王詠梅，王印松，曾 新

(華北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，保定071003)

0 引言

風(fēng)能作為一種新型無污染的可再生能源，越來越受到高度重視。隨著風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的成熟和風(fēng)電成本的降低，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇［1］。但同時，風(fēng)力產(chǎn)業(yè)大規(guī)模、大容量、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展也帶來了人才匱乏和自主創(chuàng)新不足的問題，這就要求我國大力發(fā)展風(fēng)電教育事業(yè)［2］。目前，風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實驗系統(tǒng)還很缺乏，因此本文提出了把虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)與仿真技術(shù)結(jié)合起來，生成高度逼真和交互的“虛擬世界”教學(xué)系統(tǒng)，使人有以身臨其境的感覺。此系統(tǒng)可以仿真風(fēng)電場的運行情況，并以三維圖形顯示出來。學(xué)生不僅可以漫游整個風(fēng)電場，與此同時，風(fēng)電廠中的各種設(shè)備(如齒輪箱、發(fā)電機(jī)等)可以用鼠標(biāo)任意拾取并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入設(shè)備了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且學(xué)生還可以在仿真的同時改變運行參數(shù)，研究不同參數(shù)下的設(shè)備運行狀態(tài)，為學(xué)生提供一個互動的學(xué)習(xí)平臺。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是由多媒體計算機(jī)系統(tǒng)建立的一種虛擬世界，使人能產(chǎn)生身臨其境的感覺，并能獲得與環(huán)境交互的體驗。仿真是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的一項非常重要的技術(shù)，虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵是給人們提供一個虛擬的世界，但能以真實的表現(xiàn)形式反映事物對象變化的空間與環(huán)境，這樣的表現(xiàn)形式是建立在模擬和仿真的基礎(chǔ)上的，所以仿真技術(shù)也能基于模擬環(huán)境實現(xiàn)和預(yù)測事物在實際環(huán)境下的運動與變化。

單純的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在聽覺、視覺和觸覺方面，具有較強(qiáng)的沉浸感，這是一般可視化仿真所不具備的，但在處理隨機(jī)過程仿真和實時反映對象的運動狀態(tài)方面卻很難滿足用戶的需要。所以這就需要把虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真有機(jī)結(jié)合起來，充分利用這兩類系統(tǒng)各自的特點，形成一種功能更強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，來更好的滿足用戶的需要。此系統(tǒng)可以使用戶在一個虛擬空間中將個人的偏好和獨立行為，融合到虛擬現(xiàn)實仿真過程中去，實現(xiàn)“人在系統(tǒng)中的仿真”。因此，虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)是對一般可視化仿真的發(fā)展，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，具有更為廣闊的應(yīng)用前景［3-4］。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：

1)風(fēng)能特性仿真，是用來反映風(fēng)能的位置分布和時間變化特性的，其仿真結(jié)果將用于風(fēng)力發(fā)電。

2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真，主要包括：風(fēng)輪空氣動力學(xué)模型、雙饋發(fā)電機(jī)動態(tài)模型、傳動系統(tǒng)動態(tài)模型、變槳距系統(tǒng)模型和電網(wǎng)模型等。

3)控制系統(tǒng)仿真，承擔(dān)的任務(wù)有：風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等，是風(fēng)機(jī)的重要組成部分。主要由以下幾部分組成：監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器)。通過改變仿真風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)，來測試在各種不同運行方式下控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制效果，從而找到最優(yōu)控制方案，達(dá)到最優(yōu)控制效果［5］。

4)風(fēng)電場仿真，整個風(fēng)電場由多臺風(fēng)機(jī)組成，建立每臺風(fēng)機(jī)的模型，按一定規(guī)律組成風(fēng)力機(jī)群，并通過兩級升壓變壓器向系統(tǒng)供電。

3 虛擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

計算機(jī)仿真就是利用計算機(jī)，根據(jù)真實系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來模擬實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)。仿真不強(qiáng)調(diào)“沉浸性”和“交互性”，大多數(shù)的仿真軟件都不具備這樣的功能。虛擬現(xiàn)實軟件雖然側(cè)重于“沉浸性”和“交互性”，但他在數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計算方面能力較差。如何將二者的功能結(jié)合起來，這是人們長久以來考慮的一個問題。現(xiàn)在MATLAB 6.11中虛擬現(xiàn)實工具箱解決了這一問題。虛擬現(xiàn)實工具箱提供了一種在三維虛擬環(huán)境下通過動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行視圖和交互的解決方案，它擴(kuò)展了MATLAB和Simulink在虛擬現(xiàn)實圖形學(xué)方面的能力，內(nèi)容包括［6－8］：

1)虛擬世界，用標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實模型語言(VRML)創(chuàng)建虛擬世界或三維場景;

2)動態(tài)系統(tǒng)，用MATLAB和Simulink創(chuàng)建和定義動態(tài)系統(tǒng);

3)交互操作，可以改變虛擬世界中對象的位置和屬性，或者在進(jìn)行模擬時改變Simulink模型的參數(shù)。

3.1 虛擬場景的建立

建立三維風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實場景模型步驟如下：

1)建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的三維模型，包括各組成部分和外部環(huán)境;

2)通過三維建模語言確定各模型在虛擬環(huán)境中的位置關(guān)系;

3)把虛擬現(xiàn)實場景模型轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)VRML語言文件格式;

4)將三維模型文件存儲于虛擬場景控制服務(wù)器上。

建立場景模型的軟件有多種，簡單的幾何模型可用VRML語言直接來編寫，對于復(fù)雜的設(shè)備直接用VRML語法編寫難度較大，時間消耗量大［9-10］。故可利用CAD軟件或用三維動畫軟件如3DS MAX進(jìn)行零件的三維造型，并轉(zhuǎn)換為VRML格式文件。圖1為3DS MAX制作的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維模型，并轉(zhuǎn)換為VRML格式輸出。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維模型

3.2 動態(tài)系統(tǒng)仿真

MATALB/Simulink是Mathworks公司開發(fā)的一個優(yōu)秀的動態(tài)仿真系統(tǒng)軟件，它為用戶提供了一個強(qiáng)有力的建模與仿真工作平臺。Simulink功能非常強(qiáng)大，即支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，可進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真，還可對離散系統(tǒng)甚至混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真。而且Simulink的模塊庫中提供了一個電力系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備庫(SimPowerSystem模塊庫)，包含了主要的電力系統(tǒng)分析模塊，如各種同步機(jī)、異步機(jī)、變壓器、直流機(jī)等設(shè)備模型庫;單相、三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線路等。有了這些模型，建立風(fēng)電場模型時就更加方便了。

3.3 交互接口

交互接口是虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，Simulink作為一接口可以使用戶在一個虛擬的三維模型中模擬和觀察動態(tài)系統(tǒng)的運行情況。Simulink模塊可實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實工具箱的大多數(shù)特征，當(dāng)Simulink包含這些模塊時，就可以選擇與Simulink信號連接的虛擬世界，虛擬現(xiàn)實工具箱自動搜索可用VRML節(jié)點的虛擬世界，不僅可以把所有的VRML節(jié)點屬性以等級樹樣式的形式在觀察窗口中列出，還可以選擇控制的自由度。當(dāng)關(guān)閉接口對話框后，虛擬現(xiàn)實工具模塊自動更新在虛擬世界中與選擇節(jié)點有關(guān)的輸入和輸出。并且通過一個支持VRML的瀏覽器就可觀察到可視化的虛擬仿真。

4 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)是VR技術(shù)與仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，這種結(jié)合不是簡單的相加，而是融合了兩種類型系統(tǒng)的特點的有機(jī)體，所構(gòu)造的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠自主的運行，學(xué)生能夠“走進(jìn)去”到處觀察，而且需要的時候能暫時停止仿真過程。虛擬仿真系統(tǒng)不是一度追求演示效果而是重視學(xué)生參與的過程，使系統(tǒng)作為教學(xué)“教”的工具起到與“學(xué)”的互動作用，這對提高實驗教學(xué)水平，改善實驗教學(xué)環(huán)境起到深遠(yuǎn)的影響。

［1］關(guān)偉，盧巖.國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況及發(fā)展方向［J］.吉林電力，2008，36(1)：47-49.

［2］張杰，陳東生，鄒乾林，等.風(fēng)能發(fā)電教學(xué)初探［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009，(24)：101-102.

［3］韋有雙，楊湘龍，王飛編著.虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真［M］.北京-國防工業(yè)出版社，2004：42-46.

［4］萬寧，黃堂紅.探析實驗教學(xué)中虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.成都大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版)，2007，(2)：56-58.

［5］李長青，丁立新，關(guān)哲，等.仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力科學(xué)與工程，2008，(10)：5-8.

［6］范太華，畢國堂，劉敏賢.基于Matlab及Simulink的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，(12)：47-49.

［7］晁冰，吳祖國.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在Matlab 6.x中的實現(xiàn)［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2004，107(7)：124-126.

［8］蘇金明，王永利編著.MATLAB 7.0實用指南-下冊［M］.北京：電子出版社，2004：50-56.

［9］戴俊，沈建華.基于VRML的虛擬實驗室的研究與實現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2009，(4)：126-129.

［10］李涌，陳堅紅，盛德仁，等.基于虛擬實景和Perl的火電廠教學(xué)系統(tǒng)［J］.電站系統(tǒng)工程，2004，20(4)：41-43.