基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件設計

楊立英，劉曉敏

(吉林大學 應用技術學院，長春 130022)

0 引言

基于LabVIEW的自由射流風洞系統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，風洞為發動機提供高速運轉的氣流以此實現模擬軟件正常運行的狀態，為了更進一步分析自由射流風洞系統的性能，本文采用了LabVIEW技術[1-2]。LabVIEW是一種編程語言，其圖形編程能力強，可視化編程環境良好，能夠實現風洞的溫度、濕度、流量等數據清晰顯示，與其它自由射流風洞系統軟件不同的是，LabVIEW能夠充分實現用戶的特殊需求，并且可進行復雜的算法分析[3]。

自由射流風洞系統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計進度，采用數據保存與監測模塊，實現軟件控制界面的搭建，基于LabVIEW技術，應用于各種類型的系統軟件平臺。自由射流風洞系統加熱氣流軟件不管是在調試階段或者是應用階段，需要利用實驗數據參數、算法，實現對系統的擴充，例如增加程序設計步驟、調整試驗算法、增加主界面通道、讀取通訊PLC地址、連接系統客戶端等。

1 自由射流風洞系統加熱氣流流量調節

自由射流風洞的核心是加熱器，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境下，加熱氣流流量需要調節到目標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洞不同的是，自由射流風洞在運行時使用大型調節閥，使加熱氣流流量滿足系統自由射流風洞系統軟件的需求，可調節范圍控制在3 125.4～6 578 km/h,高度0～20 km。大型調節閥在系統軟件運行時存在延遲以及個體差異，在某些情況下出現線性奇異點，所以在設計自由射流風洞系統軟件時，它的控制方案要優先考慮設置開度，從而使加熱氣流流量接近標準值，進行PID調節，在調節過程中，由于閥門的非線性奇異點，對PID進行參數調節[5-6]。

分析自由射流風洞系統加熱氣流的內部流量，建立數學模型，計算閥門開度，在調節閥門冷吹實驗中，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據參數，根據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表示自由射流風洞系統加熱氣流的內部壓力；a,b,c,d,e,f表示不同流量數據階的擬合多項式系數；v表示氣流速度；P1表示自由射流風洞系統加熱氣流的原始氣壓；C表示自由射流風洞系統加熱氣流的氣流流量。原始氣壓和內部壓力滿足公式(2)：

(2)

其中：Qm表示目標所對應的空氣流量。

根據公式(1)和公式(2)得到空氣氣流和氣壓之間的關系：

(3)

(4)

自由射流風洞系統加熱氣流的流量控制效果如圖2所示。

圖2 自由射流風洞系統加熱氣流的流量控制效果

根據圖2可知，加熱氣流被控流量在開始時迅速達到標準范圍，雖然存在一定的誤差，但PID將加熱氣流流量穩定在標準值，以此實現了預期的效果[7]。

2 自由射流風洞系統加熱氣流時序控制

在設計自由射流風洞系統軟件時，編輯主界面程序使用的語言不同，自由射流風洞需要頻繁改變加熱器以及控制時序的數據參數，主控軟件功能依賴于測試器執行，擴充系統的操作功能，編輯非線性流程序列[8-9]。得到的自由射流風洞系統加熱氣流時序如圖3所示。

圖3 自由射流風洞系統加熱氣流時序

自由射流風洞系統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、調節條件限制等，對預先判斷的狀態進行跳轉，使復雜流程結構實現并行，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冷，操作系統復位、液氧復位、水系統復位和主氣路復位，編輯觸發中止，限定酒精預調以及報警線程[10-11]。氣流時序程序執行過程如圖4所示。

圖4 氣流時序程序執行過程

3 基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件

LabVIEW是一種基于C語言的軟件開發輔助工具，可用于數據采集、數據分析、數據顯示等，它的框圖程序相當于一種源代碼，在編輯程序后，系統才能正常運行。在設計自由射流風洞系統軟件時，LabVIEW實際上主要對各個節點、端口參數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據，控制面板上會自動生成對應的節點構成功能模塊[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，加熱氣流流量的數據采集、處理、保存功能由控制模板調節控制，不同功能模塊由子程序連接，以便完成數據的傳送和處理。LabVIEW以多種線型不同顏色代表設計的程序類型，如果要查詢程序框圖中的數據參數，可在執行程序前點擊數據流動按鈕，實現對數據流動的實時跟蹤。

基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件工作流程如圖5所示。

圖5 基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件工作流程

如圖5所示，自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件工作流程首先要確認模擬參數是否正常，然后采集自由射流風洞系統加熱氣流數據，通過歷史數據對其進行相關信息檢索，并顯示實時曲線圖，實現對自由射流風洞系統加熱氣流的模擬。

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，自由射流風洞系統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，尋找數據處理所需要的內存空間，處理后保存數據。對測試程序輸入端輸入的數字信號進行濾波處理，然后設置轉向、流量、壓力等測試信號，測試完畢后對其進行實時控制，在設置控制信號結束后，各類傳感器在檢測時采集的物理量由自由射流風洞系統軟件自動輸入到工控機內部，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據進行采集，在同一種開度下，通過改變轉角信號來改變壓力信號。采集數據結束后，在主界面上點擊“儲存”按鈕，數據就會按照之前設置的形式保存在硬盤上，在控制信號過程中采集到的數據成為軟件智能分析數據的依據，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、轉角偏移、加熱氣流進行設置，設置完成后點擊軟件程序上的“預覽”按鈕，瀏覽設置好的各類流量值以及控制界面輸出的波形圖。當加熱氣流模擬軟件程序軟面板不能清晰顯示預先設置的波形圖時，需要對加熱氣流合成波形進行轉換，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”按鈕來調節控制波形，然后對被控對象進行設定和調節，在軟件程序濾波處理中，需要在軟件程序內部設計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 加熱氣流數據分析

在加熱氣流控制程序編輯完成之后，需要對編輯過程中產生的加熱氣流數據進行分析處理，處理數據時需啟用數據分析程序，選擇需要分析的加熱氣流數據，分析結束后將數據保存在云端存儲軟件中。讀取已經保存的加熱氣流分析數據文件，通過加熱氣流模擬軟件程序自動篩選數據文件類別，統計出加熱氣流數據文件中的各種存儲信息，根據用戶的要求提取數據文件例如：文件域名、增益參數、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據相擬合，最終分析的結果會通過軟件程序的面板顯示出來。如果加熱氣流數據符合計算的標準值，可按自由射流軟件程序前面板上的“輸出數據”按鈕，自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件會自動識別出所需要的數據文件名，此數據文件會以報告的形式擬合到軟件程序中去。當軟件程序中的所有擬合流程完成后，按“輸出結果”按鈕，軟件程序將符合標準的數據文件以報告的形式顯示出來，并存儲在軟件硬盤當中。

4 實驗結果與分析

為了測量本文提出的基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件的有效性，與傳統的基于加熱均勻性的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件、基于回歸分析法的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件進行實驗對比。

設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

流量測試系統如圖8所示。

圖8 流量測試系統

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

測量誤差實驗結果如表2所示。

根據圖9及表2可知，本文提出的基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件的測量誤差小于傳統軟件，測量誤差在0.2%之內，滿足提出的精度要求。

表2 測量誤差實驗結果

基于LabVIEW的自由射流風洞系統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據采集、頻率的并行時序、客戶端之間的通信、重疊自定義緩沖。自由射流風洞系統軟件程序優化過程中，主控機將加熱氣流數據板卡從程序主界面中緩存溢出，模擬軟件工作流程出現時序偏差3～100 ms、加熱氣流模擬軟件的軟面板更新數據緩慢、CPU占用高、加熱氣流數據誤差大等問題。自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件程序優化首先要解決以上出現的問題，所以需要將加熱氣流模擬軟件功能進行分別測試，查找出現以上問題的原因以及確定各個系統功能的CPU占用率，分析引起加熱氣流數據誤差大的因素，對軟件功能的資源消耗點進行系統優化。以數據采集優化為例，在編輯PL系統軟件隊列時序時，在時序地址上傳輸數據的速率低，若換成PL-HIOP能夠加快傳輸數據的速率，進而可以提高效率，增益頻率采集節點少，但數據庫中的數據池可以升頻傳輸以此來顯示增益頻率中的節點，減少網絡傳輸過程中消耗的資源。在加熱氣流模擬軟件優化時，為了提高加熱氣流數據的傳輸效率，可以采用合理的數據結構，用合成數據組替換單點節點作為存儲數據的數據庫，降低自由射流風洞系統的資源消耗，減少編輯程序時的動態調用，加快控制程序執行測試任務的速度。

5 結束語

本文詳細分析了基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件的組成，介紹了一種全新的LabVIEW編程技術，軟件程序設計采用了C語言編程思想，軟件主界面清晰，簡單易學且編程方便，能夠長時間保存自由射流風洞系統傳輸中的關鍵數據，對基于LabVIEW的自由射流風洞系統加熱氣流模擬軟件的開發和研究具有重要意義。