風(fēng)力機(jī)葉片氣彈實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真平臺設(shè)計

李迺璐 江文宇 曹智廣 楊華

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的程序設(shè)計? 為了實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，相應(yīng)的LabVIEW程序設(shè)計如下。

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

2）風(fēng)力機(jī)葉片氣彈系統(tǒng)程序設(shè)計：利用CDS模塊建立動力學(xué)模型，利用MathScript構(gòu)建系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計實(shí)驗(yàn)子界面進(jìn)入程序。

3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲和讀?。豪肔abVIEW的共享變量技術(shù)對實(shí)驗(yàn)界面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，在數(shù)據(jù)分析界面讀取歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)計：利用多種性能指標(biāo)對系統(tǒng)參數(shù)影響進(jìn)行綜合分析。

具體仿真實(shí)驗(yàn)程序如圖2所示。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）系統(tǒng)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面，開始實(shí)驗(yàn)操作;當(dāng)用戶名或密碼不正確時，無法登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過菜單欄的“修改密碼”可打開功能框，進(jìn)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(xué)生的用戶管理以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全性。

2）實(shí)驗(yàn)主界面。風(fēng)力機(jī)葉片氣彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面如圖4所示：從三維風(fēng)力機(jī)到二元葉片，直觀展示了葉片氣彈系統(tǒng)的動力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)圖，有助于學(xué)生加深理解和認(rèn)識;可調(diào)節(jié)系統(tǒng)重要參數(shù)（阻尼系數(shù)、結(jié)構(gòu)剛度和風(fēng)速），實(shí)時顯示系統(tǒng)響應(yīng)的變化量;通過三個按鈕可分別進(jìn)入相應(yīng)的子界面，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)分析。

3）阻尼實(shí)驗(yàn)和顫振風(fēng)速實(shí)驗(yàn)。阻尼實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示，實(shí)驗(yàn)分為兩個方面：一方面進(jìn)行阻尼系數(shù)變化實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)兩個重要阻尼系數(shù)，觀察研究阻尼參數(shù)對系統(tǒng)振動曲線的影響;另一方面設(shè)置不同阻尼系數(shù)，在給定阻尼參數(shù)下整定使系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定的顫振風(fēng)速值，實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)的氣彈穩(wěn)定性，以及不同阻尼參數(shù)對氣彈穩(wěn)定性的影響。

4）結(jié)構(gòu)剛度實(shí)驗(yàn)。圖6顯示了結(jié)構(gòu)剛度實(shí)驗(yàn)界面：在界面左半部分進(jìn)行收斂振蕩實(shí)驗(yàn)，分別研究揮舞剛度參數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)對葉片氣彈系統(tǒng)的衰減振蕩特性影響;在界面右半部分可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)，研究其對葉片非穩(wěn)定振蕩特性的影響。在界面中可清晰、直觀地顯示結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)變化對葉片振蕩曲線特性的實(shí)時影響。

5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。針對實(shí)驗(yàn)界面獲取的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行最終的分析整理，從而得到規(guī)律性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)響應(yīng)曲線，同時利用歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算了揮舞位移響應(yīng)和牛扭轉(zhuǎn)角響應(yīng)的ISE、IAE、ITSE和ITAE指標(biāo)，對系統(tǒng)氣彈響應(yīng)進(jìn)行了全面的數(shù)據(jù)分析。

進(jìn)一步，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入不同參數(shù)影響分析的子界面，如圖8所示。根據(jù)圖5、圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖8先后展示了多組風(fēng)速、五種結(jié)構(gòu)剛度案例和五種阻尼系統(tǒng)案例對應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)指標(biāo)變化曲線，從而直觀地呈現(xiàn)出不同參數(shù)對葉片氣彈特性的影響規(guī)律，讓學(xué)生最終完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)據(jù)分析并得出實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

3 結(jié)語

基于LabVIEW共享變量技術(shù)、風(fēng)力機(jī)葉片氣動彈性理論知識，搭建風(fēng)力機(jī)葉片氣彈實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)平臺，可以研究實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、阻尼系數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度等重要參數(shù)變化下，葉片氣彈特性的變化過程;對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和計算分析，總結(jié)不同參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響規(guī)律，并給出相應(yīng)的曲線，完成風(fēng)力機(jī)葉片氣彈實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。該仿真實(shí)驗(yàn)平臺可作為新能源專業(yè)、電氣專業(yè)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)共享平臺，推廣至開設(shè)風(fēng)電技術(shù)課程的其他理工科專業(yè)，豐富風(fēng)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，有助于學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，提高學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)踐能力，為風(fēng)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革奠定基礎(chǔ)。

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