基于LabVIEW的MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

王 岑，陳 鍇，杜 莉

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

對于飛機結(jié)構(gòu)靜強度試驗而言，加載控制系統(tǒng)是試驗載荷施加的重要組成部分。目前針對航空結(jié)構(gòu)靜力試驗加載控制系統(tǒng)主要以MOOG公司的SmarTest試驗系統(tǒng)為主，該加載控制系統(tǒng)已充分應(yīng)用于飛機整機及部件的結(jié)構(gòu)靜強度試驗加載控制中[1]。當(dāng)前MOOG控制系統(tǒng)輸出的加載數(shù)據(jù)不具有便捷的閱讀性，主要原因包含三點：1)所有加載輸出數(shù)據(jù)主要以科學(xué)記數(shù)法來表示數(shù)值大小，閱讀性較差；2)輸出原始數(shù)據(jù)中不僅包含了試驗過程中所用載荷加載通道的數(shù)據(jù)，還包含了大量的非加載點的無效通道數(shù)據(jù)，為此增加了試驗人員對加載數(shù)據(jù)處理的分析難度;3)試驗加載控制過程曲線數(shù)據(jù)為xls格式文件，MOOG系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)工具只提供了最簡單的曲線顯示功能，對試驗過程數(shù)據(jù)的分析增加了困難。為解決上述問題本文將利用LabVIEW平臺提出一種能自動對原始加載數(shù)據(jù)進行批量處理的軟件設(shè)計原理及數(shù)據(jù)處理方法，該軟件設(shè)計方法能實現(xiàn)對加載控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、無效數(shù)據(jù)的剔除、試驗加載通道過程數(shù)據(jù)的可視化顯示及通道的相對誤差計算。該設(shè)計方法將大幅降低試驗人員處理數(shù)據(jù)難度的同時縮短了試驗數(shù)據(jù)處理周期，不僅提高了試驗人員處理數(shù)據(jù)的工作效率，還減少了人工操作的出錯率。

1 數(shù)據(jù)處理過程

1.1 MOOG加載控制數(shù)據(jù)

MOOG控制系統(tǒng)的加載控制數(shù)據(jù)分為兩種類型：第一種為試驗加載過程的連續(xù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可根據(jù)試驗人員的需求可設(shè)置采樣頻率及采樣時間；第二類為單點采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)記錄了試驗載荷譜逐級的末端數(shù)據(jù)。在靜強度試驗結(jié)束后，MOOG控制系統(tǒng)會在當(dāng)前試驗配置目錄下自動生成以日期時間為名稱的csv格式的加載數(shù)據(jù)，具體輸出格式如圖1所示，其中Condition_Nr表示為試驗載荷值狀態(tài)(通道表示為載荷加載級數(shù))，CH_i_CMD表示為第i個加載控制通道的命令值，CH_i_FB_A表示為第i個加載控制通道力傳感器A口反饋數(shù)據(jù)，CH_i_FB_P表示為第i個加載控制通道位移傳感器反饋數(shù)據(jù)。

圖1 MOOG輸出的單點CSV格式數(shù)據(jù)

該MOOG加載數(shù)據(jù)主要記錄了加載試驗過程中載荷施加的逐級數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)格式以日期、時間、加載級數(shù)和加載測試通道的順序為列依次排序，加載數(shù)據(jù)列數(shù)是以試驗配置所使用的加載通道多少決定，而加載數(shù)據(jù)的行數(shù)取決于試驗的加載級數(shù)，因此對不同試驗工況下的加載數(shù)據(jù)量大小也不相同，且MOOG加載數(shù)據(jù)輸出中不僅涵蓋了試驗加載通道的力、位移數(shù)據(jù)，也含有閑置通道的無效數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后試驗人員需人工篩選出有效數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理。在試驗工況較多，數(shù)據(jù)量較大的情況下，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法可能增加錯誤發(fā)生的幾率，給試驗數(shù)據(jù)處理分析帶來了困難。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

針對MOOG加載控制數(shù)據(jù)閱讀性較差等問題，人工手動方式處理數(shù)據(jù)主要按照以下步驟分別對數(shù)據(jù)進行處理工作。1)查找試驗所用使用的加載控制通道；2)篩選出加載控制通道命令、力反饋、位移反饋數(shù)據(jù)；3)刪除閑置通道的無效數(shù)據(jù)；4)對有效的加載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為常用格式；5)計算各加載通道的相對誤差；6)整合排列加載數(shù)據(jù)格式；7)輸出加載控制數(shù)據(jù)報告。

在試驗結(jié)束后MOOG系統(tǒng)會自動生成當(dāng)前試驗的加載控制數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理時先選擇所需處理的試驗csv格式文件數(shù)據(jù)，打開數(shù)據(jù)文件依次選中試驗所使用的控制通道數(shù)據(jù)(包括通道的命令、力反饋或位移反饋)，并刪除其他多余通道的無效數(shù)據(jù)。由于MOOG控制系統(tǒng)輸出的加載數(shù)據(jù)，數(shù)值顯示方式為科學(xué)記數(shù)閱讀性較差，為此需把所有有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)字顯示。加載通道的相對誤差是指加載通道在設(shè)計載荷下的命令與反饋之間的差值，計算公式見式(1)。在分別完成試驗加載通道的相對誤差計算結(jié)束后，重新對所有數(shù)據(jù)進行整合排序，最后以完整的報告格式輸出試驗加載數(shù)據(jù)[2]。

(1)

2 軟件設(shè)計過程

2.1 軟件需求及功能

該數(shù)據(jù)處理軟件主要針對MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行二次處理，能提供方便易于操作的人機交互界面，實現(xiàn)對控制數(shù)據(jù)的自動化處理，減少人工處理的繁瑣過程。

功能要求：1)能方便快捷地讀取MOOG原始加載控制數(shù)據(jù)；2)對加載控制數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換；3)根據(jù)設(shè)定自動剔除原始試驗數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)；4)實現(xiàn)加載控制通道相對誤差的自動計算；5)對試驗過程中的超差通道數(shù)據(jù)標(biāo)記提醒；6)實現(xiàn)加載通道數(shù)據(jù)的可視化顯示；7)加載控制數(shù)據(jù)報告的自動生成。

2.2 開發(fā)軟件介紹

本軟件程序運用LabVIEW編程語言作為軟件的開發(fā)平臺，LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的一種圖形化編程語言，又被稱為“G語言”，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、機械、測量等領(lǐng)域[3]。LabVIEW運用了一種圖形化的編程語言來實現(xiàn)程序的開發(fā)，一個軟件vi可分為前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計兩大部分，前面板是人機交互設(shè)計界面，可添加輸入、輸出按鍵、圖形和表格等顯示控件。程序界面是基于面向?qū)ο蟮娜藱C交互界面開發(fā)，內(nèi)置有豐富的庫函數(shù)、控制結(jié)構(gòu)和常量等功能模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在前面板與程序框圖之間的數(shù)據(jù)交換[4]。本文將主要介紹運用LabVIEW平臺來設(shè)計與開發(fā)針對MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動化處理，來降低人為操作帶來的出錯率。

2.3 軟件總體構(gòu)成

系統(tǒng)軟件對MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要分為三部分模塊設(shè)計：1)試驗加載數(shù)據(jù)的讀取，該模塊主要實現(xiàn)對MOOG加載控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取，同時把讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成常規(guī)的十進制數(shù)據(jù)格式。2)數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊主要包含5個功能：(1)試驗加載通道的篩選；(2)加載通道的誤差計算；(3)超差通道誤差提醒；(4)加載過程曲線顯示，通過讀取試驗加載過程數(shù)據(jù)繪制加載曲線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化顯示；(5)數(shù)據(jù)整合排版。3)數(shù)據(jù)報告模塊可實現(xiàn)對處理后的加載數(shù)據(jù)報告的輸出管理。軟件功能模塊見圖2。

圖2 軟件功能模塊

啟動MOOG控制數(shù)據(jù)處理軟件后，首先指定數(shù)據(jù)文件存放的路徑及名稱，軟件先通過電子表格讀取vi，實現(xiàn)對MOOG數(shù)據(jù)的識別讀取。再下拉列表框中設(shè)置試驗所使用加載控制通道的命令和反饋，軟件將根據(jù)試驗人員選擇的試驗通道信息，從MOOG控制數(shù)據(jù)中篩選出試驗通道信息，格式轉(zhuǎn)換生成新的加載控制數(shù)據(jù)表格。此時軟件自動計算各加載控制通道的相對誤差，并判斷誤差是否超差。同時試驗人員可通過波形圖vi選擇相應(yīng)控制通道繪制試驗曲線，觀測試驗加載過程。最后試驗人員可輸出試驗加載曲線圖片和加載數(shù)據(jù)，形成試驗控制加載數(shù)據(jù)報告，軟件數(shù)據(jù)處理流程圖見圖3。

圖3 程序流程圖

2.4 軟件界面設(shè)計

MOOG數(shù)據(jù)處理軟件操作界面如圖4所示。軟件主界面采用一個選項卡控件，建立3個功能選項卡，分別設(shè)置為“MOOG加載控制數(shù)據(jù)”、“數(shù)據(jù)處理”、“曲線顯示”。選項卡界面內(nèi)包括路徑讀取、列表框、表格、波形圖等人機交互輸入顯示控件。軟件前面板可分為三部分：

第一部分為數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)域，需通過文件路徑選擇按鍵指定需處理數(shù)據(jù)文件的位置信息。選擇通道列表框需添加所要處理的試驗加載通道數(shù)據(jù)信息(包括通道命令、力反饋、位移反饋)[5-6]。

第二部分為數(shù)據(jù)報告界面，界面由表格顯示控件構(gòu)成，將顯示計算匯總后各通道命令反饋及誤差值，形成加載數(shù)據(jù)報告。

第三部分為曲線顯示模塊，可根據(jù)試驗人員設(shè)置需要顯示的試驗通道加載過程曲線數(shù)據(jù)(包括通道命令、反饋數(shù)據(jù))。

圖4 軟件操作界面

2.5 軟件程序設(shè)計

程序軟件設(shè)計主要分為5部分：

第一部分為MOOG控制數(shù)據(jù)讀取功能，MOOG控制系統(tǒng)自生成的單點測試數(shù)據(jù)格式為csv，運用讀取電子表格vi可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取，讀取電子表格vi需添加路徑控件，并設(shè)置格式為“%，3f”及分隔符為“，”。通過一位數(shù)組索引及數(shù)組刪除函數(shù)，提取出表格數(shù)據(jù)中全部通道名稱信息，并復(fù)制至通道列表框控件中[7-8]。程序框圖見圖5。

圖5 MOOG數(shù)據(jù)讀取部分程序框圖

第二部分為加載通道篩選部分，程序框圖如圖6所示。程序框圖中分別放置兩個列表框控件并設(shè)置為通道列表信息和選擇通道信息。在第一部分程序中會將所有MOOG控制數(shù)據(jù)的通道信息(包含命令、力反饋、位移反饋等試驗通道信息)顯示在通道列表信息框中。試驗人員只需將所需要處理的通道信息拖拽至選擇通道信息列表框內(nèi)即可。程序首先判斷出所要處理的通道信息數(shù)量，依次從MOOG控制數(shù)據(jù)中提取出所需處理的通道數(shù)據(jù)。由于MOOG加載控制數(shù)據(jù)加載級“Condition_Nr”數(shù)據(jù)未以常用的百分比顯示，則需對加載級數(shù)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成加載百分比顯示格式后再數(shù)據(jù)首行中添加加載級數(shù)數(shù)據(jù)。

圖6 加載通道篩選部分程序框圖

軟件程序第三部分為通道相對誤差計算功能模塊，該模塊功能主要對第二部分輸出的有效通道數(shù)據(jù)進行誤差計算，程序首先搜索出各加載控制通道100%加載級的載荷值，通過相對誤差計算公式，計算得出各加載控制通道在100%加載級下的誤差值，所有通道誤差值被統(tǒng)一保存在一組一位數(shù)組中，然后再依次對該組數(shù)組值進行判斷，根據(jù)試驗任務(wù)書要求加載控制精度要求在±1%DL內(nèi)，通過添加“IF條件結(jié)構(gòu)vi”逐行對所有通道誤差值比較計算，誤差判斷程序如圖7所示。

圖7 誤差值判斷超差框圖

系統(tǒng)軟件默認計算后的誤差值超過±1%DL，則自動判定該通道加載超差，并在該通道的誤差值前以“*()”做出標(biāo)識，提醒試驗人員著重注意該通道數(shù)據(jù)。當(dāng)所有有效通道的誤差計算完成后，便把新的誤差值追加在命令、反饋列后并存放在一組二位數(shù)組當(dāng)中。

軟件程序第四部分為報告生成輸出模塊，根據(jù)加載控制數(shù)據(jù)報告格式的要求，報告形式以通道名稱為行、命令、反饋、誤差為列的報告排版格式輸出。因此在創(chuàng)建報告模板時，需添加四列，分別命名為加載通道名稱、命令、反饋、誤差。程序依次把各有效通道的名稱、命令、反饋、誤差等加載信息值填入報告中，最終形成一張完整的報告數(shù)據(jù)表格。誤差計算及報告生成模塊程序見圖8。

圖8 誤差計算及報告生成模塊程序框圖

軟件程序第五部分為曲線顯示模塊，程序先讀取試驗數(shù)據(jù)表中所有通道信息，并把通道名稱信息添加至波形圖圖例中，試驗人員可任意在波形圖vi圖例中勾選所要顯示的曲線名稱，再通過for循環(huán)結(jié)構(gòu)，依次繪制所需加載的曲線。通過添加事件結(jié)構(gòu)vi，設(shè)置“鼠標(biāo)按下事件”，獲取曲線位置坐標(biāo)值，創(chuàng)建字符串顯示控件，把當(dāng)前鼠標(biāo)指針坐標(biāo)XY值賦值至字符串顯示圖框中，程序框圖如圖9所示。

圖9 曲線顯示模塊程序框圖

該顯示模塊不僅能顯示完整的試驗加載過程曲線，還有對曲線局部放大或縮小功能，并能在曲線界面中提示鼠標(biāo)所指向的曲線XY值信息，曲線顯示效果如圖10所示。該曲線顯示功能將提升曲線局部顯示能力，便于試驗人員對試驗全過程加載狀態(tài)的分析工作。

圖10 試驗加載過程曲線

3 功能驗證及測試結(jié)果

運用MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，對某部件靜強度試驗加載控制數(shù)據(jù)進行處理。該部件靜強度試驗共5個試驗工況，8個主動載荷加載控制通道，試驗加載過程以設(shè)計載荷值的5%一級，逐級加載至100%設(shè)計載荷值，試驗加載過程中MOOG控制系統(tǒng)逐級采集單點控制數(shù)據(jù)，所有試驗工況完成后，MOOG控制系統(tǒng)自動生成5個加載控制原始數(shù)據(jù)表格。運行MOOG控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，在文件夾路徑選擇控件中指定MOOG原始加載控制數(shù)據(jù)文件路徑。在通道列表框中依次把試驗所使用的8個主動加載通道(命令、力反饋)拖至選擇處理通道列表框中,點擊運行按鍵，軟件自動對數(shù)據(jù)處理，并生成加載控制數(shù)據(jù)報告。

圖11數(shù)據(jù)為軟件處理后的以5%一級的工況一試驗加載控制數(shù)據(jù)，其中首列為試驗加載級數(shù)，之后以通道命令、力反饋依次排列。

圖11 5%一級工況一加載控制數(shù)據(jù)

表1為工況一試驗100%加載級控制數(shù)據(jù)，其中通道名稱為試驗所用主動加載控制通道名稱，命令為100%設(shè)計載荷，反饋為100%載荷級下通道的力反饋值，誤差為100%載荷級下各主動加載通道的相對誤差。

表1 100%加載級控制數(shù)據(jù)

表2為工況一試驗100%加載控制誤差判斷提示數(shù)據(jù)，軟件根據(jù)加載控制精度，對誤差值超出要求的通道做出標(biāo)識，提醒試驗人員加以注意。

4 結(jié)束語

通過對某部件靜強度試驗MOOG加載控制數(shù)據(jù)處理的實際應(yīng)用表明，本文基于LabVIEW平臺設(shè)計的針對MOOG加載控制數(shù)據(jù)處理軟件，操作界面便捷，數(shù)據(jù)顯示直觀，運行可靠，實現(xiàn)了對MOOG原始數(shù)據(jù)的自動化處理。通過運用該軟件可實現(xiàn)對多通道控制數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，控制通道的誤差計算及加載控制數(shù)據(jù)報告的自動生成。該軟件處理方法在減少人工處理數(shù)據(jù)時間的同時也降低了人工處理數(shù)據(jù)造成的錯誤率，保證了試驗數(shù)據(jù)處理的正確性，提高了試驗數(shù)據(jù)處理效率，可為其他控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法提供參考意義。