楊立英，劉曉敏

(吉林大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，長春 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大量的程序測試其功能的有效性和可靠性，在具體實驗過程中，風(fēng)洞為發(fā)動機提供高速運轉(zhuǎn)的氣流以此實現(xiàn)模擬軟件正常運行的狀態(tài)，為了更進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是一種編程語言，其圖形編程能力強，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能夠充分實現(xiàn)用戶的特殊需求，并且可進行復(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，通過工具包裝拓展其性能從而加快設(shè)計進度，采用數(shù)據(jù)保存與監(jiān)測模塊，實現(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。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，需要利用實驗數(shù)據(jù)參數(shù)、算法，實現(xiàn)對系統(tǒng)的擴充，例如增加程序設(shè)計步驟、調(diào)整試驗算法、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，在運行時需要恒定溫度、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)值以便實驗的順利進行[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)洞在運行時使用大型調(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)軟件運行時存在延遲以及個體差異，在某些情況下出現(xiàn)線性奇異點，所以在設(shè)計自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時，它的控制方案要優(yōu)先考慮設(shè)置開度，從而使加熱氣流流量接近標(biāo)準值，進行PID調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中，由于閥門的非線性奇異點，對PID進行參數(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，計算閥門開度，在調(diào)節(jié)閥門冷吹實驗中，得到加熱氣流流量以及閥門開度、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算。計算公式如公式(1)所示：

K=aCv5+bCv4+αCv3+dCv2+eCv+fCv=

2P0>(P0-P1)

(1)

其中：K表示計算得到的閥門開度；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)加熱氣流的原始氣壓；C表示自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的氣流流量。原始氣壓和內(nèi)部壓力滿足公式(2)：

(2)

其中：Qm表示目標(biāo)所對應(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始時迅速達到標(biāo)準范圍，雖然存在一定的誤差，但PID將加熱氣流流量穩(wěn)定在標(biāo)準值，以此實現(xiàn)了預(yù)期的效果[7]。

2 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流時序控制

在設(shè)計自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時，編輯主界面程序使用的語言不同，自由射流風(fēng)洞需要頻繁改變加熱器以及控制時序的數(shù)據(jù)參數(shù)，主控軟件功能依賴于測試器執(zhí)行，擴充系統(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)加熱氣流時序如圖3所示。

圖3 自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流時序

自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)在每個操作步驟需要配置開度動作、PID計算方法、讀取通信地址、調(diào)節(jié)條件限制等，對預(yù)先判斷的狀態(tài)進行跳轉(zhuǎn)，使復(fù)雜流程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并行，編輯過程中的時序序列以圖形化的形式進行。實驗開始時進行高壓預(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)以及報警線程[10-11]。氣流時序程序執(zhí)行過程如圖4所示。

圖4 氣流時序程序執(zhí)行過程

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語言的軟件開發(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)才能正常運行。在設(shè)計自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件時，LabVIEW實際上主要對各個節(jié)點、端口參數(shù)和線路進行實時控制，對模擬儀器進行編程，操縱前面板上的輸入和輸出數(shù)據(jù)，控制面板上會自動生成對應(yīng)的節(jié)點構(gòu)成功能模塊[12-14]。在LabVIEW程序中為了顯示功能模塊，通常需要拖動程序窗口的子模板將不同程序按照不同工具連接起來，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)行程序前點擊數(shù)據(jù)流動按鈕，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流動的實時跟蹤。

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)，通過歷史數(shù)據(jù)對其進行相關(guān)信息檢索，并顯示實時曲線圖，實現(xiàn)對自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流的模擬。

3.1 加熱氣流測試

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

圖6 加熱氣流測試軟件程序

在測試時，選擇自由射流閥門雙管壓力流量，測試程序與流程同步進行，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行加熱氣流測試前需要進行初始化，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)。對測試程序輸入端輸入的數(shù)字信號進行濾波處理，然后設(shè)置轉(zhuǎn)向、流量、壓力等測試信號，測試完畢后對其進行實時控制，在設(shè)置控制信號結(jié)束后，各類傳感器在檢測時采集的物理量由自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)軟件自動輸入到工控機內(nèi)部，并且在編輯程序的前面板上顯示出來。如果檢測出的控制信號滿足實驗要求，點擊編輯程序軟面板上的“測量”按鈕，對實驗過程中測量出來的各類數(shù)據(jù)進行采集，在同一種開度下，通過改變轉(zhuǎn)角信號來改變壓力信號。采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，在主界面上點擊“儲存”按鈕，數(shù)據(jù)就會按照之前設(shè)置的形式保存在硬盤上，在控制信號過程中采集到的數(shù)據(jù)成為軟件智能分析數(shù)據(jù)的依據(jù)，加熱氣流測試程序完成[18-20]。

3.2 加熱氣流控制

啟動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，之后進行加熱氣流控制程序設(shè)計。在自由射流流量特性控制實驗中，需要控制3個軟件程序，以控制程序1為例，首先對控制程序前面板進行初始化，對輸入端輸入的數(shù)字信號進行濾波處理，然后對輸出的單一波形進行合成使它成為滿足實驗需要的控制信號波形[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，軟件程序主界面上的有線輸出控制信號會轉(zhuǎn)變成無線輸出控制信號，這時工控機將會輸出合成波形控制信號，用戶在選擇輸出控制信號長度時需要設(shè)定時間以及周期順序，以便對加熱氣流進行控制。軟件程序主界面輸出合成波形時，需要對合成波形的頻率、壓力、幅度偏移、轉(zhuǎn)角偏移、加熱氣流進行設(shè)置，設(shè)置完成后點擊軟件程序上的“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，需要對加熱氣流合成波形進行轉(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發(fā)生小幅度變化，需要按軟件程序中的“開始輸出信號”按鈕來調(diào)節(jié)控制波形，然后對被控對象進行設(shè)定和調(diào)節(jié)，在軟件程序濾波處理中，需要在軟件程序內(nèi)部設(shè)計LIP語言編輯，以保證控制信號在輸出過程中不失真，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，需要對編輯過程中產(chǎn)生的加熱氣流數(shù)據(jù)進行分析處理，處理數(shù)據(jù)時需啟用數(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，通過加熱氣流模擬軟件程序自動篩選數(shù)據(jù)文件類別，統(tǒng)計出加熱氣流數(shù)據(jù)文件中的各種存儲信息，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)果會通過軟件程序的面板顯示出來。如果加熱氣流數(shù)據(jù)符合計算的標(biāo)準值，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自動識別出所需要的數(shù)據(jù)文件名，此數(shù)據(jù)文件會以報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)準的數(shù)據(jù)文件以報告的形式顯示出來，并存儲在軟件硬盤當(dāng)中。

4 實驗結(jié)果與分析

為了測量本文提出的基于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行實驗對比。

設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

流量測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 流量測試系統(tǒng)

得到的輸入工控機電壓氣流面受力值如圖9所示。

圖9 輸入工控機電壓氣流面受力值

測量誤差實驗結(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量誤差小于傳統(tǒng)軟件，測量誤差在0.2%之內(nèi)，滿足提出的精度要求。

表2 測量誤差實驗結(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，能夠完成各個段點之間的數(shù)據(jù)采集、頻率的并行時序、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)化過程中，主控機將加熱氣流數(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)的問題，所以需要將加熱氣流模擬軟件功能進行分別測試，查找出現(xiàn)以上問題的原因以及確定各個系統(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，對軟件功能的資源消耗點進行系統(tǒng)優(yōu)化。以數(shù)據(jù)采集優(yōu)化為例，在編輯PL系統(tǒng)軟件隊列時序時，在時序地址上傳輸數(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，進而可以提高效率，增益頻率采集節(jié)點少，但數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)池可以升頻傳輸以此來顯示增益頻率中的節(jié)點，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中消耗的資源。在加熱氣流模擬軟件優(yōu)化時，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)組替換單點節(jié)點作為存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，降低自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)的資源消耗，減少編輯程序時的動態(tài)調(diào)用，加快控制程序執(zhí)行測試任務(wù)的速度。

5 結(jié)束語

本文詳細分析了基于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)計采用了C語言編程思想，軟件主界面清晰，簡單易學(xué)且編程方便，能夠長時間保存自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)傳輸中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對基于LabVIEW的自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)加熱氣流模擬軟件的開發(fā)和研究具有重要意義。