建築風洞試驗監控系統規劃研究

建築風洞試驗監控系統規劃研究

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

104301070000G0039

建築風洞試驗監控系統規劃研究

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

研 究 人 員 ： 李鎮宏 研究員兼主任

Architecture and Building Research Institute,

Ministry of the Interior

Research Project Report

Planning of the Monitoring system for the

Building Wind Tunnel Test

By

Lee, Zhen-Hung

I

目 次

表次

………Ⅲ

圖次

………Ⅴ

摘要

………Ⅸ

第一章 緒論

………1 第一節 研究緣起與背景………1 第二節 研究目的與方法………1 第三節 文獻回顧………2

第二章 監控系統概述

………9 第一節 監控系統結構及其基本原理………11 第二節 信號採樣與誤差分析………14 第三節 LABVIEW 監控系統軟體技術………21

第三章 風力監測系統建置

………25 第一節 既有風力監測系統………25 第二節 建置 LabVIEW 監測系統………30 第三節 監測系統量測資料比對………41 第四節 風力歷時比對………49 目次

建築風洞試驗監控系統規劃研究 II

第四章 結論與建議

………61 第一節 結論………61 第二節 建議………62

附錄一 期初審查意見答復表

………65

附錄二 期中審查意見答復表

………67

附錄三 風力座標準換矩陣運算

………69

附錄四 期末審查意見答復表

………71

附錄五 結構風載重計算流程與使用手冊

………73

參考書目

………79

III

表次

表 3-1 平均風力比對(風向角 0 度)………45 表3-2 擾動風力比對(風向角0度)………45 表次

建築風洞試驗監控系統規劃研究

V

圖次

圖 1-1 門窗風雨試驗之操控界面 7 圖 1-2 帷幕牆風雨試驗之操控界面 7 圖 2-1 LabVIEW 程式區 22 圖 2-2 LabVIEW 人機介面 23 圖 2-3 控制面板 23 圖 3-1 建築風力量測配置 27 圖 3-2 建築基底安裝接合 27 圖 3-3 建築模型與六力平衡儀連結 27 圖 3-4 六力平衡儀安裝於旋轉台上 28 圖 3-5 訊號接收與放大器 28 圖 3-6 訊號自 RS232 接頭轉換至 BNC 接頭 28 圖 3-7 輸出六個力量訊號 29 圖 3-8 六個力量訊號接至 NI 模組 29 圖 3-9 監測系統接收訊號並記錄受力歷時資料 29 圖 3-10 既有之風力監測系統(VB) 30 圖 3-11 LabVIEW 風力監測系統-程式區 32 圖 3-12 LabVIEW 風力監測系統-人機介面 32 圖 3-13 電壓與風力之轉換矩陣檔案名稱輸入 33 圖 3-14 取樣頻率與採樣數輸入 33 圖 3-15 風向角與風力數據資料輸出檔名輸入 33 圖 3-16 人機介面之顯示資料 34 圖 3-17 無風力下之受力基準量測 34 圖 3-18 非 0 度風向角之受力基準局部變數 35 圖次

建築風洞試驗監控系統規劃研究 VI 圖 3-19 六力平衡儀電壓歷時資料擷取 35 圖 3-20 六力平衡儀電壓歷時數據轉換為受力大小 36 圖 3-21 求取平均受力大小 36 圖 3-22 人機介面顯示基準值 37 圖 3-23 歷時與平均風力計算 37 圖 3-24 六力平衡儀電壓歷時資料擷取 38 圖 3-25 六力平衡儀電壓歷時數據轉換為受力大小 38 圖 3-26 人機介面顯示歷時風力與平均風力大小 38 圖 3-27 局部座標風力值轉換為全域座標 39 圖 3-28 風力歷時數據輸出 39 圖 3-29 程式區風力 FFT 轉換 40 圖 3-30 FFT 轉換結果輸出 40 圖 3-31 Fx 歷時資料比對 41 圖 3-32 Fy 歷時資料比對 41 圖 3-33 Fz 歷時資料比對 42 圖 3-34 Mx 歷時資料比對 42 圖 3-35 My 歷時資料比對 43 圖 3-36 Mz 歷時資料比對 43 圖 3-37 風壓風力模型與地況配置 46 圖 3-38 電子式壓力掃描模組 47 圖 3-39 壓力訊號處理系統 47 圖 3-40 壓力管線與 SFB 同時安裝 47 圖 3-41 順風向風力比對(風向角 0 度) 48 圖 3-42 橫風向風力比對(風向角 0 度) 48

VII 圖 3-43 扭轉向風力比對(風向角 0 度) 49 圖 3-44 六力平衡儀(SFB) 49 圖 3-45 壓力量測系統構架 50 圖 3-46 風壓積分 FEM 模式 51 圖 3-47 基底束制與反力設置 51 圖 3-48 表面風壓歷時給定 52 圖 3-49 表面風壓分析 52 圖次

建築風洞試驗監控系統規劃研究

IX

摘要

關鍵字：風力監測系統、六力平衡儀、基底風力

一、研究緣起

目前本所風雨風洞實驗室用以擷取風速與風力時序列之資料， 係以 Visual Basic (VB)所撰寫，配合 Window XP 32 位元所建立之 操控視窗來進行監測，惟隨著作業系統升級至 64 位元，現行監測 程式無法配合更新，故實驗室現階段對於 XP 系統之電腦(三台)採 獨立專用，以免作業軟體一經升級，恐造成無法正確擷取實驗過 程中之測試數據，導致風洞試驗停擺而直接衝擊所內相關研究案 與委託檢測案執行。 由於現行安裝XP系統電腦隨使用頻率與操作天數，終有無法修 復需加以汰換之時，為避免屆時因擷取監測系統無法操作而延宕 相關研究與檢測案進行，基於長 遠考量，實驗室需配合電腦 Window作業系統64位元而更動現行監測擷取系統，故擬應用本所 已購置之LabVIEW程式語言，來建立另一套風速與風力量測監視 系統。 二、研究方法及過程 由於現行風速/風力監測視窗係用 VB(Visual Basic)語言所 撰寫，採文字編撰方式，如需更動或升級重編該程式，則需對該 VB 語言有一定程度的了解及編輯能力，較不易於後續功能新增或 擴充，故後續研究方法將採用圖控介面 LabVIEW 程式來建置基於 64 位元作業系統之監測系統，研究過程中包含： (一) 參考現行監測系統之資料擷取輸入端與數據分析輸出 摘要

建築風洞試驗監控系統規劃研究 X 端，據以建立新增系統所需呈現之視窗內容。 (二) 強化現行監測視窗無法顯示即時風速與風力之數據歷時 圖形。 (三) 以風洞試驗進行兩監測系統數據量測結果比對，用以確立 新設系統程式撰寫是否無誤。 三、重要發現 (一) 對於既有監測系統 VB 之功能其可強化之處已加以檢視並列 出增項，納入新監測系統 LabVIEW 中。 (二) 已初步建置完成風力監測系統，包含 1.試驗基本資料輸入 2. 試驗前風力基準量測 3.風力歷時數據量測 4.平均風力計 算 5.局部座標風力值轉換至全域座標 6.數據資料檔建立 7.頻譜分析與 8.風速量測等八大項。 (三) 二監測系統同步進行風力歷時資料擷取與比對，其 6 個基底 受力反應間並無明顯差異，亦即說明新建 LabVIEW 監測系統 於風力量測部分之準確性與既有 VB 系統相當可供運用。 (四) 本所風雨風洞實驗室於 104 年 9 月 11、12 日辦理 TAF 認證 項目延展與增項(建築結構風載重試驗)過程中，評鑑委員提 出「電腦操作軟體是否有定期查核其準確性？請提供相關紀 錄證明」。經由本研究建構之 LabVIEW 量測系統，適時納入 試驗品保方案中，載明現行電腦操作軟體(VB 量測系統)查 核，係依保方案之品質試驗中，藉由 LabVIEW 量測系統於同 一實驗背景下進行交互查核比對來確認其準確性，評鑑委員 亦接受所提品保分析結果。

XI 四、主要建議事項 建議一 納入建築物實場風力計算(含背景及共振風力):立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 目前本研究僅完成「建築結構風載重試驗」之監測系統與數據 分析程式設計，該部分已可將建築模型實驗成果立即計算完成； 惟建築物實場風力計算需包含工址設計風速、結構特性(各樓層質 量、高度、自然振動頻率、低階模態振形)等，方可繼續計算實場 各樓層設計風力。該部分實驗室雖已有獨立撰寫的程式可供應 用，但為加速分析減少計算中斷及人員更迭或訓練不足造成操作 疏漏，可將該實場分析程式，一併納入本研究以LabVIEW所撰寫之 監測系統中，達到實驗完成，整體報告數據計算亦同時完成的目 標，縮短建築風力試驗報告出具時程。 建議二 風壓/風速量測儀器校正與數據截取系統建立:中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 實驗室委託檢測試驗項目共計三大項，包含(1)行人環境風場(2) 建築物外表被覆風壓(3) 建築結構風載重試驗，目前本研究僅完 成第(3)項，後續尚待針對(1)、(2)建立儲備監測與分析系統加以 探討。由於現行建物表面風壓與行人風速量測係分別以壓力掃描 搭配傳感管線及Irwin Probe來測定，惟國內尚無前揭設備之校正 摘要

建築風洞試驗監控系統規劃研究 XII 方法及校正機構可加以校正，故其主要的研究重點在於如何進行 下列儀器之校正率定，包含校正方法、量測不確定度及品管方案 建立: (一) 風壓量測設備之整體校正(含壓力掃描器、壓力傳感管 線系統)與數據截取系統建立。 (二) 行人風場地表風速計Irwin Probe 風速量測校正與數據 截取系統建立。

XIII

ABSTRACT

KEYWORDS: Wind Force Data Acquisition, Six Forces Balance, LabVIEW

The available Data Acquisition and Analysis System we used right now are constructed by the Visual Basic (VB) language. It’s good but limited by the upgrade of Window Version. In order to avoid the situation of the computer broken by some reasons, create another backup system for Data Acquisition and Analysis System is becoming necessary. For now, LabVIEW software has been used to build the required system and the research has constructed another View/Control Palette to monitor the wind tunnel testing for base force. The accuracy of wind fore received from the Visual Basic (VB) system and LabVIEW in the wind tunnel testing had been compared and the results were reasonable and acceptable.

In other way, this research runs two different ways to calculate the base force in wind. One of the methods is relatively inexpensive and fast, the building model is rigid and a high frequency six forces balance (SFB) at its base measures shear forces, bending and torsional moments. Another method is to measure the wind pressure distribution derived for the surface of buildings and Finite Element Method (FEM) has been used to analysis the base forces by setting the pressure distribution on the boundary elements with the corresponding time history. The mean and fluctuation wind force of the rectangle building under the 00 wind direction have led to understanding of the different characteristics caused by the two calculation methods.

建築風洞試驗監控系統規劃研究

第一章 緒論

1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

目前本所風雨風洞實驗室用以擷取風速與風力時序列之資料，係以 Visual Basic (VB)所撰寫，配合 Window XP 32 位元所建立之操控視窗來 進行監測，惟隨著作業系統升級至 64 位元，現行監測程式無法配合更新， 故實驗室現階段對於 XP 系統之電腦(三台)採獨立專用，以免作業軟體一 經升級，恐造成無法正確擷取實驗過程中之測試數據，導致風洞試驗停 擺而直接衝擊所內相關研究案與委託檢測案執行。 由於現行安裝XP系統電腦隨使用頻率與操作天數，終有無法修復需加 以汰換之時，為避免屆時因擷取監測系統無法操作而延宕相關研究與檢 測案進行，基於長遠考量，實驗室需配合電腦Window作業系統64位元而 更動現行監測擷取系統，故擬應用本所已購置之LabVIEW程式語言，來 建立另一套風速與風力量測監視系統。

第二節 研究目的與方法

由於現行風速/風力監測視窗係用 VB(Visual Basic)語言所撰寫，採文字 編撰方式，如需更動或升級重編該程式，則需對該 VB 語言有一定程度 的了解及編輯能力，較不易於後續功能新增或擴充，故後續研究方法將 採用圖控介面 LabVIEW 程式來建置基於 64 位元作業系統之監測系統， 研究過程中包含： (一) 參考現行監測系統之資料擷取輸入端與數據分析輸出端，據以建立 新增系統所需呈現之視窗內容。

建築風洞試驗監控系統規劃研究 2 (二) 強化現行監測視窗無法顯示即時風速與風力之數據歷時圖形。 (三) 以風洞試驗進行兩監測系統數據量測結果比對，用以確立新設系統程 式撰寫是否無誤。 (四) 現行風速/風力監測系統與新設系統構架異同探討: (1)資料擷取輸入端與數據分析輸出端。 (2)顯示即時風速/風力平均與擾動圖形。 (3)建立三維移動機構圖控介面 (五) 風洞試驗量測 (1)風速剖面:進行地況 B(大城市市郊、小市鎮)之風速量測。 (2)風力量測:以六力平衡儀量測高寬比 7、深寬比 1:1 之矩形模型基 底受力歷時資料。 (六) 兩監測系統量測資料比對 (1)應用訊號產生器以一穩定正弦波當訊號來源，來確認 rawdata 經擷 取後振幅、相位是否是與輸入源一致。 (2)風速/風力同步量測結果數據之相關性。

第三節 文獻回顧

傳統的套裝儀器測試校無法妥善地因應越來越複雜的量測作業，因為 手動量測的限制會產生人為錯誤的風險。把傳統儀器連接至 PC 的虛擬儀 控方法，可提供自動化的資料儲存及分析，節省重複測試時間，可直接 重複執行軟體程式。從插卡式資料擷取硬體、軟體開發工具結合可程式 化硬體到目前以 USB 連結、價格較被接受的客製化量測儀器方案，虛擬 儀控制度演進似乎已逐步完備。但這種演進仍然在持續著，以便能符合 電腦和通訊技術的進步，同時在可用性和可擴充性方面持續進行創新。 在 1970 年以前，工程師通常要倚賴傳統的盒裝儀器，來進行量測測試

第一章 緒論 3 機器原型或產品硬體設計。每部儀器包含例如數位萬用電表，信號產生 器，還輯分析儀等等，都有自己的顯示幕、功能、旋鈕和按鈕界面。大 部份的傳統儀器沒有儲存或記錄測量結果的機制，因此測試工程師必須 手動記錄資料。雖然這種互動式的測試方法，對於簡單、非重複性而資 料量少的測試而言，可以運作地相當好，但是當測試計劃變得越來越複 雜，包括許多步驟、儀器或多次重複操作之時，這種方式就顯得比較笨 拙。且由於儀器無法自動記錄或分析資料，因此手動記錄過程就會在資 料中產生人為錯誤的風險。 虛擬儀控（Virtual Instrumentation）於 1970 年代推出，一直到 1980 年 代早期，主要提供把傳統儀器連接至 PC 的方法，在那段時間裡 PC 也漸 漸開始變得普及。此階段虛擬儀控是指工程師可使用 PC 的軟體和硬體 （通常以介面卡為主），將其儀器連接在一個共用的匯流排上，那時由 IEEE 488 標準所定義的匯流排，現在被稱為 GPIB（General Purpose Interface Bus）。這個方法為傳統儀器使用者帶來好處，提供了自動化的 資料儲存及分析，因此可消除人為錯誤的變數。它也節省重複測試的時 間，工程師可直接重複執行軟體程式，而不需要每次重複做同樣的手動 步驟。 一開始，工程師仍然必須為了其想要進行的每一項功能，購買獨立的 盒裝儀器，這些儀器價格昂貴，而且佔用大量的空間。很快地，量測儀 器廠商便意識到：這些儀器有許多部份與本身所連接的 PC 是共通的，包 括顯示器、記憶體以及處理器等等。因此，量測儀器廠商開發出一般用 途的可程式 I／O 介面卡，用來直接插入 PC 內使用，這樣的方式現在被 稱為資料擷取或 DAQ 介面卡以及模組化儀器。插卡式資料擷取硬體的出 現，讓工程師可藉由此一般用途的硬體來進行量測，並藉由 PC 來進行自 訂數學分析，節省成本和空間並將系統自動化。軟體開發工具幫助這些

建築風洞試驗監控系統規劃研究 4 工程師建立其虛擬儀器環境，提供一個設定其硬體的程式，執行任何必 要的數學分析，儲存資料，再將測試過程呈現於 PC 螢幕上。利用這種軟 體結合可程式硬體，過去使用眾多儀器和不變測試設定的工程師，現在 可以放下設備的負荷，透過自動化程序簡化複雜的測試。這種方法確實 對於多通道的測試、龐大的資料處理、複雜的數學分析而言很有幫助， 但工程師們對簡單的測試、卻要重新學習如何透過軟體來設定硬體的方 式，產生是否要採用虛擬儀控的遲疑態度 在過去幾年內，虛擬儀控產品立基在彈性和廉價的基礎上，繼續不斷 地發展。量測儀器製造商提出許多改良方案，就連初學者和執行簡單測 試的使用者，都可藉此獲得幫助，得以迅速建立客製化量測儀器方案。 現在的硬體安裝，也可簡化至插上 USB 纜線即可，價格也越來越低。大 眾化價格和簡單的設定模式，讓進行重大投資之前先行試用自動化好處 的客戶，提供極低的試用門檻。 此外，虛擬儀控軟體也改善使用介面，讓常用的作業變得更加容易， 對新使用者或進階使用者均有所幫助。舉例來說，NI LabVIEW 軟體加入 Express VI，也就是透過交談式視窗設定組態，帶領使用者完成各種作 業，例如進行測量、使用快速傅利葉轉換分析頻率資料、或是產生報表 的函數。NI LabVIEW 也包括新式結構，例如共用變數，建立複雜的分散 式量測及控制系統的工程師都可使用，這也增加了在節點之間分享資料 的方便性。因此，虛擬儀控軟體逐漸地演化成為非程式設計師的生產工 具，資料擷取硬體工具組附有立即可用的資料記錄軟體，因此初學者可 以在不需設計程式的情況下，迅速地進行基本測量。此外，諸如 NI Signal Express 之類專門為測試及設計使用者互動為理念的軟體工具，也在最近 出現。 LabVIEW 圖形介面可結合各種資料擷取器(如 NI.DAQ、IEEE-488 等)

第一章 緒論

5

及 PC 本身的資料傳輸介面(如 USB)，對儀器作控制或資料的擷取分析， 其程式之撰寫係以圖形物件(Icon)及連線( Connect Wire)來取代一般程式 文字撰寫方式，藉由物件間的連線操作定義程式之執行邏輯程序及功能。 圖形化程式設計 (graphical system design, GSD) 又稱為「視覺化程式設 計」，現在已成為程式設計的發展趨勢與主流，其特點是讓使用者利用 圖形化元素進行程式設計，有別於以往文字條列式的程式呈現方式，其 利用圖塊、 接線與其他的輔助標誌進行圖形上的排列， 讓整體圖形的 呈現具有邏輯性與功能性，如 Visual Basic、Visual C# 及 Visual J# 等， 相較於傳統文字式程式設計語言，讓設計者更容易瞭解程式所組成的功 能與設計概念。

圖形化程式設計發展的歷史可追溯到約 1986 年左右，約為 Apple Ⅱ 的時代，主要代表的產品為國家儀器 (National Instruments, NI) 所開發以 Macintosh (Mac) 為平台的程式語言 LabVIEW 1.0，主要目的是支援亞德 諾半導體 (Analog Devices) 公司的 5B 系列的感測器訊號量測，以及 NI 公司起家之 GPIB 晶片與儀器控制。經過 4 年後，NI 再度推出了 LabVIEW 2.0，其圖形化設計重新改版後，編輯速度加速，但此版本也是架設在 Mac 系統上，而當期的 IBM PC 還處在 DOS 文字編輯的時代。1993 年 NI 推出 LabVIEW 3.0 並開始支 持 Windwos NT 作業系統，也因為接 下來的 20 年左右是 Windwos 作業系統大放異彩的年代，同時也奠定了 LabVIEW 未來快速發展的主因。LabVIEW 4.0 於 1996 年發布，此版本 加入了執行檔編譯器 (application builder)、 DAQ 精靈 (DAQ channel wizard)，步入了真正圖形化程式設計的概念，其可以透過選擇的 方式去 定義目前所要使用到的輸出入介面。 1988 年 LabVIEW 5.0 加入了執行 並結合其他程式語言，如 MATLAB。LabVIEW 6.0 於 2000 年發表，簡 化了訊號量測流程，加入了動態聯結函式庫(dynamic link library, DLL) 的

建築風洞試驗監控系統規劃研究 6 檔案格式輸出。2003 年所發表的 LabVIEW 7.0 express，新增了創新的互 動式 express VI，讓使用者可以透過簡單的設定即產生繁複的程式碼，並 開始支援 FPGA、Palm OS 及 Pocket PC 等作業平台。 2005 年的 LabVIEW 8.0 使用程式專案的概念 來整合不同程式，讓使用者在龐大的 程式中更容易妥善管理。2009 年 LabVIEW 2009 開始改以西元年做為 其版本號，也開始支援 64 位元 的作業系統與 Windwos 7。直到 2011 年推出的 LabVIEW 2011，整合許多程式的資源與提供更多高效能的函 式，完整地提供使用者各方面的需求。 除了 NI 所推出的 LabVIEW 圖形化設計軟體，另一前身為 HP 惠普 的 儀 器 大 廠 安 捷 倫 科 技 (Agilent Technologies) 也 推 出 VEE (visual engineering environment) 軟體。1991 年 Agilent 推出第一代圖形化設計軟 體 VEE，目的是透過圖形化設計的方式控制其所發展的量測儀器，而到 1993 年推出的 VEE 2.2 版，開始全面支援 Windows 作業系統。2000 年 VEE 6 開始支援 MATLAB 等語法，並從 HP 轉換至 Agilent。2005 年的 VEE 7.5 開始支持 NI 的 PXI 與 PCI 產品，直到 2011 年推出的 VEE 9.3 版已可支持 Windows 7 作業系統、多核程式設計、多執行緒等多項功能， 並逐漸發展成熟。

依文獻[1]所述在虛擬儀控軟體的開發上，工業界所用的工具中以 LABview 占 32%、Microsoft Visual Basic(VB)占 13%、Visual C++占 10%、 Matlab 占 4%及 LabWINDOWS/CVI 占 4%。由此可知 LabVIEW 虛擬軟 體在工業用上的市占率頗高；加上現行風雨風洞實驗室之門窗及帷幕牆 風雨試驗所用以操控之介面(圖 1-1 與圖 1-2)係以 LabVIEW 撰寫而成，為 能兼顧後續整體監測系統之相容性，故本案採用 LabVIEW 來撰寫建築風 力測試之監控界面。

第一章 緒論 7 圖1-1 門窗風雨試驗之操控界面 (資料來源:本研究) 圖1-2 帷幕牆風雨試驗之操控界面 (資料來源:本研究)

建築風洞試驗監控系統規劃研究

第二章監控系統概述 9

第二章 監控系統概述

在監控系統中，計算機作為一個監控環節，是數字元件，其輸入輸 出為數字信號；而被監控對象往往是模擬元件，其輸入輸出是模擬信 號，信號傳遞必須經過信號變換。因此，需要在系統中配備數位/類比 (D/A)轉換器將離散數宇信號變換成連續模擬信號和類比/數位(A/D) 變換器將連續模擬信號變換成離散數字信號。連續和離散是就過程的 時間性而言的。如果離散時間間隔很短，以致它對系統性能影響很小， 這時可按模擬系統來分析和綜合這類監控系統，即按連續處理訊號的 方式對待，這類系統通常又叫連續數字控制系統。如果離散採樣間隔 已成為控制系統的重要參數，這時只能用離散時間系統的方法來分析 和綜合。因這類系統按採樣信號進行控制，並未考慮採樣周期中的條 件變化，這類系統也叫做採樣數據控制系統或脈衝數據控制系統。在 分析和綜合設計一個微電腦監控系統時，關鍵的問題是要找到一個由 計算機實現的控制規律，選擇和獲取控制算法，一般採用的控制策略 有： 1.程序控制 在一些工業生產過程中，要求被控量按預先規定的時間函數變 化。為此，被控量的設定值也必須按此時間函數進行設置，這就是程 序控制。 2.順序控制 在某些工業生產過程中，其操作都按一定順序、有規律地進行。對 這類過程就可採用順序控制。在順序控制中，每一時刻給出的設定值 不僅與時間有關，而且還取決於對此時刻之前的控制結果的邏輯判斷。

建築風洞試驗監控系統規劃研究 10 3.比例-積分-微分控制 比例-積分-微分控制通常簡記為 PID 控制。採用該控制策略時，計算 機要對來自 A/D 轉換器的信號進行比例、積分和微分變換處理，這種 控制既能消除誤差，改善系統的靜態特性，又能加快過渡過程或提高 系統的穩定性，改善系統的動態特性。因此，PID 控制在工業過程控制 中得到了十分廣泛的應用。如果計算機僅對信號進行比例和積分變換 過程，則稱為PI 控制。 4.前饋控制 前饋控制是直接按干擾來實施的一種控制，一旦干擾出現，在此 干擾未影響被控量之前，控制器 (計算機)就根據測得的干擾大小和方 向，按一定規律直接施加一個控制作用，控制作用的大小剛好能夠完 全抵消此干擾對被控量的影響。在化工和熱工的過程控制中，有許多 成功利用前饋控制的例子。 5.最佳控制 所謂最佳控制，是指在給定的約束條件下，尋求一個適當的控制 規律，使表徵過程的某個性能指標達到最大或最小。約束條件可能是 控制作用和工程參數等的極限值，也可能是工程參數之間的某種依從 關係，在數學上表現為一些等式和不等式約束。性能指數也稱為目標 函數，它可能是產量最高，控制質量最好，利潤最大，能耗最小，以 及達到設定值的時間最短等等。 6．自適應控制 在許多實際控制問題中，運轉條件發生變化，以及受控對象特性 未知或發生變化的情況是經常發生的，這就要求控制系統具有適應環 境變化的能力。如果一個控制系統在對象結構參數和初始條件，以及 運轉條件發生變化時，仍能自動地保持最佳或接近最佳的工作狀態，

第二章監控系統概述 11 這就是一個自適應控制系統。自適應控制技術最先用於軍事和宇航領 域，後來也用於工業過程控制。比較成熟和應用最多的自適應控制是 自校正控制、模型參考自適應控制和變結構控制等。

第一節 監控系統結構及其基本原理

最早用於控制系統裡的微型計算機，解決一些數據採集、數據處理、 過程監視，構成一個小的控制系統，所做的數據採集和處理及過程的監 視和控制是有限的，各微處理機之間也沒有直接聯接關係。後來由於微 處理機處理能力和速度的增加，以及各類微處理晶片的發展，出現了用 微處理機構成集中監視和控制的一種系統結構，這樣一個系統結構可以 將多種處理過程進行集中監視和控制，而且各處理之間的訊號轉換和協 調控制可以不用人工干預而從微處理機上進行傳遞，進而整個系統可協 調一致地運轉。 再發展到後來，由於控制規模的擴大，功能的增加，以及各種網路 的引入，微處理機監控系統發展成為一種可完成監視和控制多個裝置， 多個過程處理了而且集中管理功能更強的一種整體結構。微處理機監控 系統主要完成以下功能：  過程監測  數據採集  警報和記錄  數據存檔  數據處理  過程控制 各種功能可分散在各種微處理機上分別處理和管理，這樣將多個微 處理機集中在控制室，可實現集中控制管理。

建築風洞試驗監控系統規劃研究 12 一般在監控站的顯示設備上應該顯示以下幾個方面的內容： ‧模擬流程和總貌顯示 ‧統計結果顯示 ‧過程狀態 ‧歷史數據的顯示 ‧特殊數據記錄 ‧狀態顯示 ‧趨勢顯示 顯示管理功能可分為兩大類，標準顯示和用戶定義顯示。標準顯示 是在系統中設定的顯示功能，通常有記錄詳細顯示，警報訊號的顯示， 控制回路或回路組顯示，趨勢顯示等等。用戶自定義顯示是那些與特定 應用有關的顯示功能。這些顯示通常由用戶自己根據需要生成，系統提 供用戶一個方便的功能庫，用戶可以方便地使用。例如：許多系統提供 了方便的數據庫生成軟體，圖形生成軟體，報表生成軟體及控制回路生 成軟體。 1. 標準顯示功能 (1)系統總體顯示：主要用來顯示系統的主要結構和整個被控對象的 最主要訊號，並且操作員也可以將畫面切換到任意其它畫面。 (2)分組顯示功能：分組顯示畫面中，單個的模擬量，閉環回路，順 序控制器，手動/自動控制等，以組的形式，同時在屏幕上顯示出 來。分組顯示的目的是為操作員提供某個相關部分的詳細訊號， 以便監視和控制調節。 (3)回路顯示：很多監控系統提供單回路顯示功能，該功能可以從分 組顯示中進入畫面中一般顯示，該回路的三個相關值 (給定值，測 量值和控制輸出值)，數值以及跟蹤曲線，還提供該控制回路的控 制參數，操作員在以畫面下可完成下列操作，改變控制給定，改 變控制輸出，改變控制方式，修改回路的參數。 (4)詳細顯示：系統中的每一個點對應一個記錄，例如一個模擬量點包

第二章監控系統概述 13 含很多訊號：點名、單位、顯示上限、顯示下限、警報優先級、報 警上限、警報下限、轉換係數、轉換偏移量等。在點的詳細顯示功 能中可以列出所有內容，並允許操作員修改某一項的內容。該功能 在不同的系統中顯示方式不同，有些系統將所有訊號一起顯示在整 個屏幕上，而另外一些系統是顯示在屏幕的一小部分上，這樣，操 作員可以同時監示另一幅畫面，並修改某點的訊號。 (5)警報顯示功能：工業自動控制系統的最重要的要求之一是在任何情 況下，系統對緊急的警報都應立即作出反應。警報有許多原因，例 如，一個模擬量信號超出正常的操作範圍就會引起警報。我們不但 要求系統對一些重要的警報立即作出反應，並且要對近期的警報作 出記錄，這樣有助於分析警報的原因。 (6)趨勢顯示功能：計算機系統可以存儲歷史數據，並可以以曲線的形 式進行顯示。一般的趨勢顯示有兩種，一種是跟蹤趨勢顯示，即操 作員站上周期性地從數據庫中取出當前的值，並畫出曲線。這種趨 勢顯示又稱為即時趨勢。一般情況下，即時趨勢曲線不太長，曲線 點以一個循環存儲區的形式存在內存中，並周期地更新。刷新周期 也較短，從幾秒鐘到幾分鐘。即時趨勢通常用來觀察某些點的周期 變化情況，特別是在控制調節時更為有用。另一類趨勢顯示為長期 記錄。這種長期記錄通常用來保存幾天或幾個月的數據。因此，即 使存儲間隔比較長(如幾分鐘存一次)，佔用的存儲空間也是很大的。 這些長期歷史數據一方面用於長期趨勢顯示，另一方面可以用來進 行一些管理運算和報表統計。 2. 用戶定義顯示功能 微電腦監控系統通常是面向一類用戶系統而設計的，因此不可能 完成用戶所需要的所有顯示要求，因為每個現場有不同的顯示要求。

建築風洞試驗監控系統規劃研究 14 所以，一般都提供一些設施使用戶可以生成自己特定的與應用有關的 顯示功能。與應用密切相關的有兩種顯示要求： ‧生產流程模擬顯示 ‧批控制流程圖 (1)生產流程顯示：監控應用系統一般都有此要求，而且也是主要的顯 示功能。大多數的應用對象流程不可能在一幅畫面上完全顯示出 來，因此在顯示過程中有幾種常用技術。 I.分級分層顯示：將一個大的流程圖由粗到細形成有層次的畫面結 構，這樣，操作員可以調出整個流程的粗框畫面，然後，配合提示菜 單應用鍵盤上的相應控制鍵或光筆，觸點(對觸摸屏等)選擇下一層的 畫面。 Ⅱ.分塊顯示：將一幅大的畫面分成若乾幅相連的畫頁，然後部分地 進行顯示。這時有兩種顯示控制方式：一種是用軌跡球或鼠標等進 行屏幕連續滾動，另一種是用翻頁顯示。 (2) 批處理控制畫面：此類畫面應用於設計、監視或執行時間、事件驅 動的順序控制過程。

第二節 信號採樣與誤差分析

一、抽樣定理 一般來說，遙測所傳輸的原始信號都是連續信號。為了時分復用， 特別是為適應數字化傳輸，常常需要將連續信號離散化，即抽樣為離散 信號。由連續信號抽樣為離散信號而引起的抽樣問題由著名的抽樣定理 來描述。抽樣定理可說明抽樣頻率和被抽樣信號頻譜之間的關係。 1. 連續信號的離散化 連續信號又稱連續時間函數，記為S(t)。t 的取值是從-∞連續變化到+∞。

第二章監控系統概述 15 所謂離散化就是用一些理想的、無限窄的脈衝在相等的時間間隔如上對 連續信號進行抽樣(即按一定的時間間隔進行取值)，得到離散信號 S(n△t)(n=…，-1，0，1，2，.)。離散之後，我們不必去傳送 S(t)的全部， 只傳送△t,2△t，‧‥n△t 時刻的函數值。 S(△t),S(2△t)，…，S(n△t)，在接收端就能還原出 S(t)來。我們稱△t 為 抽樣間隔 (採樣間隔)，F_ t為抽樣周期，S(n△t)為離散信號或時間序列。 離散信號 S(n△t)是從連續信號 S(t)上取出的一部分值，因此離散信號 S(n△t)與連續信號 S(t)的關係，是局部與整體的關係。局部有時能反應整 體，有時則不能。當取樣間隔△t 小到一定程度時，離散信號的包絡與連 續信號S(t)非常接近，顯然用 S(n△t)恢復 S(t)是不會發生困難的。但當取 樣間隔△t 大到一定程度時則不可能由 S(n△t)恢復出 S(t)信號。那麼△t 取什麼樣的值合適呢？△t 與被抽樣的信號頻譜有什麼關係呢？先以正 弦波的抽樣問題來進行了解。 2. 正弦波抽樣 設正弦波為 S

 

t Asin



2ft



式中 A-正弦波的振幅 f-正弦波的頻率； φ-正弦波的初相位。 要使弦波離散化，就要用△t 的間隔去抽樣，離散化以後的正弦波可 以寫成：

 

nt A



fnt



S sin 2 (2-1) 要想用式(2-1)恢復 S(t)，就要用一定數量的離散值唯一地確定正弦波的 三要素A、f、ψ 我們感興趣的是在正弦波的一個周期 f T  1 裡，應取多少 信離散值才能恢復出來S(t)來。問題的回答是明確的，因為要確定三個參

建築風洞試驗監控系統規劃研究 16 數(A、f、ψ)。就需要三個方程式。這就是說在一個正弦波的周期裡，只 要取三個離散值就可以完全確定 A、f、ψ 也即能恢復出 S(t)來。我們取 n=-1，0，1，則相應的三個離散值為：

 

 

















_                    t f A t S t f A t S A S 2 sin 2 sin sin 0 (2-2) 當 S(t)給定，那麼 S(0)、S(△t)、S(-△t)也是確定的。這樣，用它們可以 方便地確定A、f、ψ，也即唯一確定了正弦波 S(t)。事實上：

 

 

 





 

                  t f S t f A t S t f S t f A t S A S        2 cos 0 cos 2 sin 2 cos 0 cos 2 sin sin 0 (2-3)

  

   

及



則有： 取S t S t S t S t

  

_{  }



_

 

_{ }

                     sin 0 cos 2 sin 2 2 cos 0 2 A S t f A t S t S t f S t S t S _(2-4) 解方程式(2-4)得：

  

_{ }



t S t S t S f      /2 0 2 cos 1

_{  }

 

_

t S t S t f S tg          1 2 0 sin2

 

 sin 0 S A 這說明只要在正弦波的一個周期裡取三個以上抽樣值便可唯一地確定正 弦波的A、f、ψ，即可唯一地確定正弦波 S(t)。既然在一周期裡至少要取 三個抽樣值，那麼一定會有：     F t f 1 2 (2-5) 式中F--抽樣頻率。 於是可得出結論：對正弦波S

 

t Asin



2ft



，按抽樣間隔△t 抽樣得離散

第二章監控系統概述 17 信號 S(n△t)，則當2f  F時，由離散信號 S(n△t)可以唯一地確定正弦波 S(t)；當2f  F時，由離散信號 S(n△t)不能唯一地確定正弦波 S(t)。這個 結論雖然是由正弦波的抽樣得來，但對進一步論述抽樣定理會有很大幫 助。 3. 任意連續信號 S(t)的抽樣 給定一個任意的連續信號 S(t)，總可以通過傅裡葉變換，將其表示為 無限為多個或有限個諧波的疊加。只要給定S(t)，則可用其頻譜 S(f)表示 之，反之當給定S(f)，也可以求其 S(t)，具體關係為：

 

t S

 

f e df S



j2ft      (2-6) S f



S tej2ftdt      (2-7) 當此任意連續函數 S(t)被離散化以後，產生的離散信號為 S(n△t)。 最後要使S(n△t)恢復出 S(t)，意味著 S(t)包含的所有諧波都能由間隔為△t 的各離散諧波唯一地恢復出來，也就是說 S(t)中的最高諧波與△t 的關係 都必須滿足式(2-5)。如果 fmax_，那麼要求t0，這表示連續信號S(t) 不可能由離散信號恢復出來。 假設連續信號 S(t)的頻譜寬度被限制在fa以下(大多數遙測信號都滿 足此條件)，根據上述討論，則抽樣間隔應滿足         _ a a f t F f 1 2 2 / (2-8) 式 (2-8)說明抽樣間隔△t 不能超過極小周期 a f 1 的一半，或者說抽樣頻率  F 要大於最高諧波頻率 [信號 S(t)的截止頻率 fa的兩倍]，才能使離散信 號唯一地恢復出連續信號。 根據我們的假定，當 f  fa時，則有S(t)=0，這時式 (2-6)可以寫為

建築風洞試驗監控系統規劃研究 18

 

S

 

f e df F F t S j2ftt 2 2



_    (2-9) 相應的離散信號S(n△t)可以寫為

 

S

 

f e df F F t n S j2ft 2 2



_     (2-10) 由於S(f)完全限制在         2 , 2 F F 區間上，我們將S(f)展成傅立葉級數，為方 便起見，我們將n 寫成-n

 

_

       n t fn j ne c f S 2

 

 

         



F t n S df e f S F F F c n j fn t  2 2 2 1 所以

 





 

       n t fn j e t n S F f S 1 2 2 2   _{ }  F f F (2-11) 這說明，由 S(nt)完全可以確定 S(f)，進而可確定 S(t)。將式 (2-11) 代入式 (2-9)則有：           _ _   













                                                              n n n t n t f j ft j n t fn j F n t F F n t F t n S t n t F t n t F t n S df e F F t n S F df e e t n S F t F t F t S        sin sin 2 2 1 1 2 2 2 2 2 (2-12)

第二章監控系統概述 19 式 (2-11)和式 (2-12)就是抽樣定理的數學表達式，現敘述如下若一個連 續函 S(t)的頻譜寬度被限制在 fa以下，在 t 域內每隔 a f t 2 1   取其函數值

 

n t S  ，則該離散信號S

 

nt 完全確定其頻譜S(f)，並且右完全確定連續信 號S(t)。 現在我們對抽樣定理進一步做此解釋。先來看式 (2-12)最後一項， 它有如下性質：                               n i F i t F n t F n t F F n t F , 0 1 sin   (2-13) 當n=0 時，此時式 (2-12)可以寫成

   

t F t F S t S      sin 0 0 (2-14) 我們稱式(2-14)為抽樣函數。當 n≠0 時，如果為正，需將曲線向右移動 n/F△; 如果為負需向左移動n/F△。 每間隔△t 所給定的函數值 S(n△t)就是取樣的樣點值，這個數值對應著 函數S(t)的數值，即在取樣點上函數 S(t)被一個無限窄的脈衝所代替。這 些取樣脈衝的間隔恰好就是 a f 2 1 _{再小的間隔是多餘的，再大的間隔就不能} 無失真地恢復原函數S(t)。 當N=1,2.3，……，n 時，各取樣點的函數為：

   

 

 

_



_



   

_



_



t t F t t F t S t S t t F t t F S t S F t F S t S                     2 2 sin 2 sin sin 0 2 1 0       ．

建築風洞試驗監控系統規劃研究 20 ．

   

_



_



t n t F t n t F t n S t S_n           sin 抽樣定理告訴我們，函數 S(t)的幾何圖形即為不同時刻的 的幾何 圖形的疊加。當n=1，2，3，‧‥，n 時，在tntn/F時刻，Sn

 

t 有最 大值，且為S(t) 時刻的瞬時值，而其餘分量各項的數值均為零。 這樣，原來連續的信號。現在就以離散信號來代替它。要想從離散 信號恢復連續信號。只要將離散信號通過一個截止頻率為 fa的低通濾波 器就能恢復出原信號。 對於時間受限的信號，例如信號存在時間為 T，那麼接上述原則抽樣 點數為 mT/t2faT (2-15) 由於引入時間受限和頻率受限這樣兩個互相矛盾的假設以及低通濾波器 不理想，再加上抽樣脈衝不能為無限窄，故為了更精確地恢復連續信號， 最大抽樣點數不能按式(2-15)選擇，而應考慮留有餘地，即 mfaT



35



faT (2-16) 這種情況下的抽樣周期和抽樣率分別為：         i a i a F f t f   1 (2-17) 抽樣定理對遙測數據傳輸有重大意義，一個時間和頻譜都受限的連 續函數，只需要每隔ti傳迭一個瞬時值就夠了，在空隙時間可以用來傳 送其他信號的抽樣，這就是時分多路傳輸的依據。

第三節 LABVIEW 監控系統軟體技術

LabVIEW 是由美國國家儀器公司所開發的圖形化程式編譯平台，程式

第二章監控系統概述 21 最初於 1986 年在蘋果電腦上發表。LabVIEW 早期是為了儀器自動控制所 設計，至今轉變成為一種逐漸成熟的高階程式語言。圖形化程式與傳統程 式語言之不同點在於程式流程採用"資料流"之概念打破傳統之思維模 式，使得程式設計者在流程圖構思完畢的同時也完成了程式的撰寫。 LabVIEW率先引入了特別的虛擬儀表的概念，使用者可透過人機介面直 接控制自行開發之儀器。此外LabVIEW提供的函式庫包含：訊號擷取、 訊號分析、機器視覺、數值運算、邏輯運算、聲音震動分析、資料儲存... 等。目前可支援Windows，UNIX，Linux，Mac OS等作業系統。由於 LabVIEW特殊的圖形程式簡單易懂的開發介面，縮短了開發原型的速度 以及方便日後的軟體維護，因此逐漸受到系統開發及研究人員的喜愛。 目前廣泛的被應用於工業自動化之領域上。LabVIEW預設以 多執行緒執 行程式，對於程式設計者更是一大利器。此外LabVIEW通訊介面方面支 援：GPIB，USB，IEEE1394，MODBUS，串列埠，並行埠，IrDA，TCP， UDP，Bluetooth，.NET，ActiveX，SMTP...等介面。LabVIEW程式語言， 也被稱為G語言，是一種資料流程式語言。程式設計師通過繪製導線連線 不同功能的節點，圖形化的程式框圖（LV原始碼）結構決定程式如何執 行。這些線傳遞變量，所有的輸入資料都準備好之後，節點便馬上執行。 這可能出現同時使用多個節點的情況，G語言天生地具有並列執行能力。 內建的排程演算法自動使用多處理器和多執行緒硬體，可以跨平台地在 可執行的節點上復用執行緒。LabVIEW將建立人機介面的工作自然地融 合到開發周期當中。 LabVIEW的程式/子程式被稱為虛擬儀器（VI）。每個VI都有三個組成 部分：程式區（Block Diagram 圖2-1）、人機介面（Front Panel 圖2-2） 和圖示/連結器（Icon/Connector 圖2-3）。連結器是用來供其他的程式框 圖呼叫本VI之用。程式設計師可以利用人機介面上的控制控制項將資料

建築風洞試驗監控系統規劃研究 22 輸入正在執行的VI，或者用顯示控制項將運算結果輸出。人機介面還可 以作為程式的介面：每個虛擬儀器（VI）既可以把人機介面當作使用者 介面，作為一個程式來執行；也可以作為一個節點放到另一個VI程式框 圖中，通過連結器面板連線起來，而人機介面則定義VI的輸入和輸出。 這意味著每個VI，在作為子程式嵌入到一個大型的專案之前，都可以很 方便地進行測試。圖形化的方法還允許非程式設計師通過拖放虛擬化形 式的VI的方法來生成程式，控制他們已經熟悉的實驗室裝置。在LabVIEW 編程環境下，藉助已經提供的大量常式和文件，可以很容易地建立小型 應用程式。 圖2-1 LabVIEW程式區 資料來源: http://www.ni.com/pdf/labview101/us/environment_explanation. df

第二章監控系統概述 23 圖2-2 LabVIEW人機介面 資料來源: http://www.ni.com/pdf/labview101/us/environment_explanation. df 圖2-3 控制面板 資料來源: http://www.ni.com/pdf/labview101/us/environment_explanation. df

建築風洞試驗監控系統規劃研究

第三章 風力監測系統建置

25

第三章 風力監測系統建置

應用建築風載重試驗來建立基底受力情形可分別由二種方法來建立， 其一為將六力平衡儀 SFB (SIX FORCES BALANCE)置於模型下，直接量 測受力歷時資料。方法二為在模型上設置壓力孔位，經由量測所得各點 位風壓歷時資料，將各點位風壓值視為均勻分布在鄰近面積上後，積分 可得各點位周遭受力數據，再依所處位置坐標轉換成基底受力歷時。目 前本研究所建立之監測系統係以方法一為主，將六力平衡儀之歷時資料 擷取出來並加以分析，所完成的項目包含 1.試驗基本資料輸入 2.試驗前 風力基準量測 3.風力歷時數據量測 4.平均風力計算 5.局部座標風力值 轉換至全域座標 6.數據資料檔建立 7.頻譜分析 8.風速量測等八大項。 另量測建物表面風壓，以面積積分方式來計算基底風力，尤其當建物 縮尺後之尺寸仍遠大於 SFB 可安裝範圍時，可應用該方法，惟另需以程 式加以切割建物面積積分計算，本研究採用有限元素分析方法(FEM)來進 行後端基底風力計算。

第一節 既有風力監測系統

整體建築風力量測設備安裝如圖(3-1 至 3-9)所示，而目前之監測系統係 以 VB 程式撰寫而成(圖 3-10)，其主要內容包含: 1. 試驗基本資料輸入(取樣頻率、採樣數、風向角等) 2. 基底平均風力輸出 3. 六力平衡儀之歷時電壓顯示 4. 參考風速

建築風洞試驗監控系統規劃研究 26 藉由歷年來風力實驗進行之成果，發現該系統尚可加強改善之處如 下，以能讓現場監測數據更加完備，對於實驗中結果正確與否，能即時 被發現並修正。 1. 模型安裝需於風力實驗前先行量測 1 次六力平衡儀所得基本受力大 小，視為試驗基準值，並於實驗後二次手動修正將各風向所得風力數 據扣除該基準值，方為實際受風力大小。該流程可加以簡化，於第一 次風向角 0 度時(無風下)量測建立，將該基準數據定為局部常數，而 後續不同風向角風力實驗，可讀取該常數(基準值)並扣除，於實驗中 即可得知實際風力數據，無需再後製作業，同時可縮短報告彙整時間。 2. 六力平衡儀經由校正後，校正報告中會呈現電壓與受力關係以之 6×6 矩陣來加以轉換為實際基底受力，目前 VB 系統僅能顯示電壓歷時而 非風力歷時，該部份仍待補強或更新。 3. 由於風洞實驗中來流風向係固定，故全域座標系統以順風向為 X 向， 橫風向為 Y 向。但就建築結構而言，其 X、Y 向通常以勁度強/弱軸來 區別與風向無關，實驗時因需考慮不同風向之風力歷時，故將其安裝 於旋轉盤上，此時將與來流方向產生一夾角；亦即六力平衡儀所量得 之風力歷時與結構強/弱軸方向一致(設定為局部座標)，如需討論不同 來流風向角下之風力影響，則六力平衡儀所量得數據需加以轉換至全 域座標，該座標轉換過程可再加以納入新建系統中。 4. 將風力歷時資料加以傅立葉轉換(FFT)至頻率域上並正規化後之風力 頻譜分析，可得知該建物模型因渦散作用所產生之特徵頻率(渦散頻 率)，它與風速及結構物幾何形狀、大小有關，常以無因次化常數 ( Strouhal No.)來比較。此部分分析通常需經後置處理運算方可顯示， 於既有 VB 系統中尚未呈現。

第三章 風力監測系統建置 27 圖 3-1 建築風力量測配置 （資料來源：本研究） 圖 3-2 建築基底安裝接合 （資料來源：本研究） 圖 3-3 建築模型與六力平衡儀連結 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 28 圖 3-4 六力平衡儀安裝於旋轉台上 （資料來源：本研究） 圖 3-5 訊號接收與放大器 （資料來源：本研究） 圖 3-6 訊號自 RS232 接頭轉換至 BNC 接頭 （資料來源：本研究） 電源線

第三章 風力監測系統建置 29 圖 3-7 輸出六個力量訊號 （資料來源：本研究） 圖 3-8 六個力量訊號接至 NI 模組 （資料來源：本研究） 圖 3-9 監測系統接收訊號並記錄受力歷時資料 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 30 圖 3-10 既有之風力監測系統(VB) （資料來源：本研究）

第二節 建置 LabVIEW 監測系統

本次建立之監測系統程式區中共分為四大區塊(圖 3-11)，依序分別為 1. 基本資料輸入 2.風力基準值建立 3.歷時與平均風力計算及數據檔輸出 4. 風力頻譜分析；人機介面之顯示則如圖 3-12 所示，各區內容細節詳述 如下: 一、基本資料輸入 程式區塊(Block Diagram) :輸入參數包含 1. 六力平衡儀校正後之輸出電壓與風力之轉換矩陣檔案名稱(圖

第三章 風力監測系統建置 31 3-13)。 2. 連續取樣之採樣數與取樣頻率(圖 3-14) 3. 風力數據資料輸出檔名與風向角(圖 3-15) 人機介面顯示如圖 3-16。 二、風力基準值建立 此區塊程式執行分成風向角為 0 度與其他角度，當風向角為 0 度時 (Truth)，程式會執行在無風力情況下之受力基準量測(圖 3-17)，並設為局 部參數；如為非 0 度角之風力量測(False)，則直接以上開局部變數為基準 (圖 3-18)。 基準風力程式一開始由 Icon[DAQ Assistant](圖 3-19)擷取固定取樣時間 間格(採樣數/取樣頻率)與總取樣數 32,680 筆之六力平衡儀所量得電壓歷 時資料，經矩陣運算(圖 3-20)求得歷時受力大小，並經平均後(圖 3-21)作 為實驗前之基準值。在人機介面上則顯示如圖 3-22 風力試驗前基準值。 三、歷時與平均風力計算及數據檔輸出 此區塊為風力計算核心(圖 3-23)，內容包含了: 1. 六力平衡儀輸出電壓擷取(圖 3-24)。 2. 電壓歷時資料，經矩陣運算(圖 3-25)求得歷時受力大小。 3. 上開風力歷時數據減去風力基準值，即為實際受力大小。 4. 於人機介面顯示歷時風力與平均風力大小(圖 3-26)。 5. 將局部座標風力值轉換為全域座標，即以來流方向為 X 向(圖 3-27)。 6. 建立局部座標與全域座標之風力歷時數據輸出檔(圖 3-28)。 局部風力轉換至全域座標之計算詳附錄二。 四、風力頻譜分析

於程式區內利用 LabVIEW 之數值分析 Icon[ Hanning Window]及[FFT] 取實數部，將順風向、橫風向及扭轉向風力歷時數據轉換至頻率(圖

建築風洞試驗監控系統規劃研究 32 3-29)，並於人機介面顯示轉換結果(圖 3-30)。 圖 3-11 LabVIEW 風力監測系統-程式區 （資料來源：本研究） 圖 3-12 LabVIEW 風力監測系統-人機介面 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 33 圖 3-13 電壓與風力之轉換矩陣檔案名稱輸入 （資料來源：本研究） 圖 3-14 取樣頻率與採樣數輸入 （資料來源：本研究） 圖 3-15 風向角與風力數據資料輸出檔名輸入 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 34 圖 3-16 人機介面之顯示資料 （資料來源：本研究） 圖 3-17 無風力下之受力基準量測 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 35 圖 3-18 非 0 度風向角之受力基準局部變數 （資料來源：本研究） 圖 3-19 六力平衡儀電壓歷時資料擷取 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 36 圖 3-20 六力平衡儀電壓歷時數據轉換為受力大小 （資料來源：本研究） 圖 3-21 求取平均受力大小 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 37 圖 3-22 人機介面顯示基準值 （資料來源：本研究） 圖 3-23 歷時與平均風力計算 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 38 圖 3-24 六力平衡儀電壓歷時資料擷取 （資料來源：本研究） 圖 3-25 六力平衡儀電壓歷時數據轉換為受力大小 （資料來源：本研究） 圖 3-26 人機介面顯示歷時風力與平均風力大小 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 39 圖 3-27 局部座標風力值轉換為全域座標 （資料來源：本研究） 圖 3-28 風力歷時數據輸出 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 40 圖 3-29 程式區風力 FFT 轉換 （資料來源：本研究） 圖 3-30 FFT 轉換結果輸出 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 41

第三節 監測系統量測資料比對

(一) 隨機信號 今將二監測系統同步進行風力歷時資料擷取與比對(如圖 3-31~3-36)， 可知二監測系統就 6 個基底受力反應間並無明顯差異，亦即說明新建 LabVIEW 監測系統於風力量測部分之準確性與既有 VB 系統相當可供運用。 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Forc e (N) VB-FX LABVIEW-FX 圖 3-31 Fx 歷時資料比對 （資料來源：本研究） -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Forc e (N) VB-FY LABVIEW-FY 圖 3-32 Fy 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 42 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Forc e (N) VB-FZ LABVIEW-FZ 圖 3-33 Fz 歷時資料比對 （資料來源：本研究） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Mome nt (N-m ) VB-MX LABVIEW-MX 圖 3-34 Mx 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 43 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Mome nt (N-m ) VB-MY LABVIEW-MY 圖 3-35 My 歷時資料比對 （資料來源：本研究） -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Mome nt (N-m ) VB-MZ LABVIEW-MZ 圖 3-36 Mz 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 44 (二) TAF 現場評鑑 本所風雨風洞實驗室於 104 年 9 月 11、12 日辦理 TAF 認證項目延 展與增項(建築結構風載重試驗)過程中，評鑑委員提出「電腦操作軟 體是否有定期查核其準確性？請提供相關紀錄證明」。經由本研究建 構之 LabVIEW 量測系統，適時納入試驗品保方案中，載明現行電腦操 作軟體(VB 量測系統)查核，係依保方案之品質試驗中，藉由 LabVIEW 量測系統於同一實驗背景下進行交互查核比對來確認其準確性，評鑑 委員亦接受所提品保分析成果。 本案試驗所採用之取樣頻率 500Hz，有效頻率為 250Hz。模型之深 寬比(D/B)為 1，高寬比(H/B)為 7。其試驗規劃與比對結果如下: 圖3-8 B地況配置 （資料來源：本研究） 圖 3- 紊流產生器

第三章 風力監測系統建置 45 （資料來源：本研究） 圖 3-11 粗糙元排列 （資料來源：本研究） 圖 3-12 建築模型 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 46 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) F O RCE(N) VB-Fx LABVIEW-Fx 圖 3- FX 歷時資料比對 （資料來源：本研究） -1 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) F O RCE(N) VB-FY LABVIEW-FY 圖 3- FY 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 47 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) FORCE(N) VB-FZ LABVIEW-FZ 圖 3- FZ 歷時資料比對 （資料來源：本研究） -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) FO RCE(N-M) VB-MX LABVIEW-MX 圖 3- MX 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 48 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) FO RCE(N -M) VB-MY LABVIEW-MY 圖 3- MY 歷時資料比對 （資料來源：本研究） -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0 20 40 60 80 100 120 Time(sec) FO RCE(N-M) VB-MZ LABVIEW-MZ 圖 3- MZ 歷時資料比對 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 49

第四節 風力歷時比對

本研究為比較二種風力測試結果，以一寬度80mm、長度80mm、高度480mm 高寬比6，深寬比1之矩形模型，流場設計採C地況，平均風速U=10.1m/s(模 型高度480mm處)下進行風壓與風力同步量測(圖3-37)，壓力點共計204點 (每一面立面48點、屋頂12點)，擷取頻率250Hz，取樣數32,768筆，歷時 約131分。建築物氣動力模型利用壓克力板製作，風壓孔以細管線製作之 壓力傳感管線系統(tubing system)與量測儀器相接，管線材質為PVC 因此 具備良好的可撓性，不致影響風壓信號傳送，利用本所實驗室現有的電 子式壓力掃描器量測模型各面同步的風壓資料。氣動力模型實驗量測 時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角對模型風壓變化之效果。 壓力量測管線系統為內徑1mm、長度25cm 的管線，管線系統連接至電 子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以64 個量測孔為 一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近64 個孔位規劃 為同一壓力模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用之壓 力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖3-38)，該系統每個單一模組有64 個壓力輸 入管( pneumatic inputs )，對應64 個壓電式壓力感應器，每一壓力感應器 皆可單獨校正。藉由管線連接至模型量測點以量測壓力。各模組接連接 至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖3-5)，此系統可支援類比數位 之轉換，最高可支援8 個模組，其解析度達16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為USB，具備網路控制及傳輸功能，整體風壓量測接線 方式如圖(3-39、3-45)所示。 在以風壓積分進行基底風力數據計算時，係以上述設備所量得各孔位 壓力值歷時做為邊界條件，輸入有限元素分析(FEM)，而得基底風力歷 時，其分析流程如下:

建築風洞試驗監控系統規劃研究 50 1. 建立建築模型之分析元件網格 本步驟需配合實際量測壓力點位來切割模型，其網格大小至少需 能將量測點位置於網格中心為原則。(圖3-46) 2. 基底邊界束制與反力點設置(圖3-47) 3. 表面風壓邊界給定 配合實驗過程之擷取頻率(250Hz)與樣本數，204點壓力孔位，每 孔位32,768筆數據，將該資料以振幅(Amplitude)方式，輸入於對 應之元素面積上。(圖3-48) 4. 建物模型表面風壓分析結果(圖3-49) 經相互比較SFB與FEM之數據，初步結果如下表: 風向角 0 度 順風向風力 (N) 橫風向風力 (N) 扭轉向風力 (N-M) 風力量測(以 SFB) -1.95 0.05 0.00 平均值 風壓積分(以 FEM) -2.17 0.03 0.00 風力量測(以 SFB) 0.57 0.68 0.03 擾動值 風壓積分(以 FEM) 0.48 0.66 0.01 表3-1 平均與擾動風力比對(風向角0度) （資料來源：本研究） 風向角 10 度 順風向風力 (N) 橫風向風力 (N) 扭轉向風力 (N-M) 風力量測(以 SFB) -1.76 -0.28 -0.01 平均值 風壓積分(以 FEM) -2.11 -0.30 -0.01 風力量測(以 SFB) 0.42 0.53 0.03 擾動值 風壓積分(以 FEM) 0.42 0.48 0.01 表3-1 平均與擾動風力比對(風向角10度) （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 51 可知以風壓積分來求取基底風力與所規劃量測風壓點數有密切關係， 點數越多，FEM單元面積越小，則風壓積分計算之風力將越接近實際SFB 風力量測值，惟壓力管線配置總數受限於通過SFB儀器之既有孔洞(直徑 30mm圖3-44)，能容許之管數已接近極限(204條)，過多恐因管線擠壓而 造成數據擷取有誤，是造成兩者數距間有差異的主因。由圖3-41、42與 43之分析圖來看，在0度風向角時，風壓積分與風力量測兩者間風力平均 值大小差異不大，惟擾動值大小有所不同，扭轉向扭力因結構及風場對 稱性，其平均值皆趨近於0，而擾動值以SFB所量得較大。整體而言，風 力擾動值以應用SFB所量得的數據較大。 圖3-37 風壓風力模型與地況配置 （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 52 圖 3-38 電子式壓力掃描模組 （資料來源：本研究） 圖 3-39 壓力訊號處理系統 （資料來源：本研究） 圖3-40 壓力管線與SFB同時安裝 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 53 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) WIND FORCE(N) SFB FEM 圖3-41 順風向風力比對(風向角0度) （資料來源：本研究） -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) WIND FORCE (N) SFB FEM 圖3-42 橫風向風力比對(風向角0度) （資料來源：本研究）

建築風洞試驗監控系統規劃研究 54 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) T O RSIO N (N -M ) SFB FEM 圖3-43 扭轉向風力比對(風向角0度) （資料來源：本研究） -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) WIND F ORC E (N) SFB FEM

第三章 風力監測系統建置 55 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) W IND F ORCE (N) SFB FEM -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 20 40 60 80 100 120 TIME(SEC) T O RS ION (N-M ) SFB FEM

建築風洞試驗監控系統規劃研究

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圖3-44 六力平衡儀(SFB)

第三章 風力監測系統建置

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圖 3-45 壓力量測系統構架

建築風洞試驗監控系統規劃研究 58 圖 3-46 風壓積分 FEM 模式 （資料來源：本研究） 圖 3-47 基底束制與反力設置 （資料來源：本研究）

第三章 風力監測系統建置 59 圖 3-48 表面風壓歷時給定 （資料來源：本研究） 圖 3-49 表面風壓分析 （資料來源：本研究）

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