風(fēng)機(jī)性能信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用風(fēng)機(jī)性能信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)Design and Development of Information System for Fan Performance 李延林 董 晶/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 摘要:介紹了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的風(fēng)機(jī)性能信息系統(tǒng)，著重論述了產(chǎn)品段性能曲線和整機(jī)性能曲線的擬合算法、各種單一氣體物性參數(shù)的平面插值算法等數(shù)學(xué)方法，還涉及到開(kāi)發(fā)環(huán)境的信息集成和數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用等技術(shù)。關(guān)鍵詞： 通風(fēng)機(jī) 性能曲線 擬合算法 數(shù)據(jù)庫(kù)中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2005）05-0030-03Abstract: The designed and devel

2、oped fan performance information system is introduced. The fitting algorithm of product section and overall unit performance curves, the plane interpolation algorithm and mathematical method of physical property parameter of various single gas are mainly discussed, and also dealt with the technique

3、of information integration on developing environment and data base application etc.Key words: Fan Performance curve Fitting algorithm Data base1 引言在處理風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能時(shí)，如何根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工況點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等來(lái)快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出風(fēng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)并繪制出性能曲線圖，以便能及時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品的科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)贏得用戶信譽(yù)十分重要。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套功能齊全、實(shí)用的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的性能信息軟件系統(tǒng)，意義重大。系統(tǒng)不僅能對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、修改和多項(xiàng)模

4、糊條件下的檢索輸出，更主要的是能進(jìn)行性能計(jì)算、性能曲線繪制及輸出圖形和數(shù)據(jù)，而且對(duì)一段時(shí)間內(nèi)（例如，最近5年生產(chǎn)的幾百臺(tái)產(chǎn)品）所積累的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)（包括圖形）進(jìn)行檢索和輸出。因此，該軟件系統(tǒng)必須是一個(gè)集工程設(shè)計(jì)與資料管理于一體的軟件系統(tǒng)，一個(gè)可維護(hù)性較好的系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)從功能上可分為幾個(gè)部分，由于篇幅所限，這里僅簡(jiǎn)述幾個(gè)問(wèn)題。2 性能數(shù)據(jù)的維護(hù)及數(shù)據(jù)點(diǎn)的性能計(jì)算對(duì)所需要的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品性能試驗(yàn)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行人工錄入（或者對(duì)于由采集系統(tǒng)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)也可進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的自動(dòng)導(dǎo)入）、查詢及修改。其中包括：試驗(yàn)總表維護(hù)、整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)維護(hù)、段設(shè)計(jì)參數(shù)維護(hù)、工況點(diǎn)記錄維護(hù)、試驗(yàn)裝置記錄維護(hù)、變速箱和軸承的油流量

5、和溫度數(shù)據(jù)維護(hù)、混合氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)維護(hù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義，這些數(shù)據(jù)被分配在不同的數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)維護(hù)就是錄入、查詢和修改這些數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)。檢索輸出是根據(jù)要求，系統(tǒng)自動(dòng)檢索出所要產(chǎn)品的多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)表或性能曲線，自動(dòng)排版打印輸出。收稿日期：2004-11-16 沈陽(yáng)市 110022當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)錄入完成并送入數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可進(jìn)行點(diǎn)性能計(jì)算。即分別針對(duì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的物性參數(shù)模型，用平面插值方法計(jì)算出試驗(yàn)氣體和設(shè)計(jì)氣體（如果是單一氣體）的各種物性參數(shù)；如果設(shè)計(jì)氣體是多組分氣體（如裂解氣、混合氣），則調(diào)用專門的程序按照氣體的各種組分及其百分比數(shù)據(jù)計(jì)算出該氣體的物性參數(shù)；再按照產(chǎn)品所屬氣動(dòng)性能模型（絕

6、熱過(guò)程模型或多變過(guò)程模型）計(jì)算該工況點(diǎn)試驗(yàn)氣體和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速條件下的各種性能參數(shù)，再換算成設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的各種性能參數(shù)值，送入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將該點(diǎn)的主要性能參數(shù)列于“主要性能參數(shù)表”中顯示。為了彌補(bǔ)采集的數(shù)據(jù)“質(zhì)量差、數(shù)據(jù)少”的不足，當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品段的所有工況點(diǎn)的性能計(jì)算完成后，再用“插點(diǎn)”功能進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的自動(dòng)插補(bǔ)，目的是在繪制段曲線圖時(shí)增加一些數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)提高段曲線的質(zhì)量（這些插補(bǔ)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，僅用于圖形處理）。3 風(fēng)機(jī)產(chǎn)品段性能曲線的擬合在進(jìn)行風(fēng)機(jī)產(chǎn)品性能試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)的每一工況段均設(shè)幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)（工況點(diǎn)）。試驗(yàn)過(guò)程中，不斷地改變工況，直接由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或由人工）記錄下工況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如進(jìn)口溫度、入口壓力

7、、出口溫度、出口壓力等），連同輸入的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)等，經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理，得到該風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的工況點(diǎn)氣動(dòng)性能。由于工況點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)往往帶有儀器儀表誤差、系統(tǒng)誤差等多種誤差，所以說(shuō)它具有一定的不準(zhǔn)確性。因此說(shuō)，少量的數(shù)據(jù)很難反映出風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的固有性能，只有足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，才能反映出產(chǎn)品本身固有的規(guī)律性。在計(jì)算出該段上所有工況點(diǎn)的性能參數(shù)后，就可以對(duì)該段繪制性能曲線圖。根據(jù)壓縮機(jī)性能的規(guī)律，這些有限個(gè)離散點(diǎn)繪成的曲線，既要使之誤差最小，又不能有拐點(diǎn)。段性能曲線還關(guān)系到整機(jī)性能疊加的準(zhǔn)確性。對(duì)解決此問(wèn)題來(lái)說(shuō)，選擇最小二乘法來(lái)擬合一條二次曲線是適宜的。如風(fēng)機(jī)的壓比是隨著容積流量變化的曲線，軸功率是隨

8、著容積流量變化的曲線。至于有些特殊情況，軟件中使用了對(duì)某些點(diǎn)的“加權(quán)”處理后，使性能曲線問(wèn)題得到了較好的解決。性能曲線圖和相應(yīng)的評(píng)估數(shù)據(jù)顯示出來(lái)后，選擇圖形面板上的“文件”菜單的子菜單“另存為”（這時(shí)彈出文件目錄選擇框），使用者選擇目錄、文件名按照?qǐng)D上的名字輸入，然后“保存”圖形。4 整機(jī)性能的疊加計(jì)算在各段的性能曲線圖繪制完成后，就可以進(jìn)行整機(jī)性能疊加計(jì)算了。首先將第一段性能曲線圖的容積流量區(qū)間（橫坐標(biāo)）分成m等份，產(chǎn)生出m+1個(gè)節(jié)點(diǎn)Q1i，i=1,2,，m+1?？煞謩e從第一段的容積流量壓比曲線、容積流量軸功率曲線上插值得出1i和psh1i,i=1,2,，m+1。由1i可計(jì)算出第1段的出口壓

9、力、第2段的進(jìn)口壓力和第1段的實(shí)際功率。由第2段的進(jìn)口壓力，又可以計(jì)算出第2段的進(jìn)口容積流量。由第2段的進(jìn)口容積流量在第2段的性能曲線上，可插值得出：2i和psh2i,i=1,2,，m+1。由此，又可計(jì)算出第2段的出口壓力、第3段的進(jìn)口壓力和第2段的實(shí)際軸功率。由第3段進(jìn)口壓力，又可計(jì)算出第3段的容積流量。就可在第3段的性能曲線上，插值得出3i和psh3i,i=1,2,，m+1。直到該壓縮機(jī)的最后一段。在遇到計(jì)算出的某段的某個(gè)進(jìn)口容積流量值不在該段的性能曲線的容積流量（橫坐標(biāo)）區(qū)間時(shí)，該點(diǎn)就被舍棄，而進(jìn)行下一個(gè)流量點(diǎn)的疊加計(jì)算。那么最后保留下來(lái)的容積流量最后計(jì)算壓比和容積流量最后一段的實(shí)際軸功

10、率的點(diǎn)，就是整機(jī)性能疊加計(jì)算的結(jié)果。5 整機(jī)性能曲線的擬合由于整機(jī)性能疊加計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此，使用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)機(jī)產(chǎn)品整機(jī)性能曲線的擬合，選用參數(shù)樣條方法。關(guān)于如何使用參數(shù)樣條方法來(lái)擬合容積流量壓比曲線和容積流量軸功率曲線，方法與過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)1。同樣，整機(jī)性能曲線圖顯示出來(lái)后，選擇圖形面板上的“文件”菜單的子菜單“另存為”，使用者選擇目錄和文件名，然后“保存”圖形。6 幾種單一氣體物性參數(shù)的平面插值作為試驗(yàn)介質(zhì)或者設(shè)計(jì)介質(zhì)的空氣、氧氣、氮?dú)饧岸趸嫉?它們的物性參數(shù)（絕熱指數(shù)k、壓縮性系數(shù)z、質(zhì)量定壓熱容Cp、動(dòng)力粘度、等壓偏差系數(shù)x等）是風(fēng)機(jī)產(chǎn)品性能計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。為

11、了及時(shí)準(zhǔn)確地獲得試驗(yàn)介質(zhì)和設(shè)計(jì)介質(zhì)的物性參數(shù)，首先把它們的各種物性參數(shù)的“模擬曲線族”存入電腦中，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的插值軟件，上述目標(biāo)就能實(shí)現(xiàn)。如何把每一種氣體的每一種物性參數(shù)對(duì)應(yīng)的方格紙上的曲線族（稱它為“模擬曲線族”），存入電腦中？這首先需要將族中每條曲線進(jìn)行數(shù)字化，即找出一些關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，放入電腦中，再用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理方法（筆者使用的是最小二乘法或參數(shù)樣條算法）擬合出平面上的一條條光滑曲線，也就是求出每一條光滑曲線的系數(shù)放在電腦中。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行“平面插值”。具體方法與過(guò)程如下。如何用最小二乘法或參數(shù)樣條算法，進(jìn)行平面上的插值？已知X-Y平面上有一族曲線Q1，Q2，Q3，Qn。它們分別是某個(gè)

12、空間曲線族或者某個(gè)空間曲面在該平面上的投影Q=v1，Q=v2，Q=v3，Q=vn。這里說(shuō)的“平面上的插值”，是用已知曲線族和給定Q=v和X坐標(biāo)值，求出對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)值。這里的“平面插值”的一般做法是：（1）先用已知曲線族插出要求的一條新曲線Q=v，即找出Q=v的表達(dá)式；（2）再由表達(dá)式求出X所對(duì)應(yīng)的Y值。要找出一條新曲線的表達(dá)式，必須先找出已知曲線族的足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)組（一個(gè)點(diǎn)組，是由同一個(gè)X坐標(biāo)下的各條已知曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)組成的），利用這一組組的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別進(jìn)行插值，求出曲線Q=v上的一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。再用求出的Q=v上的這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，求得曲線Q=v的表達(dá)式。實(shí)際上，并不需要插出Q=v的一條曲線，只

13、需要用已知曲線族的橫坐標(biāo)為X的一個(gè)點(diǎn)組就夠了。即用已知X坐標(biāo)處的點(diǎn)組（v1，Y1），（v2，Y2），（vn，Yn）插出一條與給定的X坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的v-Y曲線，即求得它的表達(dá)式，再將v值代入表達(dá)式，得到Y(jié)值。關(guān)于如何得到這條v-Y曲線，請(qǐng)見(jiàn)3和5。為了獲得較高的精度，盡量采用參數(shù)樣條方法擬合的曲線。如果該族曲線都是直線，也可選用最小二乘法，它也有較高的精度。而且，用最小二乘法擬合的曲線不但可用于內(nèi)插，而且還可用于外插。而用參數(shù)樣條擬合的曲線只能用于內(nèi)插，不能用于外插。因此，系統(tǒng)中氣體的物性參數(shù)插值軟件中，就有兩套程序。在使用過(guò)程中，凡能用參數(shù)樣條擬合曲線的，盡量使用參數(shù)樣條擬合的曲線。如果遇到曲線參

14、數(shù)v或者x坐標(biāo)值超界時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用最小二乘法的插值程序，求得一個(gè)近似值。這樣，既保證了插值的高精度，又避免了當(dāng)參數(shù)越界時(shí)因求不出氣體的某些物性參數(shù)值而無(wú)法繼續(xù)工作的問(wèn)題。7 系統(tǒng)管理子系統(tǒng)在這里，系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，包括用戶組授權(quán)、用戶管理、數(shù)據(jù)庫(kù)清理、數(shù)據(jù)庫(kù)的合并、在線幫助信息等。設(shè)置該子系統(tǒng)的目的是提高系統(tǒng)的可維護(hù)性等。8 結(jié)束語(yǔ)該軟件系統(tǒng)是一個(gè)集風(fēng)機(jī)熱動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法、計(jì)算技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體，以及一個(gè)集工程處理與數(shù)據(jù)管理于一體的軟件系統(tǒng)，又是一個(gè)完全WINDOWS軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Sybase關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，采用POWER BUILDER（主要用于計(jì)算數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用） 和 DELPHI軟件（主要用于圖形處理）開(kāi)發(fā)環(huán)境，