风洞试验软件系统的设计

傅 冰，陈雪原

(中航工业空气动力研究院 测控技术部，沈阳 110034)

风洞试验软件系统的设计

傅 冰，陈雪原

(中航工业空气动力研究院 测控技术部，沈阳 110034)

对某高速风洞试验软件系统的分析设计与实现过程进行了论述。在国内外可借鉴经验极少的情况下，结合国内风洞试验技术现状，为该风洞设计了一套较为完善的风洞试验软件系统。本文介绍了项目研制过程中主要涉及的关键技术、系统总体设计、各子系统功能设计及其具体实现过程。基于风载试验数据的分析对比与研究，对系统实时数据的处理进行了改进，使系统控制的稳定性与效率达到较好的平衡。

计算机应用技术；试验软件；流场控制；安全监控

20世纪中末叶，世界上建成了德荷风洞联合体的LLF风洞、NTF风洞和ETW风洞等几座具有代表性的现代化生产型风洞，我国也相继建成了FL-2、FL-21和FL-24等多座现代化生产性风洞。风洞试验软件成为这些风洞控制的重要组成部分，主要用于实现风洞设备的基本运行控制。

新建的某高速生产型风洞是目前国内同类型同等尺寸风洞中结构和测控系统较为复杂的风洞。试验控制方式复杂，流场控制的快速准确性要求更高，多环节复杂系统的运行效率问题、高马赫数下风洞洞体高压情况的安全保障问题也更为突出。该风洞试验软件作为风洞的综合自动化试验软件平台，着重多种试验控制流程及模式、流场控制策略及算法和系统安全性设计，在自动化控制风洞运行的同时达到提升流场品质、提升运行效率、保证系统安全的目的。风洞的流场品质和综合能力达到目前航空先进国家同类型风洞的先进水平。

风洞试验软件系统能控制风洞运行达到指定流场指标，实现风洞试验流程，取得试验数据，保证试验过程设备安全。风洞试验软件系统是集成各种试验软硬件资源构成的综合测控平台，是测控系统的核心，能够在软件层面实现风洞试验自动化流程控制、多参数耦合高精度调节和安全监控保障等功能，同时实现人机交互[1-2]。

1 总体架构设计

风洞试验软件系统完成控制风洞试验的业务功能，系统要实现的业务功能按面向风洞试验的应用分成业务核心功能、业务辅助功能、系统支撑功能三大类。

业务核心功能：风洞试验实施过程涉及到的业务功能为业务核心功能，即一般为完成试验过程实施所需要的控制功能，如流场控制、姿态控制、试验数据采集等[3]。

业务辅助功能：试验准备阶段和试验分析总结阶段涉及到的业务功能、部分调试功能和安全功能为业务辅助功能，包含部件预置、安全联锁监控、定位锁紧等[4]。

系统支撑功能：硬件设备基本控制功能为系统支撑功能。

软件在功能实现的基础上同时建立系统的全控制过程参数记录和系统状态日志。

图1 系统业务架构模型

采用labview软件作为开发平台基于虚拟仪器技术完成搭建。虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件、灵活高效的软件结合来完成自动化或测试测量等[5]，借助于PC强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、显示与数据分析。LabVIEW常用的程序设计模式包括标准状态机、队列消息处理器、生产者/消费者设计模式、主/从设计模式等[6-7]。

2 设计与实现

2.1 主控软件

主控软件负责控制试验流程。试验控制流程模式选择、参与试验的系统选择、控制参数输入、过程设备监控、流场实时曲线监控均在主界面实现[8-9]。

风洞常压吹风的控制方式为：主调压阀控制稳定段总压，高马赫数时用辅调压阀控制压力稳定，攻角系统步进变攻角。软件从流场控制角度设计五种模式，即主调压阀定开度运行模式、辅调压阀定开度运行模式、主调压阀调节模式、辅调压阀调节模式、主调压阀调节+辅调压阀调节同时控制模式。从试验应用角度设计四种试验模式，即扫描阀测压、模型姿态控制+稳态数采测力、模型姿态控制+扫描阀测压、移测架+扫描阀测压模式。不同的模式由不同的子系统参与，按预定试验条件实现试验流程。不同的风洞调试阶段和型号应用采用不同的控制模式和试验模式。

图2 主控软件主界面

主控软件采用的主结构是事件型生产者/消费者结构，生产者与消费者可以以不同的速率执行。共由三个循环搭建而成，前面板事件检测循环用于用户界面操作检测，产生事件，进行命令分解和需预置系统的控制；通讯及显示循环负责发送和接收流场控制下位机指令和数据，实现与流场软件数据打包下发、上传解包功能，并把反馈分解显示到用户界面上，前两个循环形成生产者/消费者结构。与其他子系统进行通讯的循环，实现按流程向运动控制和测量系统下发指令及接受反馈状态，该循环与生产者/消费者循环以并行结构形式搭建。

2.2 流场控制

流场控制软件为软件系统的实时部分，通过控制调压装置使稳定段总压/M数恒定[10]。由于其快速性的要求，运行在嵌入式控制器PXI实时系统上。流场控制软件按要求执行多种流场控制方式[11]。调压阀控制时采用高精度压力传感器采集压力反馈给PXI控制器，PXI控制器经控制算法输出控制信号，控制电液伺服油缸推动调压阀阀芯运动完成马赫数或总压调节[12]。

流场控制软件由生产者/消费者结构组成。流场控制软件采用多线程编程，分别处理数据采集、TCP/IP数据打包发送、数据记录以及流场控制等多个任务，使得任务并行执行，各任务间互不干扰、最大限度发挥软件性能。

调压阀系统本身是一个非线性时变系统，当其处在不同的工作情况时，其系统的参数并不相同，需根据不同的试验条件下的流场试验结果现场整定。参数整定完成后，以数据形式下载于流场控制器，试验时软件根据试验给定条件进行控制参数自动匹配，按匹配得到的参数进行流场控制。

2.2.1 流场控制算法

调压阀液压伺服控制系统设计为双环，外环是马赫数/总压闭环系统，内环是主调压阀位置调节的双闭环结构。压力检测由压力传感器完成，位置检测由直线位移传感器来完成[13]。控制原理如图3所示。

图3 马赫数/总压控制系统框图

由于控制对象的复杂性，使用了以工控机为核心的数字调节器。马赫数/总压控制系统采用增量式数字PID控制器进行控制。根据以上各项工作设计出合理的数字PID控制器后，在实际吹风中来整定数字PID控制器的参数。其数学公式为

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)为K时刻给定马赫数值与实际马赫数值之差，E(k-1)及E(k-2)分别是K-1时刻和K-2时刻的误差值，U(k)是控制器的输出，KP、KI和KD分别是比例系数、积分系数和微分系数，PC为压力补偿系数。

2.2.2 软件滤波

风洞总压和静压传感器的数据反馈值作为流场控制算法的输入条件，对流场控制水平有直接的影响。通过风载调试试验数据分析发现，总压和静压传感器使用的高精度数字传感器，反馈值有一定的随机波动，对算法输出控制参数影响非常大，影响流场控制水平。为了消除随机波动的不利影响，可对反馈值进行数字滤波[14]。数字滤波器可避免模拟电路中噪声的影响，比模拟滤波器拥有更高的精度和可靠性。但为保证风洞控制系统的实时性，需要采用较短的控制周期，数字量传感器没有传统模拟量传感器采样率高，采样周期偏长，过高的平均次数会延长控制周期，不利于流场控制，减少连续采样次数又会直接降低滤波效果，因此不宜于采用采样输出比为N∶1的算法。对于遭受随机噪声干扰的流场控制系统来说，需要同时具备较强的抗毛刺干扰能力和抗噪声干扰能力，经过风载试验数据的分析对比与研究，将去极值平均滤波与滑动平均滤波相结合，为系统设计了去极值的滑动平均滤波器，改进后流场反馈参数更为稳定，可以提高比例系数，使得暂态、稳态性能相互兼顾，并且控制周期没有受到损失，改进后的实时数据处理使系统控制的稳定性与效率达到较好的平衡。

2.3 安全监控

安全监控软件对风洞沿程各开关状态、压力等三十多项内容进行实时监控，对报警级别进行分类，对风洞设备安全威胁最大的问题列为一级报警，软件系统检测到可直接通知主控系统不允许打开阀门或马上停止运行，其他安全威胁较小的的报警为二级或三级。

安全联锁监控软件，是通过OPC技术与现场的安全联锁PLC进行实时通信，通过共享变量发出一级报警，主控获取报警后作出紧急处理。界面模拟风洞二维全景，在风洞工作不正常时，能够快速定位故障位置，方便故障的排查，及时准确对异常的系统进行调整。

2.4 姿态控制和测量系统

姿态控制软件主要目的是为了实现对姿态的准确有效控制。姿态控制软件主体程序有三个循环，分别用于接收并处理相应用户界面事件、与主控程序通信、控制攻角机构的驱动系统。

测量系统软件能够通过界面操作控制稳态测量系统的数据采集工作，显示总压静压传感器和六元天平的原始数据、气动力结果数据[15]。测量软件使用生产者/消费者设计模式，将数据采集、数据处理、数据显示和保存分别放入不同的循环。

2.5 系统通讯

LabVIEW提供多种通讯方式，如OPC、共享变量、TCP/IP通讯等[16]。设备控制及反馈类信息涉及不同种类硬件设备的驱动，使用OPC方便调用不同的工业控制产品，预置设备通讯方式主要采用OPC Server实现。试验软件系统采用向控制子系统发送指令及接收反馈类信息实现试验系统的主流程，需要可靠而通用的通讯方式，主控负责系统的整体流程、各子系统负责具体事务，这种主从架构主要采用TCP/IP通信。风洞试验软件系统中还有一类异常处理类信息，也需在主控与子系统间通讯，但数据量不大，使用也不频繁，在主流程外开辟单独通道，因此采用共享变量实现。共享变量可以在网络中的不同计算机之间相互通信，使得计算机使用网络上的数据与使用本地数据一样方便，可以实现实时的数据共享。

3 系统应用

风洞试验软件系统经多轮测试后正式投入试验使用。运用该系统进行了某风洞亚跨声速和超音速流场控制参数的整定试验、流场校测试验和风洞多类型生产性试验。

表1 两种典型试验应用过程

4 结论

本文给出了系统设计与实现的技术途径和过程。风洞试验实践证明，软件系统在风洞的运行控制、流场控制、试验过程诊断、安全保护等方面均具有较好的应用效果，具有更高的运行效率，系统设计正确，实现了预期目的，为风洞的使用提供了高效稳定的操作平台。

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(责任编辑：刘划 英文审校：赵欢)

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

某风洞建设项目(项目编号：YKC-ZX)

傅 冰(1978-)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，主要研究方向：风洞测控技术、软件设计，E-mail:fubing_de@163.com。

2095-1248(2017)03-0076-05

V211.74

B

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.011