第３４卷第３期 ２ ０ １ ７年６月 沈阳航空航天大学学报
Ｊｏｕｒｎａ１ｏｆＳｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖ．ｏＩ．３４ ＮＯ．３
Ｊｕｎ．２ ０ １ ７
文章编号：２０９５—１２４８（２０１７）０３—００７６—０５ 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）
摘要：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。 关键词：计算机应用技术；试验软件；流场控制；安全监控 中图分类号：Ｖ２１１．７４ 文献标志码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—１２４８．２０１７．０３．０１１
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 ｌｌｌＸＰＭ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｅｘ— ｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｏ— ｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒｔ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｍ 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．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｅｓｔｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｔｏｒｌ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ２Ｏ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Ｉ！生的现代化生产型风洞，我国也相继建成了 ＦＬ一２、ＦＬ一２１和ＦＬ一２４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
收稿日期：２０１７—０２—２０ 基金项目：某风洞建设项目（项目编号：ＹＫＣ—ＺＸ） 作者简介：傅冰（１９７８一），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。 第３期 傅冰，等：风洞试验软件系统的设计 ７７ 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¨ Ｊ。
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 Ｊ。 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 ］。 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。 回 回 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 Ｊ，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 。 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 。一 。 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。
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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 ７８ 沈阳航空航天大学学报 第３４卷 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＿１ 。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¨ 。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 。 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 。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 ａｖ（ｋ）＝ＫＰ［Ｅ（ｋ）一Ｅ（ｋ一１）］＋Ｋｍ（ｋ）＋ ＫＤ［Ｅ（ｋ）一２Ｅ（ｋ—１）＋Ｅ（ｋ一２）］＋ＰＣ Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ一１）＋ＡＵ（ｋ） Ｅ（ｋ）为 时刻给定马赫数值与实际马赫数 值之差，Ｅ（ｋ一１）及Ｅ（ｋ一２）分别是Ｋ一１时刻和
一２时刻的误差值，ｕ（ ）是控制器的输出，ＫＰ、 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 。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 系统的实时陛，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Ｊｖ：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