基于PMAC的超聲速風洞控制系統軟件開發設計

王 巖，宋 放

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，沈陽 113122；2.上海寬睿信息科技有限責任公司，上海 201203)

0 引言

風洞是飛行器研制過程中必要的試驗設備，能夠人工制造飛行器飛行過程中周圍環境的高速氣流。對于風洞數據的控制研究對飛行器的制備運行有著重要的作用。根據大數據統計，世界上目前共存在近千座大型風洞，我國目前存在低速風洞50多座，超聲速風洞30多座[1]。隨著科學技術的不斷發展，一些發達國家已經建立完整的風洞試驗體系，風洞在飛行器制造的過程中發揮的作用也越來越大，同時，風洞的試驗過程中面對的問題也越來越多[2]。

風洞的模擬能力需要極其精準才能夠對更加高端的飛行器進行試驗，而傳統的風力感應控制系統對風洞的模擬數據進行數據采集和處理時，過于依賴硬件設備，只能對低速風洞的試驗數據進行有效獲取，無法對超聲速風洞數據進行精準獲取[3]。而在超聲速風洞控制系統中，利用PXI系統進行數據獲取時，無法向其系統的軟件程序中添加監控程序，導致試驗過程中安全系數受到限制[4]。

為了解決傳統方法中存在的問題，本文基于PMAC對超聲速風洞控制系統軟件進行設計，應用PMAC的特性對超聲速風洞中的相關數據進行精準控制采集，并能夠保障風洞試驗過程中的安全穩定。

1 基于PMAC的超聲速風洞控制操作程序設計

隨著計算機技術的不斷進步，在超聲速風洞控制系統中應用軟件程序代替硬件已經成為風洞控制系統的發展趨勢，減少系統中的硬件數目，不僅能夠降低制造成本，還能夠應用多種輔助功能[5-6]。

PMAC運動控制卡是一種可以實現數據控制的人機界面和程序管理共存的軟件操作系統，能夠在測量周圍運動狀態下的相關數據，再通過上位機和下位機對控制數據實現通訊任務，最終完成控制操作[7-8]。若應用PMAC技術使超聲速風洞的控制系統能夠穩定實現，其操作程序的設計需要劃分為3個階段：第一階段是控制PMAC運動控制卡上的上位機程序，能夠使工作人員隨時看到人機界面和參數的輸入信息等：第二階段是利用操作程序隨時開通上位機與下位機的通訊途徑，也能夠隨時關閉通信途徑；第三階段是實時控制PMAC運動控制卡的監測精準度，根據風洞的環境速度進行定位，再利用PLC程序與控制操作程序相結合，完成風洞控制操作程序的監測與順序控制[9-10]。

本文開發的PMAC運動控制卡超聲速風洞控制操作系統主要在Windows XP平臺下運行，通過語言編輯器對平臺中的程序進行開發與調試，PMAC運動控制卡操作控制程序自身攜帶通訊函數與驅動程序，利用XP系統進行程序協調，完成程序內的上位機與通信模型的數據編寫，通訊函數可以作為上位機與下位機之間的通訊程序橋梁。開發操控程序的數控模式需要建立Pocomm64PRO函數庫，并將函數庫中的數據控制程序存入內存中，為人機界面的操控創造便利的控制交互條件。

PMAC運動控制卡的風洞控制操作程序還可以開發為動態操作狀態，動態操作狀態下的程序開發需要通過程序編寫、譯碼翻譯、程序加載、程序連接等手段，此時的PMAC運動控制卡控制人員與風洞試驗人員需要利用同一種代碼，將這些代碼編入到文件夾中，保存在數據控制庫中。動態操作程序的目標代碼文件可以通過連接器獲取程序所需要的代碼，提取代碼后便可以輸入到執行程序中[11]。

PMAC運動控制卡控制操作程序中的主要通信手段為上位機與下位機之間的通訊驅動程序，此程序的實現建立在動態連接程序內，通訊驅動程序中包含64種功能函數對程序代碼提供計算和提取服務，用戶應用驅動通信程序可以創建一套滿足需求的可變量上位機軟件，再應用通訊驅動程序獲取PMAC運動控制卡中采集的數據與控制的數據進行數據傳輸工作[12]。上位機與下位機的通訊結構如圖1所示。

圖1 上位機與下位機的通訊結構圖

此控制程序的實時實現是建立在不同的軟件程序上，插補算法程序是實現控制程序精準度和切換速度的，根據風洞中的氣流速度對飛行器進行加速與減速控制和數據采集控制；伺服控制程序是數控程序的主體，此程序利用插補算法程序的運算結果，對風洞中的氣流不同階段和位置的速度進行監測；還應用PLC啟動程序作為控制程序的皮凍開關，風洞運行的開關控制可以通過PLC的行程開關進行邏輯順序控制[13]。PMAC控制程序中還具有數據初始化功能，滿足PMAC對軟件配置的數據清理與變量協調，變量的分類表如表1所示。

表1 變量的分類表

2 基于PMAC的超聲速風洞控制系統數據采集程序

超聲速風洞中的控制系統數據采集程序主要通過PID算法對PMAC進行改進而實現，PID算法中需要具備3個獨立的風動參數即可進行計算，參數可以從PMAC的函數儲存庫中提取，設PID算法的獨立參數分別為K、T、B，算法中的輸出值為w(t)，輸入值為Q(t)，此算法中的比例關系與微積分關系可以通過以下公式獲取：

(1)

式中,d代表時間誤差，t代表微積分時間常數。此公式在計算機的控制系統中實現對風洞數據采集的形式為：

(2)

式中,K代表計算機的數據采集序列，t代表控制系統的運行周期。

基于PMAC的超聲速風洞控制系統數據采集程序運行的軟件程序由參數編輯程序、系統協調程序、數據采集程序、實驗程序、學習程序組成。考慮到風洞實驗過程中需要具備一定的安全性，程序在啟動前需要對啟動程序的各類物理按鈕與交互頁面的信息進行生成與確認，提醒工作人員在安全條件具備的情況下進行數據采集工作[14]。

參數編輯程序是建立在運動傳感器上實現的，超聲速的總壓控制精度與風洞電機的脈沖啟動速度都需要依靠運動傳感器來監測，而風洞中的風速加減和風洞壓力值是參數編輯程序中工作人員手動輸入的。數據采集程序是基于PMAC的超聲速風洞控制系統數據采集程序的核心程序，采集程序進行中需要首先對風洞中的初始數據進行采集，監測風洞的空氣流動狀態，將初始狀態下的測量數據存入到數據庫中，數據采集程序還劃分為模擬風洞數據測量、正式風洞試驗測量，可以對風洞內的監測點進行控制監測、對故障數據進行診斷、控制風動的開啟關閉數據、控制風動氣流的角度數據以及監測空洞的實時顯示數據。系統學習程序的內容主要為風洞的結構、風洞的技術參數、風洞測控能力、風洞運行流程、風洞故障以及診斷方法，此程序的運用能夠有效提升風洞實驗人員對風洞的了解和學習，對于風洞數據監測工作有著很大的作用[15]。

本文設計基于PMAC的超聲速風洞控制系統數據采集程序的運行界面，利用實驗過程，確定程序的主界面。程序界面參數設定頁面如圖2所示，程序的主界面中分別設定了參數輸入值、實驗模擬狀態、調試工具和學習程序的進入等[16-18]。在程序內輸入風洞試驗參數后，確定各個設備的工作穩定性方可運行采集程序。

圖2 程序界面參數設定圖

3 基于PMAC的超聲速風洞控制系統風洞監控程序開發

PMAC運動控制卡中的上位機與下位機通訊程序讀取通訊數據是實時和監測過程中的各類程序穩定運行時，需要在基于PMAC的超聲速風洞控制系統風洞監控程序的監測下順序動作，此程序發現試驗過程中出現不穩定因素時可以立即向下位機傳輸控制指令，阻止故障狀態的繼續動作[19]。

在基于PMAC的超聲速風洞控制系統風洞監控程序的開發中，本文應用集成軟件對計算機中的軟件資源進行統一配置，在程序的控制下其他軟件程序可以自行執行相應的工作。本文選用Fame View組態軟件作為此程序的運行基礎，程序在軟件平臺中性能穩定、速度快、監測空間大，在監測控制方面包含了西門子與三菱公司的軟件開發平臺，減少了驅動程序的硬性需求。此程序的開發具有以下特點：監測核心穩定，采用C++語言編寫，能夠在Windows系統運行，基于64位運行版本，保障監測數據的保密性。此程序還有利于PLC的多線程連接，可以大量地對風洞故障內容判別處理，利用PLC的判斷能力制定了設備數據庫與程序數據庫[20]。

本程序的開發設計了20個模擬監測點，包含一個流量點、10個氣流點、9個氣壓點。模擬實驗過程中的監測內容可以通過數字方式處理，在設備數據庫中從低字節到高字節依次保存數據，實際的監測過程需要采用更高字節的處理手段：

y=k×UI(x，x2)+b

(3)

式中，k代表監測的數據變量，UI代表設備數據庫的儲存量，b代表字節的大小。當監測點遇見雙字節的數據時，為了能夠更加精準地實現程序內容，采用相應的雙字節處理手段：

y=k×UI(x，x2，x3，x4)+b

(4)

式中，x3、x4為雙字節的監測控制預留更多的協調空間。通過上式，實現監測過程的數據保存，保證超聲速風洞控制系統風洞監控程序穩定運行。

通過上述分析，得到基于PMAC的超聲速風洞控制系統風洞監控程序流程如圖3所示。

圖3 風洞監控程序流程

如圖3所示，在風動監測程序中，首先引入PMAC運動控制卡，測量周圍運動狀態下的相關數據，通過上位機和下位機實現控制數據之間的通訊，引入PID算法改進PMAC運動控制卡，實現參數編輯程序的設計，對控制數據進行采集，制定設備數據庫及程序數據庫，通過更高字節的處理手段預留監測點協調空間，實現風洞監控程序的設計。

4 實驗結果與分析

傳統的風力感應控制系統應用于飛行器的超聲速風洞試驗過程中對速度數據的采集無法達到精準的效果，過度地依賴硬件設備性能，本文采用設計開發軟件程序對超聲速風洞中的數據進行精準采集，將設計軟件程序實現數據安全方面的監測控制，并以傳統的PXI系統作為實驗對照組，通過對比結果證明本文設計程序的穩定可靠性。

實驗過程中首先檢查軟件系統的試驗程序能否被設計的子系統接受，常規性地測試風洞中的力調節，啟動相關的子系統，輸入超聲速風洞中能夠承受的最大壓力值，若數據采集程序能夠穩定地采集到相關數據則可以進行風洞試驗。其次再應用本文程序監測風洞中的氣流壓力值，啟動相關子程序，向系統內輸入試驗模式與試驗數據，實驗過程中需正確讀取控制參數，利用PMAC運動控制卡交替控制飛行器與風洞氣流之間的運動數據并進行記錄儲存；再通過數據采控程序對超聲速度進行采控，運行步驟與氣流壓力值的采控相同；最終還要觀察監測程序的數據情況，查詢是否存在異常數據或不匹配狀態，能夠第一時間找出試驗隱患，預防安全事件的發生。

實驗流程如圖4所示。

圖4 實驗流程圖

試驗在真實環境中進行，采用的硬件工控機處理器為i8,8G內存，通訊網絡為風洞內部互聯網；軟件采用的操作系統為Windows XP，程序運行平臺為Lab 2018。實驗中將本文程序下的實驗結果與傳統的風力感應控制系統的實驗數據進行比較，通過對比本文程序中對風洞氣流的采集精準度與傳統方法下的采集精準度，驗證本文程序的精準性，實驗對比如圖5所示。

圖5 本文程序與風力感應控制系統精準度對比圖

根據圖中內容可知，本文程序能夠更加精準地采集超聲速風洞的數據，本文程序應用PMAC運動控制卡對實現上位機與下位機之間的高效率通訊，保障了數據傳輸的快速性，在常規傳感器的基礎上再引用PIA算法對風洞實時運動數據進行有效運算，獲取更加精準的數值。而傳統的風力感應系統只通過感應器對數據進行采集上傳，獲取的數據靈敏性和精準度都處于較低水平。本文實驗還對本文程序與傳統的PXI系統的安全信息監測功能狀態進行對比，驗證本文程序的安全可靠性能。實驗對比如圖6所示。

圖6 安全監測范圍對比圖

如圖6所示，本文程序能夠對風洞試驗過程中的全部數據進行有效監測，覆蓋范圍廣泛，平均值在15 MB左右，而傳統的軟件系統雖然能夠精準地獲取試驗數據，但是對于安全監測數據功能有著較大的缺陷，且波動幅度較大，無法全方面地保障試驗安全運行。本文程序運用PLC多線程控制數據的傳輸，還利用20個監測點對風洞各個位置的相關數據進行監測，能夠實現無死角的安全監測。

5 結束語

本文基于PMAC對超聲速風洞控制系統軟件開發設計，分析了超聲速風洞在傳統的軟件系統下的試驗情況與普通風洞在傳統軟件系統下的試驗情況，根據當前的科技手段與飛行器的制造產業，本文設計開發更加適應未來發展趨勢的軟件程序。分別對軟件系統的PMAC控制程序、數據采集程序、安全監測程序進行設計，最終應用對比實驗驗證本文程序的可靠穩定性。