楊立英，劉曉敏

(吉林大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件需要通過(guò)大量的程序測(cè)試其功能的有效性和可靠性，在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)洞為發(fā)動(dòng)機(jī)提供高速運(yùn)轉(zhuǎn)的氣流以此實(shí)現(xiàn)模擬軟件正常運(yùn)行的狀態(tài)，為了更進(jìn)一步分析自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)的性能，本文采用了LabVIEW技術(shù)[1-2]。LabVIEW是一種編程語(yǔ)言，其圖形編程能力強(qiáng)，可視化編程環(huán)境良好，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞的溫度、濕度、流量等數(shù)據(jù)清晰顯示，與其它自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件不同的是，LabVIEW能夠充分實(shí)現(xiàn)用戶的特殊需求，并且可進(jìn)行復(fù)雜的算法分析[3]。

自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件能夠與各種控制器相連，通過(guò)工具包裝拓展其性能從而加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，采用數(shù)據(jù)保存與監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)軟件控制界面的搭建，基于LabVIEW技術(shù)，應(yīng)用于各種類型的系統(tǒng)軟件平臺(tái)。自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流軟件不管是在調(diào)試階段或者是應(yīng)用階段，需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)、算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)充，例如增加程序設(shè)計(jì)步驟、調(diào)整試驗(yàn)算法、增加主界面通道、讀取通訊PLC地址、連接系統(tǒng)客戶端等。

1 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流流量調(diào)節(jié)

自由射流風(fēng)洞的核心是加熱器，在運(yùn)行時(shí)需要恒定溫度、濕度、酒精以及有氧濃度的合適配比，在熱氣以及真空的環(huán)境下，加熱氣流流量需要調(diào)節(jié)到目標(biāo)值以便實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行[4]。氣流加熱器如圖1所示。

圖1 氣流加熱器

與固定流量的孔板型風(fēng)洞不同的是，自由射流風(fēng)洞在運(yùn)行時(shí)使用大型調(diào)節(jié)閥，使加熱氣流流量滿足系統(tǒng)自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件的需求，可調(diào)節(jié)范圍控制在3 125.4～6 578 km/h,高度0～20 km。大型調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)存在延遲以及個(gè)體差異，在某些情況下出現(xiàn)線性奇異點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時(shí)，它的控制方案要優(yōu)先考慮設(shè)置開(kāi)度，從而使加熱氣流流量接近標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于閥門(mén)的非線性奇異點(diǎn)，對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)[5-6]。

分析自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的內(nèi)部流量，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算閥門(mén)開(kāi)度，在調(diào)節(jié)閥門(mén)冷吹實(shí)驗(yàn)中，得到加熱氣流流量以及閥門(mén)開(kāi)度、加熱氣流流量壓力，濕度和加熱器面積的數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)加熱氣流流量模型計(jì)算。計(jì)算公式如公式(1)所示：

K=aCv5+bCv4+αCv3+dCv2+eCv+fCv=

2P0>(P0-P1)

(1)

其中：K表示計(jì)算得到的閥門(mén)開(kāi)度；P0表示自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的內(nèi)部壓力；a,b,c,d,e,f表示不同流量數(shù)據(jù)階的擬合多項(xiàng)式系數(shù)；v表示氣流速度；P1表示自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的原始?xì)鈮?；C表示自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的氣流流量。原始?xì)鈮汉蛢?nèi)部壓力滿足公式(2)：

(2)

其中：Qm表示目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的空氣流量。

根據(jù)公式(1)和公式(2)得到空氣氣流和氣壓之間的關(guān)系：

(3)

(4)

自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的流量控制效果如圖2所示。

圖2 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的流量控制效果

根據(jù)圖2可知，加熱氣流被控流量在開(kāi)始時(shí)迅速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍，雖然存在一定的誤差，但PID將加熱氣流流量穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值，以此實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果[7]。

2 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流時(shí)序控制

在設(shè)計(jì)自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時(shí)，編輯主界面程序使用的語(yǔ)言不同，自由射流風(fēng)洞需要頻繁改變加熱器以及控制時(shí)序的數(shù)據(jù)參數(shù)，主控軟件功能依賴于測(cè)試器執(zhí)行，擴(kuò)充系統(tǒng)的操作功能，編輯非線性流程序列[8-9]。得到的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流時(shí)序如圖3所示。

圖3 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流時(shí)序

自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)在每個(gè)操作步驟需要配置開(kāi)度動(dòng)作、PID計(jì)算方法、讀取通信地址、調(diào)節(jié)條件限制等，對(duì)預(yù)先判斷的狀態(tài)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，使復(fù)雜流程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行，編輯過(guò)程中的時(shí)序序列以圖形化的形式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行高壓預(yù)冷，操作系統(tǒng)復(fù)位、液氧復(fù)位、水系統(tǒng)復(fù)位和主氣路復(fù)位，編輯觸發(fā)中止，限定酒精預(yù)調(diào)以及報(bào)警線程[10-11]。氣流時(shí)序程序執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。

圖4 氣流時(shí)序程序執(zhí)行過(guò)程

3 基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件

LabVIEW是一種基于C語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)輔助工具，可用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等，它的框圖程序相當(dāng)于一種源代碼，在編輯程序后，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時(shí)，LabVIEW實(shí)際上主要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)、端口參數(shù)和線路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)模擬儀器進(jìn)行編程，操縱前面板上的輸入和輸出數(shù)據(jù)，控制面板上會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成功能模塊[12-14]。在LabVIEW程序中為了顯示功能模塊，通常需要拖動(dòng)程序窗口的子模板將不同程序按照不同工具連接起來(lái)，加熱氣流流量的數(shù)據(jù)采集、處理、保存功能由控制模板調(diào)節(jié)控制，不同功能模塊由子程序連接，以便完成數(shù)據(jù)的傳送和處理。LabVIEW以多種線型不同顏色代表設(shè)計(jì)的程序類型，如果要查詢程序框圖中的數(shù)據(jù)參數(shù)，可在執(zhí)行程序前點(diǎn)擊數(shù)據(jù)流動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流動(dòng)的實(shí)時(shí)跟蹤。

基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件工作流程如圖5所示。

圖5 基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件工作流程

如圖5所示，自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件工作流程首先要確認(rèn)模擬參數(shù)是否正常，然后采集自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流數(shù)據(jù)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)信息檢索，并顯示實(shí)時(shí)曲線圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的模擬。

3.1 加熱氣流測(cè)試

在具體了解測(cè)試程序后，需要進(jìn)行試驗(yàn)的下一步，同時(shí)重新命名保存文件的名字以及切換路徑，之后按照步驟進(jìn)行加熱氣流測(cè)試[15-17]。加熱氣流測(cè)試程序如圖6所示。

圖6 加熱氣流測(cè)試軟件程序

在測(cè)試時(shí)，選擇自由射流閥門(mén)雙管壓力流量，測(cè)試程序與流程同步進(jìn)行，自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件程序的前面板在進(jìn)行加熱氣流測(cè)試前需要進(jìn)行初始化，尋找數(shù)據(jù)處理所需要的內(nèi)存空間，處理后保存數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試程序輸入端輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后設(shè)置轉(zhuǎn)向、流量、壓力等測(cè)試信號(hào)，測(cè)試完畢后對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在設(shè)置控制信號(hào)結(jié)束后，各類傳感器在檢測(cè)時(shí)采集的物理量由自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件自動(dòng)輸入到工控機(jī)內(nèi)部，并且在編輯程序的前面板上顯示出來(lái)。如果檢測(cè)出的控制信號(hào)滿足實(shí)驗(yàn)要求，點(diǎn)擊編輯程序軟面板上的“測(cè)量”按鈕，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出來(lái)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在同一種開(kāi)度下，通過(guò)改變轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)改變壓力信號(hào)。采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，在主界面上點(diǎn)擊“儲(chǔ)存”按鈕，數(shù)據(jù)就會(huì)按照之前設(shè)置的形式保存在硬盤(pán)上，在控制信號(hào)過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)成為軟件智能分析數(shù)據(jù)的依據(jù)，加熱氣流測(cè)試程序完成[18-20]。

3.2 加熱氣流控制

啟動(dòng)加熱氣流控制程序后，根據(jù)軟件程序要求確定控制程序波形的合成方式，之后進(jìn)行加熱氣流控制程序設(shè)計(jì)。在自由射流流量特性控制實(shí)驗(yàn)中，需要控制3個(gè)軟件程序，以控制程序1為例，首先對(duì)控制程序前面板進(jìn)行初始化，對(duì)輸入端輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后對(duì)輸出的單一波形進(jìn)行合成使它成為滿足實(shí)驗(yàn)需要的控制信號(hào)波形[21]。加熱氣流控制程序如圖7所示。

圖7 加熱氣流控制程軟件程序

當(dāng)程序輸出單一波形時(shí)，軟件程序主界面上的有線輸出控制信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變成無(wú)線輸出控制信號(hào)，這時(shí)工控機(jī)將會(huì)輸出合成波形控制信號(hào)，用戶在選擇輸出控制信號(hào)長(zhǎng)度時(shí)需要設(shè)定時(shí)間以及周期順序，以便對(duì)加熱氣流進(jìn)行控制。軟件程序主界面輸出合成波形時(shí)，需要對(duì)合成波形的頻率、壓力、幅度偏移、轉(zhuǎn)角偏移、加熱氣流進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后點(diǎn)擊軟件程序上的“預(yù)覽”按鈕，瀏覽設(shè)置好的各類流量值以及控制界面輸出的波形圖。當(dāng)加熱氣流模擬軟件程序軟面板不能清晰顯示預(yù)先設(shè)置的波形圖時(shí)，需要對(duì)加熱氣流合成波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直到軟件程序能夠正常工作為止。合成波形中的增益隨著波形的變化會(huì)發(fā)生小幅度變化，需要按軟件程序中的“開(kāi)始輸出信號(hào)”按鈕來(lái)調(diào)節(jié)控制波形，然后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié)，在軟件程序?yàn)V波處理中，需要在軟件程序內(nèi)部設(shè)計(jì)LIP語(yǔ)言編輯，以保證控制信號(hào)在輸出過(guò)程中不失真，加熱氣流控制程序編輯完成。

3.3 加熱氣流數(shù)據(jù)分析

在加熱氣流控制程序編輯完成之后，需要對(duì)編輯過(guò)程中產(chǎn)生的加熱氣流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，處理數(shù)據(jù)時(shí)需啟用數(shù)據(jù)分析程序，選擇需要分析的加熱氣流數(shù)據(jù)，分析結(jié)束后將數(shù)據(jù)保存在云端存儲(chǔ)軟件中。讀取已經(jīng)保存的加熱氣流分析數(shù)據(jù)文件，通過(guò)加熱氣流模擬軟件程序自動(dòng)篩選數(shù)據(jù)文件類別，統(tǒng)計(jì)出加熱氣流數(shù)據(jù)文件中的各種存儲(chǔ)信息，根據(jù)用戶的要求提取數(shù)據(jù)文件例如：文件域名、增益參數(shù)、頻率幅值以及波形曲線等等。然后需要更細(xì)致分析并選擇哪條波形曲線與加熱氣流數(shù)據(jù)相擬合，最終分析的結(jié)果會(huì)通過(guò)軟件程序的面板顯示出來(lái)。如果加熱氣流數(shù)據(jù)符合計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值，可按自由射流軟件程序前面板上的“輸出數(shù)據(jù)”按鈕，自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別出所需要的數(shù)據(jù)文件名，此數(shù)據(jù)文件會(huì)以報(bào)告的形式擬合到軟件程序中去。當(dāng)軟件程序中的所有擬合流程完成后，按“輸出結(jié)果”按鈕，軟件程序?qū)⒎蠘?biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件以報(bào)告的形式顯示出來(lái)，并存儲(chǔ)在軟件硬盤(pán)當(dāng)中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)量本文提出的基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件的有效性，與傳統(tǒng)的基于加熱均勻性的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件、基于回歸分析法的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

流量測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 流量測(cè)試系統(tǒng)

得到的輸入工控機(jī)電壓氣流面受力值如圖9所示。

圖9 輸入工控機(jī)電壓氣流面受力值

測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)圖9及表2可知，本文提出的基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件的測(cè)量誤差小于傳統(tǒng)軟件，測(cè)量誤差在0.2%之內(nèi)，滿足提出的精度要求。

表2 測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件程序添加各類嵌套功能，能夠完成各個(gè)段點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采集、頻率的并行時(shí)序、客戶端之間的通信、重疊自定義緩沖。自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件程序優(yōu)化過(guò)程中，主控機(jī)將加熱氣流數(shù)據(jù)板卡從程序主界面中緩存溢出，模擬軟件工作流程出現(xiàn)時(shí)序偏差3～100 ms、加熱氣流模擬軟件的軟面板更新數(shù)據(jù)緩慢、CPU占用高、加熱氣流數(shù)據(jù)誤差大等問(wèn)題。自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件程序優(yōu)化首先要解決以上出現(xiàn)的問(wèn)題，所以需要將加熱氣流模擬軟件功能進(jìn)行分別測(cè)試，查找出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因以及確定各個(gè)系統(tǒng)功能的CPU占用率，分析引起加熱氣流數(shù)據(jù)誤差大的因素，對(duì)軟件功能的資源消耗點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。以數(shù)據(jù)采集優(yōu)化為例，在編輯PL系統(tǒng)軟件隊(duì)列時(shí)序時(shí)，在時(shí)序地址上傳輸數(shù)據(jù)的速率低，若換成PL-HIOP能夠加快傳輸數(shù)據(jù)的速率，進(jìn)而可以提高效率，增益頻率采集節(jié)點(diǎn)少，但數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)池可以升頻傳輸以此來(lái)顯示增益頻率中的節(jié)點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中消耗的資源。在加熱氣流模擬軟件優(yōu)化時(shí)，為了提高加熱氣流數(shù)據(jù)的傳輸效率，可以采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用合成數(shù)據(jù)組替換單點(diǎn)節(jié)點(diǎn)作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，降低自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)的資源消耗，減少編輯程序時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)用，加快控制程序執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件的組成，介紹了一種全新的LabVIEW編程技術(shù)，軟件程序設(shè)計(jì)采用了C語(yǔ)言編程思想，軟件主界面清晰，簡(jiǎn)單易學(xué)且編程方便，能夠長(zhǎng)時(shí)間保存自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)傳輸中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件的開(kāi)發(fā)和研究具有重要意義。