風力機葉片氣彈實驗教學虛擬仿真平臺設計

李迺璐 江文宇 曹智廣 楊華

虛擬仿真實驗平臺的程序設計? 為了實現仿真實驗平臺，相應的LabVIEW程序設計如下。

1）登錄與密碼程序設計：程序判斷輸入密碼正確時進入主界面，否則報錯;利用菜單欄設計登錄密碼修改功能，滿足用戶需求。

2）風力機葉片氣彈系統程序設計：利用CDS模塊建立動力學模型，利用MathScript構建系統參數，設計實驗子界面進入程序。

3）實驗數據存儲和讀取：利用LabVIEW的共享變量技術對實驗界面產生的數據進行實時存儲，在數據分析界面讀取歷史實驗數據進行分析。

4）實驗數據分析設計：利用多種性能指標對系統參數影響進行綜合分析。

具體仿真實驗程序如圖2所示。

仿真實驗結果

1）系統登錄。登錄界面如圖3所示，正確輸入用戶名和密碼，可直接進入實驗系統主界面，開始實驗操作;當用戶名或密碼不正確時，無法登錄實驗系統。通過菜單欄的“修改密碼”可打開功能框，進行用戶名和密碼的修改。登錄和密碼修改界面保證了教師和學生的用戶管理以及實驗系統的安全性。

2）實驗主界面。風力機葉片氣彈實驗系統主界面如圖4所示：從三維風力機到二元葉片，直觀展示了葉片氣彈系統的動力學原理和結構圖，有助于學生加深理解和認識;可調節系統重要參數（阻尼系數、結構剛度和風速），實時顯示系統響應的變化量;通過三個按鈕可分別進入相應的子界面，進行實驗操作和實驗分析。

3）阻尼實驗和顫振風速實驗。阻尼實驗界面如圖5所示，實驗分為兩個方面：一方面進行阻尼系數變化實驗，通過調節兩個重要阻尼系數，觀察研究阻尼參數對系統振動曲線的影響;另一方面設置不同阻尼系數，在給定阻尼參數下整定使系統達到臨界穩定的顫振風速值，實驗研究系統的氣彈穩定性，以及不同阻尼參數對氣彈穩定性的影響。

4）結構剛度實驗。圖6顯示了結構剛度實驗界面：在界面左半部分進行收斂振蕩實驗，分別研究揮舞剛度參數、扭轉剛度參數對葉片氣彈系統的衰減振蕩特性影響;在界面右半部分可調節結構剛度參數，研究其對葉片非穩定振蕩特性的影響。在界面中可清晰、直觀地顯示結構剛度參數變化對葉片振蕩曲線特性的實時影響。

5）實驗數據分析。針對實驗界面獲取的各種實驗數據，需要進行最終的分析整理，從而得到規律性的實驗結論。歷史實驗數據分析界面如圖7所示。圖7界面成功讀取了主界面的歷史實驗數據，顯示系統響應曲線，同時利用歷史實驗數據計算了揮舞位移響應和牛扭轉角響應的ISE、IAE、ITSE和ITAE指標，對系統氣彈響應進行了全面的數據分析。

進一步，點擊按鈕進入不同參數影響分析的子界面，如圖8所示。根據圖5、圖6中的實驗數據，圖8先后展示了多組風速、五種結構剛度案例和五種阻尼系統案例對應的系統響應指標變化曲線，從而直觀地呈現出不同參數對葉片氣彈特性的影響規律，讓學生最終完成實驗內容的數據分析并得出實驗總結。

3 結語

基于LabVIEW共享變量技術、風力機葉片氣動彈性理論知識，搭建風力機葉片氣彈實驗的虛擬仿真教學平臺，可以研究實現風速、阻尼系數和結構剛度等重要參數變化下，葉片氣彈特性的變化過程;對實驗數據進行存儲和計算分析，總結不同參數變化對系統響應特性的影響規律，并給出相應的曲線，完成風力機葉片氣彈實驗教學的相關內容。該仿真實驗平臺可作為新能源專業、電氣專業的風電實驗共享平臺，推廣至開設風電技術課程的其他理工科專業，豐富風電技術實驗教學的模式，有助于學生對專業知識的理解和掌握，提高學生分析問題和解決問題的實踐能力，為風電虛擬仿真實驗教學改革奠定基礎。

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