基于LabVIEW與MATLAB混合編程的氣液兩相流測量軟件開發(fā)

牛佳樂， 邢蘭昌， 華陳權(quán)， 耿艷峰， 石文博

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

LabVIEW作為一種虛擬儀器開發(fā)軟件，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、界面開發(fā)等方面具有簡單直觀、易于理解、應(yīng)用范圍廣等特點，但是當面對需要進行大量數(shù)據(jù)運算處理以及復(fù)雜控制算法等應(yīng)用時，有限的控件和函數(shù)會大大限制其適用范圍[1-2]。MATLAB作為一種工程計算語言，具有編程效率高、可擴充性強、移植性好等特點，但其界面開發(fā)能力較弱，并且在數(shù)據(jù)采集與通信、軟硬件接口等方面應(yīng)用中都較為繁瑣[2-4]。因此，實現(xiàn)兩者的混合編程，充分發(fā)揮出各自的優(yōu)點、互補不足，能夠顯著提高編程效率，開發(fā)出功能更為強大的虛擬儀器軟件。

氣液兩相流流動狀態(tài)復(fù)雜，兩相之間存在多變的界面且相間作用劇烈，屬于復(fù)雜的瞬態(tài)流動過程，對氣液兩相流動參數(shù)進行測量時需要獲取大量數(shù)據(jù)并且對數(shù)據(jù)獲取實時性要求較高，而且兩相流參數(shù)計算模型的求解往往比較復(fù)雜。考慮到上述問題的特殊性，單獨采用LabVIEW或者MATLAB對氣液兩相流參數(shù)測量軟件進行開發(fā)效率較低。本文采用LabVIEW與MATLAB混合編程方法，針對課題組前期所研究的基于超聲測速與科氏效應(yīng)組合的氣液兩相流測量裝置開發(fā)了相應(yīng)的測量軟件，從而解決了氣液兩相流參數(shù)測量系統(tǒng)需要進行大量數(shù)據(jù)實時采集、處理、顯示、保存以及復(fù)雜多相流模型求解等問題。

1 LabVIEW與MATLAB混合編程方法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種LabVIEW與MATLAB混合編程的方法，其優(yōu)缺點決定了各自的適用范圍。目前比較常見的方法主要有動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、ActiveX控件技術(shù)、COM組件技術(shù)和動態(tài)鏈接庫技術(shù)。

1.1 動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)

動態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange，DDE)是一種基于消息的協(xié)議，利用DDE可以實現(xiàn)兩個程序間數(shù)據(jù)或命令的交換。LabVIEW提供了DDE通信所需的VI，利用這些VI能夠創(chuàng)建DDE Server 和DDE Client，這兩個程序能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送-接受數(shù)據(jù)、請求-提供服務(wù)等功能[5]。DDE技術(shù)存在一定的缺點，如當數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率高于數(shù)據(jù)接收的頻率時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象[6]。

1.2 ActiveX控件技術(shù)

基于ActiveX控件技術(shù)的LabVIEW與MATLAB混合編程有兩種具體實現(xiàn)方法：利用MATLAB Script節(jié)點或使用ActiveX函數(shù)模板。兩種實現(xiàn)方法的執(zhí)行過程基本相同，即：首先打開MATLAB自動化服務(wù)器；其次執(zhí)行MATLAB命令；最后關(guān)閉自動化服務(wù)器。ActiveX控件技術(shù)的缺點是執(zhí)行速度較低，并且不能脫離MATLAB環(huán)境獨立運行[7-8]。

1.3 COM組件技術(shù)

MATLAB COM Builder能夠?qū)⒂脩羲_發(fā)的程序轉(zhuǎn)化為獨立的組件對象模型(Component Object Model，COM)，其它支持COM組件的應(yīng)用程序都能夠?qū)ζ溥M行調(diào)用[9]。LabVIEW在調(diào)用COM組件時需要注意數(shù)據(jù)類型是否匹配。COM組件技術(shù)的缺點是初次執(zhí)行時的運行速度較慢，并且要求計算機安裝MCRinstaller.exe[10]。

1.4 動態(tài)鏈接庫技術(shù)

動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)由已經(jīng)封裝好的可執(zhí)行代碼組成，其內(nèi)部函數(shù)具有共享性。按照DLL開發(fā)規(guī)范和編程策略所開發(fā)出的DLL都具有通用性，都能夠被其它支持DLL的程序所調(diào)用[10-11]。LabVIEW支持對DLL函數(shù)的調(diào)用，并且有兩種調(diào)用方式，一種是通過使用“調(diào)用庫函數(shù)(Call Library Function node, CLF)節(jié)點”實現(xiàn)對DLL的調(diào)用，另一種是使用LabVIEW自動導(dǎo)入功能導(dǎo)入DLL[12]。但是考慮到經(jīng)MATLAB編譯器編譯后直接生成的DLL文件其輸入輸出類型均為mxArray指針，LabVIEW支持標準C數(shù)據(jù)類型而不支持mxArray，所以需要使用VC++對函數(shù)文件進行轉(zhuǎn)換，使其輸入輸出類型符合LabVIEW的要求[13]。雖然利用這種方法實現(xiàn)兩者的混合編程在流程上較為復(fù)雜，但是經(jīng)過VC++封裝生成的DLL文件能夠脫離MATLAB而被LabVIEW調(diào)用，執(zhí)行效率高，因此適合大型程序的開發(fā)。

對比上述4種方法，動態(tài)鏈接庫技術(shù)最為突出的優(yōu)點是其能夠脫離MATLAB而獨立運行，并且LabVIEW還可以生成獨立的可執(zhí)行程序和安裝程序，最終能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有安裝MATLAB和LabVIEW的計算機上獨立運行，可以大大提高軟件的可移植性與通用性。

2 氣液兩相流分相流量測量模型

針對氣液兩相流分相流量測量的問題，通常將成熟的單相流測量方法與氣液兩相流理論相結(jié)合，建立氣液兩相流測量模型對單相流測量結(jié)果進行修正，從而得到氣液分相流量的測量結(jié)果[14-15]。由于需要獲得氣相流量和液相流量兩個參數(shù)，而單一的測量原理只能得到一個獨立的未知參數(shù)，因此將兩類測量原理迥異的單相流測量儀表進行組合測量，開發(fā)相應(yīng)的組合測量模型對單相流儀表的測量結(jié)果進行處理，得到分相流量是一條有效的途徑[16-17]。

超聲波流量計可對流速進行非接觸式測量、科氏流量計能夠高精度地測量質(zhì)量流量和密度，提出超聲波流量計與科氏流量計組合的氣液兩相流參數(shù)測量新方法[18-19]，其優(yōu)點在于：①科氏流量計多參數(shù)測量的特點為組合測量模型中的組合方式提供更多的自由度，為提高測量精度和擴大測量范圍提供了前提條件；②超聲波流量計的流速測量過程對流場不產(chǎn)生任何擾動，不會為科氏流量計的測量過程引入噪聲，而且超聲波探頭安裝位置靈活，為進一步開發(fā)緊湊型一體式流量測量裝置提供了可能[20]。氣液兩相流組合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣液兩相流組合測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

基于氣液兩相流理論、超聲波與科氏流量計的測量原理并結(jié)合大量的實驗數(shù)據(jù)，提出一個用于計算氣相和液相分相流量的組合測量模型[18]：

(1)

式中：WG為氣相質(zhì)量流量；WC為科氏流量計質(zhì)量流量輸出值；QGU為超聲波流量計流量輸出值；ρG為實際氣體的密度；ρL為實際液體密度；μL為液相黏度系數(shù)；μG為氣相黏度系數(shù);x為氣相質(zhì)量含率;K1、K2、B1和B2為基于實驗數(shù)據(jù)所確定的常數(shù)。

(2)

式中,WL為液相質(zhì)量流量。

以上組合測量模型中共有兩個未知量，即氣相質(zhì)量流量WG和液相質(zhì)量流量WL。求解模型時，首先對式(1)中第2個方程進行整理，用WG表示x，然后將x的表達式代入第1個方程，得到WG=f(WG)的方程形式，再采用牛頓迭代法求解得出WG，進而求得x，最后通過WG和x計算得到WL。

求解上述組合測量模型需要多個輸入?yún)?shù)，通過LabVIEW不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)數(shù)據(jù)的實時采集，還可以對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、實時顯示以及保存等操作。但是該模型的求解過程涉及到復(fù)雜的迭代運算，此時MATLAB能夠發(fā)揮其強大的數(shù)值計算功能而對該模型進行快速求解。

3 測量模型求解混合編程的實現(xiàn)

如圖2所示,基于動態(tài)鏈接庫技術(shù)的混合編程主要分為3個步驟：①將M文件轉(zhuǎn)換為C++文件；②將C++文件轉(zhuǎn)換為動態(tài)鏈接庫文件；③用LabVIEW調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件。

圖2 測量模型求解混合編程的實現(xiàn)步驟

3.1 M文件至C++文件的轉(zhuǎn)換

第1步是將實現(xiàn)模型求解功能的M文件轉(zhuǎn)換為C++文件。從MATLAB 2012版本開始，其自帶的MATLAB Coder工具箱可以將MATLAB代碼生成獨立的、可讀性強、可移植的C/C++代碼或庫文件，方便其他應(yīng)用程序的調(diào)用，具體操作步驟如下：

(1) 在MATLAB中編寫求解氣液兩相流組合測量模型的代碼，并保存為函數(shù)式M文件，命名為test.m。

(2) 在MATLAB中設(shè)置編譯環(huán)境，在命令窗口輸入mex-setup或mbuild-setup后，命令窗口會顯示本計算機已安裝的編譯器，選擇Microsoft Visual C++ 2010；在MATLAB工具箱中打開MATLAB Coder 界面并輸入工程名test，添加MATLAB文件。

(3) 根據(jù)測量模型的實際需求對函數(shù)中所有參數(shù)的類型和大小進行設(shè)置，最終參數(shù)類型選擇為double型，參數(shù)大小設(shè)置為1×1。

(4) 選中Build選項卡中的Output type選項，設(shè)置轉(zhuǎn)換后的文件輸出類型，此處選擇C/C++ Static Library，即選擇C++靜態(tài)庫；選中More settings選項卡，在語言選項General Language中選擇選擇C++語言；最后進行編譯，生成C++文件，點擊View report可以查看生成的C++程序，至此完成M文件至C++文件的轉(zhuǎn)換。

3.2 C++文件至DLL文件的轉(zhuǎn)換

第2步是利用Microsoft Visual C++ 2010將C++文件轉(zhuǎn)換為LabVIEW可調(diào)用的DLL文件，具體步驟如下：

(1) 新建Win32項目，選擇DLL程序應(yīng)用類型，項目命名為testdll；將生成的C++文件中的test.cpp、test.h、rtwtypes.h、types.h等文件分別添加到DLL項目中的源文件和頭文件。

(2) 在test.h文件中添加具有DLL名稱的宏定義和導(dǎo)出函數(shù)語句，使DLL項目擁有導(dǎo)出函數(shù)以供LabVIEW調(diào)用，導(dǎo)出函數(shù)語句形式為extern "C" {_declspec(dllexport) void test (real_TRhoG, real_T,RhoL…) }，test是函數(shù)名，其括號內(nèi)為所有參數(shù)。

(3) 在test.cpp文件中添加聲明語句#include "rt_nonfinite.h"等，聲明的對象包括項目中的頭文件和添加進項目的頭文件，以使C++程序調(diào)用的系統(tǒng)庫函數(shù)擁有函數(shù)聲明。

(4) 創(chuàng)建自定義模塊mytestdll.def，將導(dǎo)出函數(shù)名稱test寫入該模塊，然后添加到DLL項目；對項目進行編譯，確認無誤后，點擊生成項目，即可實現(xiàn)C++文件至DLL文件的轉(zhuǎn)換。

3.3 DLL文件的調(diào)用

LabVIEW提供兩種調(diào)用DLL文件的方式，一種是調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點法，一種是導(dǎo)入共享庫工具法，前者需要對變量進行設(shè)定，操作繁瑣且容易出錯，后者相對簡單且便于操作，以下采用導(dǎo)入共享庫的方式，具體步驟如下：

(1) 打開LabVIEW，選擇菜單工具中的導(dǎo)入欄并且選擇其中的共享庫(.dll)。

(2) 在彈出的對話框“指定創(chuàng)建或者更新模式”中，選擇共享庫創(chuàng)建VI。

(3) 在彈出的對話框“選擇共享庫及頭文件”中，選擇共享庫文件(.dll)和頭文件(.h)。

(4) 在彈出的對話框“選擇待轉(zhuǎn)換函數(shù)”中，選擇需要轉(zhuǎn)換的DLL中的函數(shù)，要求函數(shù)必須是在C++程序中添加導(dǎo)出函數(shù)語句的函數(shù)，如上文的test函數(shù)。

(5) 在彈出的對話框“配置項目庫設(shè)置”中，寫入項目庫名稱，選擇項目庫路徑。

(6) 在彈出的對話框“配置VI及控件”中，配置DLL中函數(shù)生成VI后的屬性規(guī)范和參數(shù)的類型，即可完成DLL的導(dǎo)入(調(diào)用)。

4 氣液兩相流測量軟件開發(fā)

基于LabVIEW與MATLAB混合編程技術(shù)開發(fā)了氣液兩相流測量系統(tǒng)的測量軟件。軟件開發(fā)過程中采用模塊化編程思想，將軟件功能分為6個功能模塊并分別進行實現(xiàn)，即：總體控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、測量模型求解模塊(流量計算模塊)、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。該軟件的人機交互界面如圖3所示。

4.1 總體控制模塊

總體控制模塊主要包括“初始化”、“開始測試”、“停止測試”和“退出系統(tǒng)”等功能，分別對應(yīng)圖3所示人機交互界面上的4個按鈕。

“初始化”的主要功能是實現(xiàn)對軟件默認參數(shù)的設(shè)置?！伴_始測試”的功能是實現(xiàn)軟件的整體運行并完成數(shù)據(jù)采集和處理等過程。“停止測試”的功能是終止軟件運行但不退出軟件系統(tǒng)?！巴顺鱿到y(tǒng)”的功能是退出整個軟件系統(tǒng)。

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用于對圖1所示測量裝置的壓力、溫度、超聲波流量計輸出值和科氏流量計流量輸出值等信號進行實時采集。參數(shù)設(shè)置包括采樣通道、輸入電壓范圍、采樣頻率和采樣點數(shù)。采樣通道的設(shè)置需要與實際接線通道保持一致。輸入電壓范圍需要根據(jù)傳感器輸出范圍、被測參數(shù)變化范圍以及數(shù)據(jù)采集卡允許輸入范圍綜合確定，盡量設(shè)置較小的輸入電壓范圍，以提高數(shù)據(jù)采集的分辨率和精度。采樣頻率的設(shè)置需要考慮被測參數(shù)實際變化頻率范圍、傳感器輸出信號刷新頻率和數(shù)據(jù)采集卡允許的最高頻率等因素。

本系統(tǒng)選用PCIE-1840數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡具有4路單端模擬量輸入通道，16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，每個通道采樣頻率最高可達125 MS/s，能夠進行4路同步采集。本軟件的默認設(shè)置如下：4個參數(shù)的輸入電壓范圍均為-5～+5 V；壓力、溫度和超聲波流量計輸出值采樣頻率均為20 kS/s，采樣點數(shù)均為20 000；科氏流量計輸出值采樣頻率為1 000 S/s，采樣點數(shù)為1 000。

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要實現(xiàn)濾波和取均值的功能。

圖3 氣液兩相流測量軟件人機交互界面

軟件設(shè)計了巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等多種濾波器，以供操作人員根據(jù)實際需求進行選擇。需要設(shè)置的濾波器參數(shù)主要包括：濾波器類型、階數(shù)和高低截止頻率，其中截止頻率和階數(shù)的設(shè)定需要綜合考慮采樣頻率、被測參數(shù)變化頻率、傳感器輸出刷新頻率、噪聲頻率等因素。

本軟件默認選擇巴特沃斯低通濾波器(Butterworth)，其特點在于能夠?qū)崿F(xiàn)通頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線的最大限度平坦，而在阻頻帶則逐漸下降為零。將濾波后的數(shù)據(jù)取平均后作為當前測試點的測量值，供后續(xù)進行模型計算、顯示和保存。

4.4 測量模型求解模塊

模型求解模塊的程序如圖4所示，該模塊的功能是調(diào)用求解組合測量模型的DLL，通過對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行計算，最終得到氣液兩相流的分相質(zhì)量流量。對該模型進行求解前需要設(shè)置以下參數(shù)(見圖3)：液體密度、氣相黏度系數(shù)、液相黏度系數(shù)和模型參數(shù)。

氣體密度由氣體狀態(tài)方程計算得到，其中溫度和壓力值為實際測量值；液體密度默認設(shè)置為定值1 000 kg/m3(水的密度)；氣相和液相動力黏度系數(shù)默認設(shè)置為標準狀態(tài)(101 325 Pa，20 ℃)下空氣和水的黏度系數(shù)值，即μG=0.018 mPa·s,μL=1 mPa·s；模型參數(shù)(見式(1)和文獻[18])設(shè)置為：B1=0.376,B2=-0.023,K1=0.320,K2=0.008。

圖4 模型求解模塊的部分程序圖

4.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊用于對經(jīng)過預(yù)處理和模型計算后的數(shù)據(jù)進行實時顯示，以便于操作人員及時了解被測的氣液兩相流流動狀態(tài)。

顯示的數(shù)據(jù)主要包括：濾波后的壓力、溫度、超聲波流量計輸出和科氏流量計輸出隨時間變化的曲線，壓力、溫度、超聲波流量計輸出和科氏流量計輸出值，模型計算后的氣液兩相流分相質(zhì)量流量隨時間變化的曲線。

4.6 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊的功能是將經(jīng)過預(yù)處理和模型計算后的數(shù)據(jù)保存到硬盤，具體包括壓力傳感器、溫度傳感器、超聲波流量計和科氏流量計的輸出以及通過模型計算得到的氣液兩相流分相質(zhì)量流量。

為了方便后續(xù)查看和調(diào)用，將數(shù)據(jù)以文本格式保存到.txt文件中，并將各個參數(shù)的數(shù)據(jù)文件分別放置于不同的文件夾。

5 結(jié) 語

為了高效地開發(fā)功能強大的虛擬儀器軟件，應(yīng)用動態(tài)鏈接庫技術(shù)實現(xiàn)了LabVIEW與MATLAB的混合編程，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了用于氣液兩相流組合測量裝置的軟件，解決了氣液兩相流參數(shù)測量系統(tǒng)需要進行大量數(shù)據(jù)實時采集、處理、顯示、保存以及復(fù)雜多相流模型求解等問題。

該軟件開發(fā)方法適用于對人機交互界面、數(shù)據(jù)采集與儀器控制和數(shù)值計算同時具有較高要求的場合，可廣泛應(yīng)用于實驗室和實際生產(chǎn)系統(tǒng)。