方式主要采用OPC Server實現(xiàn)。試驗軟件系統(tǒng)采用向控制子系統(tǒng)發(fā)送指令及接收反饋類信息實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的主流程，需要可靠而通用的通訊方式，主控負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體流程、各子系統(tǒng)負(fù)責(zé)具體事務(wù)，這種主從架構(gòu)主要采用TCP/IP通信。風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)中還有一類異常處理類信息，也需在主控與子系統(tǒng)間通訊，但數(shù)據(jù)量不大，使用也不頻繁，在主流程外開辟單獨(dú)通道，因此采用共享變量實現(xiàn)。共享變量可以在網(wǎng)絡(luò)中的不同計算機(jī)之間相互通信，使得計算機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)與使用本地數(shù)據(jù)一樣方便，可以實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)共享。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

風(fēng)洞試驗軟件系統(tǒng)經(jīng)多輪測試后正式投入試驗使用。運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行了某風(fēng)洞亞跨聲速和超音速流場控制參數(shù)的整定試驗、流場校測試驗和風(fēng)洞多類型生產(chǎn)性試驗。

表1 兩種典型試驗應(yīng)用過程

4 結(jié)論

本文給出了系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的技術(shù)途徑和過程。風(fēng)洞試驗實踐證明，軟件系統(tǒng)在風(fēng)洞的運(yùn)行控制、流場控制、試驗過程診斷、安全保護(hù)等方面均具有較好的應(yīng)用效果，具有更高的運(yùn)行效率，系統(tǒng)設(shè)計正確，實現(xiàn)了預(yù)期目的，為風(fēng)洞的使用提供了高效穩(wěn)定的操作平臺。

[1]中國航空工業(yè)空氣動力研究院.航空氣動力技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013，109-112.

[2]李周復(fù).風(fēng)洞特種試驗技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010，1.

[3]ROMANW.PARYZ.RecentdevelopmentsattheNASAlangleyresearchcenternationaltransonicfacility[C]// 49thAIAAAerospaceSciencesMeetingincludingtheNewHorizonsForumandAerospaceExposition，2011：1-13.

[4]BRETTBOYLSTON,ALANMILHOAN.Upgradestotheaerodynamicandpropulsiontestunitcontrolsystemandsimulatorinsupportofthemediumscalecomponentsdirect-connecttestprogram[C]//19thAIAAInternationalSpacePlanesandHypersonicSystemsandTechnologiesConference，2010：1-12.

[5]趙慶偉.虛擬儀器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與展望[J].電子機(jī)械工程，2013，22：123.

[6]NationalInstrumentsCorporation[M].Austin:LabVIEWUserManual.Texas：NationalInstruments，2012，1-9.

[7]NationalInstrumentsCorporation.PXISpecificationPCIextensionsforinstrumentationanimplementationofCompactPCI[M].Texax：NationalInstruments，2010.

[8]高川，周波，蔣婧妍，褚衛(wèi)華.基于LabVIEW的大型超聲速風(fēng)洞總壓測控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J],測控技術(shù),2014：25-40.

[9]LOCKHEADMARTIN，HighSpeedWindTunnelandTestSystemsDesignHandbook[M].Dallas：LockheadMartin,2002:3-10.

[10]李平，芮偉，秦建華，等.2m×2m超聲速風(fēng)洞測量系統(tǒng)與運(yùn)行管理系統(tǒng)研制[J],實驗流體力學(xué)，2012，26(4)：97-100

[11]U.Walter，ETWUserGuide[M].Cologne：Cologne:ETWGmbH，2010，5-9.

[12]周航慈.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的常用算法[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010，80-85.

[13]高川，劉烽，周波等.某超聲速風(fēng)洞測控系統(tǒng)[J].兵工自動化，2013，32(2)：63-69.

[14]STANLEYR.COLE.TestActivitiesintheLangleyTransonicDynamicsTunnelandaSummaryofRecentFacilityimprovements[M].Hampton：NASALangleyresearchcenter，2003，1-14.

[15]高倩.基于虛擬儀器的風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[16]JeffreyTravis,JimKring.LabVIEWforEveryone[M].UpperSaddleRiver:PrenticeHall,2006:691-694.

(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Design of the software system for wind tunnel test

FU Bing,CHEN Xue-yuan

(Measurement and Control Technology Department,Chinese Aerodynamic Research Institute of Aeronautics,Shenyang 110034,China)

In this paper,the analysis and realization process of a software system for testing high speed wind tunnel was discussed.A set of relatively perfect software system for testing the wind tunnel was designed based on the present situation of domestic wind tunnel test technology despite few domestic and foreign experience of the similar system.This paper introduced key technology of the project development process,overall design of the system,subsystem function design,and realization of each part.The data processing system was improved based on comparative analysis and research of wind tunnel experiment data,which made stability and efficiency of the system control to attain a better balance.

computer application technology;tests software;flow field contorl;security monitoring

2017-02-20

某風(fēng)洞建設(shè)項目(項目編號：YKC-ZX)

傅 冰(1978-)，女，遼寧沈陽人，高級工程師，主要研究方向：風(fēng)洞測控技術(shù)、軟件設(shè)計，E-mail:fubing_de@163.com。

2095-1248(2017)03-0076-05

V211.74

B

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.011