施水娟1，李文文2

　?。?.南通職業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.中國一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063）

　　摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖通常包括等油耗曲線和等功率曲線。采用LabVIEW 2011編程，先通過ActiveX控件讀取Excel文件中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后構(gòu)造曲面網(wǎng)格，利用Biharmonic Spline二維離散點(diǎn)插值方法擬合三維曲面。最后，采用Contour Line.vi繪制等高線水平可定義的等油耗曲線和等功率曲線（二維等高線圖），并由三次樣條插值得到的外特性曲線和坐標(biāo)軸構(gòu)成的多邊形邊界刪除等油耗曲線和等功率曲線的界外點(diǎn)，成功建立萬有特性曲線。

　　關(guān)鍵詞：Excel讀取；二維離散點(diǎn)插值；等高線圖繪制；萬有特性曲線

0引言

　　發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需要離線處理的數(shù)據(jù)包括負(fù)荷特性數(shù)據(jù)（功率、比油耗、氣體排放、煙度等）、外特性數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、扭矩、比油耗、煙度、排溫、進(jìn)氣量、充氣效率、空燃比等）、萬有特性數(shù)據(jù)和其他相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。萬有特性曲線反映的是在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的油耗率，主要包括等油耗曲線和等功率曲線，根據(jù)需要還可以畫出等過量空氣系數(shù)等曲線［1］ 。

　　周廣猛等人利用MATLAB及其擬合方法繪制了萬有特性曲線［2］。鑒于虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文利用NI LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線的建立。主要涉及了基于LabVIEW的試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取、二維離散點(diǎn)的網(wǎng)格生成和曲面插值、外特性曲線的建立等內(nèi)容，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)處理的子模塊。

1讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　目前，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為Excel格式數(shù)據(jù)文件。本文采用Excel 2007提供的Microsoft Excel 12.0 Object Library Version 1.6 ActiveX控件和LabVIEW編寫的有限狀態(tài)機(jī)來讀取文件中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　ActiveX控件讀Excel文件的流程如圖1所示。使用打開自動(dòng)化vi打開ActiveX對(duì)象的引用，啟用LabVIEW與ActiveX對(duì)象間的通信。將引用傳入屬性圖1Excel讀取流程節(jié)點(diǎn)或調(diào)用節(jié)點(diǎn)，調(diào)用對(duì)象的屬性或方法。調(diào)用Workbooks屬性的Open方法時(shí)指定文件路徑，調(diào)用Sheets屬性的Item方法時(shí)指定工作表的索引號(hào)。變體數(shù)據(jù)利用Variant To Data.vi作相應(yīng)的轉(zhuǎn)換［3］。由于工作表中除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)還有文本信息，將獲取的變體數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成字符型二維數(shù)組。然后利用數(shù)組操作vi提取出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值。

2二維離散點(diǎn)插值

　　等油耗曲線和等功率曲線都是等高線圖。等油耗曲線以轉(zhuǎn)速作為x軸，扭矩作為y軸，比油耗作為z軸。等功率曲線以轉(zhuǎn)速作為x軸，扭矩作為y軸，發(fā)動(dòng)機(jī)功率作為z軸。

　　2.1網(wǎng)格生成

　　發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)只能采集有限工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此必須對(duì)這些離散的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值才能擬合出三維曲面（使用插值方法保證擬合曲面經(jīng)過所有離散數(shù)據(jù)點(diǎn)）。先利用Ramp Pattern.vi構(gòu)造xi和yi，Ramp Pattern.vi是一個(gè)多態(tài)vi，選擇按樣本數(shù)構(gòu)造方式。利用數(shù)組操作vi找出轉(zhuǎn)速和扭矩的最大值和最小值，以轉(zhuǎn)速xi構(gòu)造為例：

　　式中n為要構(gòu)造的樣本數(shù)，xmin和xmax分別為轉(zhuǎn)速的最小值和最大值。本文將構(gòu)造樣本數(shù)設(shè)為60。

　　xi和yi構(gòu)造成功后，再用Create Mesh Grid（2D）.vi生成要構(gòu)造三維曲面的網(wǎng)格即矩陣X和Y，如表1所示。表1將矩陣X和Y的元素進(jìn)行了組合，分別表示網(wǎng)格中各點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。

　　2.2Biharmonic Spline插值

　　網(wǎng)格生成后進(jìn)行曲面插值，常見的曲面插值方法有雙3次樣條插值、B樣條插值等。但這些方法要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)（控制點(diǎn)）均勻分布在網(wǎng)格上，計(jì)算量繁瑣。基于Biharmonic Spline的曲面插值技術(shù)整體平滑且局部性能較好，對(duì)控制點(diǎn)的分布和數(shù)量沒有要求。Biharmonic Spline插值產(chǎn)生的曲面是以控制點(diǎn)為中心的Green函數(shù)的線性組合，具有最小曲率［4］。

　　利用Interpolate 2D Scattered 多態(tài)vi提供的Biharmonic Spline方法進(jìn)行曲面插值。將網(wǎng)格矩陣X和Y及離散的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Interpolate 2D Scattered vi，得到曲面插值后的矩陣Z。 

　　圖3等功率曲面插值發(fā)動(dòng)機(jī)等油耗曲面和等功率曲面試驗(yàn)數(shù)據(jù)二維散點(diǎn)圖和曲面插值后的二維散點(diǎn)圖。

3等高線建立

　　3.1三維等高線

　　將插值后的矩陣X、Y和Z分別輸入3D Contour控件就可以生成圖4中的等油耗和等功率三維等高線圖。該控件可以切換到x-y平面顯示二維等高線圖，但無法將等油耗和等功率曲線顯示在同一x-y平面中，并且等高線水平值不能設(shè)定。　　

　　3.2二維等高線

　　由于3D Contour控件不能實(shí)現(xiàn)萬有特性曲線的建立，采用Contour Line.vi繪制二維等高線圖。利用數(shù)組操作vi取出插值后的X矩陣的第一行和Y矩陣的第一列，連同插值后的Z矩陣輸入Contour Line.vi，并輸入自定義的等高線水平數(shù)組，即可生成二維等高線圖。生成的二維等高線圖是一個(gè)一維簇?cái)?shù)組，每個(gè)簇包含一個(gè)水平的等高線x數(shù)組和y數(shù)組，將這個(gè)簇?cái)?shù)組顯示在XY Graph控件（可以顯示單條或多條曲線）上就得到了如圖5所示的等油耗曲線和等功率曲線。

　　3.3萬有特性曲線

　　將等油耗曲線與等功率曲線的一維簇?cái)?shù)組拼接成新的一維簇?cái)?shù)組，等油耗曲線和等功率曲線就可顯示在同一平面中。萬有特性曲線還缺少外特性曲線作為邊界線。先利用Ramp Pattern.vi構(gòu)造xi，再利用Interpolate 1D.vi進(jìn)行插值得到外特性曲線。鑒于三次樣條插值方法可以保證數(shù)據(jù)點(diǎn)的一階和二階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的，因此采用三次樣條插值方法建立外特性曲線［5］。

　　利用外特性曲線組成如圖6所示的多邊形邊界，用來刪除等油耗曲線和等功率曲線的界外點(diǎn)。將(xmin,0)、(xmax,0)和外特性曲線輸入Point in Polygon.vi作為多邊形邊界，判斷等油耗曲線和等功率曲線的各點(diǎn)是否在邊界內(nèi)，界外點(diǎn)和邊界上的點(diǎn)賦值NaN，界內(nèi)點(diǎn)保持不變。將重新賦值的等油耗曲線、等功率曲線和外特性曲線成拼接一維簇?cái)?shù)組，建立萬有特性曲線。圖7是利用上述方法建立的某型發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線。

4結(jié)束語

　　虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，本文采用LabVIEW來建立發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線。讀取Excel格式的數(shù)據(jù)文件后，利用LabVIEW提供的二維離散點(diǎn)插值方法進(jìn)行曲面插值，生成等油耗和等功率三維等高線圖。為了使等高線水平可以自定義，又建立了等油耗和等功率的二維等高線圖，通過外特性曲線刪除了界外點(diǎn)，最終建立了萬有特性圖。該方法可作為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中離線數(shù)據(jù)處理的一個(gè)模塊。

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