CN112346361B - 一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法。该风洞试验流程验证方法基于风洞控制程序，风洞控制程序中对每个现场设备设置有一个对应的控制模块，每个控制模块设置有一个模式切换接口、一套实际输入输出接口、一套程序控制中间接口以及一个仿真子模块。该风洞试验流程验证方法能够直接在风洞控制程序中模拟风洞设备的动作，测试风洞试验流程中的时序和逻辑联锁关系，安全、有效、快速地完成试验流程的相关验证工作。该风洞试验流程验证方法无需额外的软、硬件资源，能够在任何通用控制器及配套开发软件中实现。

Description

一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法

技术领域

本方法属于风洞试验技术领域，具体涉及一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法。

背景技术

高超声速高温风洞安全问题突出，风洞试验涉及易燃、易爆、强氧化、深冷等多种危险介质，设备处于高压、强振、高温和冷热交变环境，危险因素众多。风洞试验的时间和经济成本高昂：风洞试验前，高超声速高温风洞近10个系统上百台设备的检查、准备流程耗时平均为4～8小时；高超声速高温风洞口径达到3米量级，流量为数百公斤每秒，一次动燃消耗费用达到十数万元以上。风洞试验流程复杂，需要风洞控制程序精确协同燃料、液氧、液氮、高压空气、氮气、真空、冷却水、模型送进以及测量等多个系统的相关现场设备，使其严格按照时序和联锁条件进行动作和响应，确保高超声速高温风洞各系统安全、试验结果有效。

而且，风洞试验流程时常会根据不同的试验状态参数以及设备实际工况进行相应的调整和优化。由于风洞系统设备具有时序和联锁的强耦合关系，导致风洞试验流程中的任何一处变动都会影响多个相关步骤，风洞控制程序必须一一进行相应的设计变更，工作量巨大。

风洞试验流程的调整和风洞控制程序的变更会引入多重风险因素：一、由于试验负责人考虑不周，风洞试验流程中遗漏了某些关联环节的变化；二、软件工程师未能准确理解风洞试验流程，时序和逻辑不能全部满足试验要求；三、控制程序代码存在漏洞错误，未能按照设计预期的要求顺利执行。这些风险在设备和试验调试阶段尤为突出。对于高超声速高温风洞，若存在这些风险因素，一旦开始实际运行，付出的代价极大：轻则数据无效，浪费人力物力；重则发生风洞设备损毁、爆炸、燃烧等事故。

为了最大程度地消除这些风险因素，风洞操作规程要求每次流程调整和控制程序变更后，都应开展必要的正确性和可行性检验。当前，亟需发展一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法。

本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法，其特点是，所述的风洞试验流程验证方法基于风洞控制程序，风洞控制程序中对每个现场设备设置有一个对应的控制模块，每个控制模块设置有一个模式切换接口、一套实际输入输出接口、一套程序控制中间接口以及一个仿真子模块；

模式切换接口用于选择控制模块执行“实操”还是“仿真”，模式切换接口的接口信号由操作员通过上位计算机进行设置；如果选择“实操”，控制模块接通程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，控制现场设备动作并获得现场设备的实际反馈数据；如果选择“仿真”，控制模块断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，仿真子模块模拟现场设备动作并给出现场设备的模拟反馈值；

实际输入输出接口连接到现场设备，实际输入输出接口中的输入接口接收现场设备反馈的开启、关闭相关状态信号，实际输入输出接口中的输出接口传送动作命令信号给现场设备，驱动其执行开启、关闭动作；

程序控制中间接口提供各现场设备的控制模块之间，以及各现场设备与上位计算机之间需交互的全部中间数据；风洞控制程序对程序控制中间接口的信号进行读写操作，间接控制现场设备的动作、并获取现场设备的状态；

仿真子模块在“仿真”时循环扫描执行，并存储有通过厂家提供或现场设备调试时获得的对应的现场设备的开启、关闭的动态特性参数；

所述的方法包括以下步骤：

a.操作员通过上位计算机对每个现场设备的控制模块设置动态特性参数；

b.操作员将风洞控制程序的模式设置为“仿真”；

c.现场设备的控制模块接收到“仿真”信号后，首先锁存实际输入输出接口的输出信号；然后断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；最后将程序控制中间接口接通仿真子模块的接口；

d.开始仿真，按照预先设计的风洞试验流程，当需要现场设备进行开启或关闭动作时，风洞控制程序通过程序控制中间接口将开启或关闭的命令传送至现场设备对应的控制模块的仿真子模块中，仿真子模块按现场设备的动态特性参数进行计算，实时更改程序控制中间接口的开、关到位指示、开度指示值，模拟现场设备的动作，并将反馈信号传送至风洞控制程序；

e.风洞控制程序根据试验流程的时序和逻辑联锁条件，按步骤d的工作过程逐一驱动各现场设备的控制模块，获得反馈信号，直至试验流程结束；

f.试验负责人和软件工程师根据仿真模拟结果，重新调整试验流程及风洞控制程序，直到试验流程中的时序和逻辑联锁条件满足试验要求；

g.操作员通过上位计算机将风洞控制程序的模式设置为“实操”；风洞控制程序根据步骤c锁存的实际输入输出接口的输出信号，反写程序控制中间接口的相应变量；然后恢复现场设备控制模块的程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；此时，程序控制中间接口信号、实际输入输出接口信号以及现场设备状态一致，均为仿真前的状态；

h.仿真结束，当程序控制中间接口接收到开启、关闭的命令信号后，立即驱动现场设备执行相应动作；并实时读取现场设备的实际开、关到位以及开度相关状态参数，反馈给风洞控制程序。

本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法在进行“实操”—“仿真”—“实操”切换过程中，现场设备一直维持仿真前的状态，不会发生误动作，保证了仿真过程中风洞系统的安全。“实操”和“仿真”由同一套风洞控制程序实现，试验流程控制完全相同，模拟效果真实直接，并且对时序和逻辑联锁关系调整修改后，对“实操”和“仿真”立即同时生效，无需二次修改移植，额外工作量极小。“仿真”时可以如实模拟现场设备动作的动态过程，以便确认时序和联锁关系，也可人为加快或减慢现场设备的动作，以加速仿真过程或模拟现场设备故障。

本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法能够直接在风洞控制程序中模拟风洞设备的动作，测试风洞试验流程中的时序和逻辑联锁关系，安全、有效、快速地完成试验流程的相关验证工作。本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法无需额外的软、硬件资源，能够在任何通用控制器及配套开发软件中实现。

附图说明

图1为本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法中的风洞控制程序工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法基于风洞控制程序，风洞控制程序中对每个现场设备设置有一个对应的控制模块，每个控制模块设置有一个模式切换接口、一套实际输入输出接口、一套程序控制中间接口以及一个仿真子模块；

模式切换接口用于选择控制模块执行“实操”还是“仿真”，模式切换接口的接口信号由操作员通过上位计算机进行设置；如果选择“实操”，控制模块接通程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，控制现场设备动作并获得现场设备的实际反馈数据；如果选择“仿真”，控制模块断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，仿真子模块模拟现场设备动作并给出现场设备的模拟反馈值；

实际输入输出接口连接到现场设备，实际输入输出接口中的输入接口接收现场设备反馈的开启、关闭相关状态信号，实际输入输出接口中的输出接口传送动作命令信号给现场设备，驱动其执行开启、关闭动作；

程序控制中间接口提供各现场设备的控制模块之间，以及各现场设备与上位计算机之间需交互的全部中间数据；风洞控制程序对程序控制中间接口的信号进行读写操作，间接控制现场设备的动作、并获取现场设备的状态；

仿真子模块在“仿真”时循环扫描执行，并存储有通过厂家提供或现场设备调试时获得的对应的现场设备的开启、关闭的动态特性参数；

所述的方法包括以下步骤：

a.操作员通过上位计算机对每个现场设备的控制模块设置动态特性参数；

b.操作员将风洞控制程序的模式设置为“仿真”；

c.现场设备的控制模块接收到“仿真”信号后，首先锁存实际输入输出接口的输出信号；然后断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；最后将程序控制中间接口接通仿真子模块的接口；

d.开始仿真，按照预先设计的风洞试验流程，当需要现场设备进行开启或关闭动作时，风洞控制程序通过程序控制中间接口将开启或关闭的命令传送至现场设备对应的控制模块的仿真子模块中，仿真子模块按现场设备的动态特性参数进行计算，实时更改程序控制中间接口的开、关到位指示、开度指示值，模拟现场设备的动作，并将反馈信号传送至风洞控制程序；

e.风洞控制程序根据试验流程的时序和逻辑联锁条件，按步骤d的工作过程逐一驱动各现场设备的控制模块，获得反馈信号，直至试验流程结束；

f.试验负责人和软件工程师根据仿真模拟结果，重新调整试验流程及风洞控制程序，直到试验流程中的时序和逻辑联锁条件满足试验要求；

g.操作员通过上位计算机将风洞控制程序的模式设置为“实操”；风洞控制程序根据步骤c锁存的实际输入输出接口的输出信号，反写程序控制中间接口的相应变量；然后恢复现场设备控制模块的程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；此时，程序控制中间接口信号、实际输入输出接口信号以及现场设备状态一致，均为仿真前的状态；

h.仿真结束，当程序控制中间接口接收到开启、关闭的命令信号后，立即驱动现场设备执行相应动作；并实时读取现场设备的实际开、关到位以及开度相关状态参数，反馈给风洞控制程序。

实施例1

本实施例是高超声速高温风洞的应用实例。具体情况如下：新修改的试验流程要求T＝0秒时开启节流阀；T＝1秒时开启主阀；T＝3秒时，进行阀位判读，如果主阀完全开启，而且调节阀开度大于60％，则转入液氧加注流程，否则转入急停操作流程。风洞控制程序当前处于实操状态，主阀和节流均已关闭。按阀门厂家给的数据，节流阀全开时间为4秒，阀位随时间线性增加，主阀开阀时间为1.85秒。试验流程的仿真过程包括如下步骤：

a.操作员通过上位计算机将节流阀全开时间设为4秒，主阀开阀时间设为1.85秒；

b.操作员将风洞控制程序设置为“仿真”；

c.接收到“仿真”信号后，风洞控制程序中包括主阀、节流阀在内的所有现场设备的控制模块先锁存实际输入输出接口的输出信号；然后断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，最后接通程序控制中间接口与仿真子模块的连接，即图1中虚线所示。此时主阀实体为关闭状态，节流阀实体开度为0％；

d.开始仿真，T＝0时，风洞控制程序将节流阀控制模块的中间接口的开启命令信号置1，节流阀仿真子模块检测到开启命令，确定开阀，根据设定值，将节流阀的开度指示信号在随后的4秒内由0％线性增加100％；类似地，当T＝1时，风洞控制程序将主阀控制模块的中间接口的开启命令信号置1，主阀仿真子模块检测到开启命令，确定开阀，根据设定值，将在1.85秒后将开到位指示置1；T＝3时，风洞控制程序进行阀位判读，此时节流阀开度为75％，主阀已开到位，联锁条件满足，将转入液氧加注流程；此时，上位计算机界面上也相应地显示节流阀开度为75％，主阀开到位，液氧加注流程即刻启动；

e.风洞控制程序继续执行后续流程，操作员在上位机界面上实时观察现场设备的模拟情况以及试验流程的执行结果，直到T＝10秒全部流程仿真执行完毕；

f.操作员将风洞控制程序切换回“实操”模式，设备控制模块用仿真前锁存的设备实际输入输出接口的输出信号反写程序控制中间接口的相应变量，即将主阀和节流阀中间接口的开阀命令信号置0，关阀命令信号置1；同时恢复程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，主阀中间接口的开到位指示为0，关到位指示为1，节流阀中间接口的开度指示为0％，这些接口信号与现场设备的状态一致，均为仿真前的状态；

g.仿真结结束，风洞控制程序进入实操状态，操作员操作主阀、节流阀等设备完成相应的动作。

本实施例仅需在“仿真”模式下，将风洞控制程序按照预先设置的试验流程运行10秒，就完成了试验流程正确性和可行性检测，证明了本发明的实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法安全可靠、实用性强，能够解决工程实际问题。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种实操与仿真一体化的风洞试验流程验证方法，其特征在于，所述的风洞试验流程验证方法基于风洞控制程序，风洞控制程序中对每个现场设备设置有一个对应的控制模块，每个控制模块设置有一个模式切换接口、一套实际输入输出接口、一套程序控制中间接口以及一个仿真子模块；

模式切换接口用于选择控制模块执行“实操”还是“仿真”，模式切换接口的接口信号由操作员通过上位计算机进行设置；如果选择“实操”，控制模块接通程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，控制现场设备动作并获得现场设备的实际反馈数据；如果选择“仿真”，控制模块断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接，仿真子模块模拟现场设备动作并给出现场设备的模拟反馈值；

实际输入输出接口连接到现场设备，实际输入输出接口中的输入接口接收现场设备反馈的开启、关闭相关状态信号，实际输入输出接口中的输出接口传送动作命令信号给现场设备，驱动其执行开启、关闭动作；

程序控制中间接口提供各现场设备的控制模块之间，以及各现场设备与上位计算机之间需交互的全部中间数据；风洞控制程序对程序控制中间接口的信号进行读写操作，间接控制现场设备的动作、并获取现场设备的状态；

仿真子模块在“仿真”时循环扫描执行，并存储有通过厂家提供或现场设备调试时获得的对应的现场设备的开启、关闭的动态特性参数；

所述的方法包括以下步骤：

a.操作员通过上位计算机对每个现场设备的控制模块设置动态特性参数；

b.操作员将风洞控制程序的模式设置为“仿真”；

c.现场设备的控制模块接收到“仿真”信号后，首先锁存实际输入输出接口的输出信号；然后断开程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；最后将程序控制中间接口接通仿真子模块的接口；

d.开始仿真，按照预先设计的风洞试验流程，当需要现场设备进行开启或关闭动作时，风洞控制程序通过程序控制中间接口将开启或关闭的命令传送至现场设备对应的控制模块的仿真子模块中，仿真子模块按现场设备的动态特性参数进行计算，实时更改程序控制中间接口的开、关到位指示、开度指示值，模拟现场设备的动作，并将反馈信号传送至风洞控制程序；

e.风洞控制程序根据试验流程的时序和逻辑联锁条件，按步骤d的工作过程逐一驱动各现场设备的控制模块，获得反馈信号，直至试验流程结束；

f.试验负责人和软件工程师根据仿真模拟结果，重新调整试验流程及风洞控制程序，直到试验流程中的时序和逻辑联锁条件满足试验要求；

g.操作员通过上位计算机将风洞控制程序的模式设置为“实操”；风洞控制程序根据步骤c锁存的实际输入输出接口的输出信号，反写程序控制中间接口的相应变量；然后恢复现场设备控制模块的程序控制中间接口与实际输入输出接口的连接；此时，程序控制中间接口信号、实际输入输出接口信号以及现场设备状态一致，均为仿真前的状态；

h.仿真结束，当程序控制中间接口接收到开启、关闭的命令信号后，立即驱动现场设备执行相应动作；并实时读取现场设备的实际开、关到位以及开度相关状态参数，反馈给风洞控制程序。

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