风力机叶片气弹实验教学虚拟仿真平台设计

李迺璐 江文宇 曹智广 杨华

虚拟仿真实验平台的程序设计  为了实现仿真实验平台，相应的LabVIEW程序设计如下。

1）登录与密码程序设计：程序判断输入密码正确时进入主界面，否则报错;利用菜单栏设计登录密码修改功能，满足用户需求。

2）风力机叶片气弹系统程序设计：利用CDS模块建立动力学模型，利用MathScript构建系统参数，设计实验子界面进入程序。

3）实验数据存储和读取：利用LabVIEW的共享变量技术对实验界面产生的数据进行实时存储，在数据分析界面读取历史实验数据进行分析。

4）实验数据分析设计：利用多种性能指标对系统参数影响进行综合分析。

具体仿真实验程序如图2所示。

仿真实验结果

1）系统登录。登录界面如图3所示，正确输入用户名和密码，可直接进入实验系统主界面，开始实验操作;当用户名或密码不正确时，无法登录实验系统。通过菜单栏的“修改密码”可打开功能框，进行用户名和密码的修改。登录和密码修改界面保证了教师和学生的用户管理以及实验系统的安全性。

2）实验主界面。风力机叶片气弹实验系统主界面如图4所示：从三维风力机到二元叶片，直观展示了叶片气弹系统的动力学原理和结构图，有助于学生加深理解和认识;可调节系统重要参数（阻尼系数、结构刚度和风速），实时显示系统响应的变化量;通过三个按钮可分别进入相应的子界面，进行实验操作和实验分析。

3）阻尼实验和颤振风速实验。阻尼实验界面如图5所示，实验分为两个方面：一方面进行阻尼系数变化实验，通过调节两个重要阻尼系数，观察研究阻尼参数对系统振动曲线的影响;另一方面设置不同阻尼系数，在给定阻尼参数下整定使系统达到临界稳定的颤振风速值，实验研究系统的气弹稳定性，以及不同阻尼参数对气弹稳定性的影響。

4）结构刚度实验。图6显示了结构刚度实验界面：在界面左半部分进行收敛振荡实验，分别研究挥舞刚度参数、扭转刚度参数对叶片气弹系统的衰减振荡特性影响;在界面右半部分可调节结构刚度参数，研究其对叶片非稳定振荡特性的影响。在界面中可清晰、直观地显示结构刚度参数变化对叶片振荡曲线特性的实时影响。

5）实验数据分析。针对实验界面获取的各种实验数据，需要进行最终的分析整理，从而得到规律性的实验结论。历史实验数据分析界面如图7所示。图7界面成功读取了主界面的历史实验数据，显示系统响应曲线，同时利用历史实验数据计算了挥舞位移响应和牛扭转角响应的ISE、IAE、ITSE和ITAE指标，对系统气弹响应进行了全面的数据分析。

进一步，点击按钮进入不同参数影响分析的子界面，如图8所示。根据图5、图6中的实验数据，图8先后展示了多组风速、五种结构刚度案例和五种阻尼系统案例对应的系统响应指标变化曲线，从而直观地呈现出不同参数对叶片气弹特性的影响规律，让学生最终完成实验内容的数据分析并得出实验总结。

3 结语

基于LabVIEW共享变量技术、风力机叶片气动弹性理论知识，搭建风力机叶片气弹实验的虚拟仿真教学平台，可以研究实现风速、阻尼系数和结构刚度等重要参数变化下，叶片气弹特性的变化过程;对实验数据进行存储和计算分析，总结不同参数变化对系统响应特性的影响规律，并给出相应的曲线，完成风力机叶片气弹实验教学的相关内容。该仿真实验平台可作为新能源专业、电气专业的风电实验共享平台，推广至开设风电技术课程的其他理工科专业，丰富风电技术实验教学的模式，有助于学生对专业知识的理解和掌握，提高学生分析问题和解决问题的实践能力，为风电虚拟仿真实验教学改革奠定基础。

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