孫 靜，雷 鵬

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191)

為豐富“電力傳動與控制系統(tǒng)”課程教學(xué)實驗體系的形式和內(nèi)容，本文結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和實驗需求，利用Matlab 中提供的Simpowersystems 與Simulink 3D Animation 虛擬現(xiàn)實工具箱，研究了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電機拖動系統(tǒng)的虛擬動態(tài)展示設(shè)計與實現(xiàn)［1-2］，并以無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的飛機起落架收放以及具有啟動制動調(diào)速控制效果的小車運動的虛擬動態(tài)展示為例，進行驗證和分析。

1 虛擬動態(tài)展示設(shè)計與實現(xiàn)平臺

我們根據(jù)當(dāng)前“電力傳動與控制系統(tǒng)”的課程教學(xué)與實驗的內(nèi)容和形式，搭建了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電機拖動系統(tǒng)的虛擬動態(tài)展示設(shè)計與實現(xiàn)仿真平臺。本文引用兩個應(yīng)用實例來進行說明，一個是基于無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的飛機起落架收放的虛擬動態(tài)展示［3］，另外一個是具有啟動、調(diào)速和制動功能的小車運動的虛擬動態(tài)展示［4］。

在每個實例中，我們分別對其操作步驟和注意事項等進行總體介紹和說明，同時也給出所涉及到的電機調(diào)速系統(tǒng)以及虛擬動態(tài)描述部分的模型、參量及操作等說明。通過點擊相應(yīng)的按鈕即可彈出這些說明文檔界面，并且點擊動態(tài)展示和自我設(shè)計按鈕后，就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的仿真模型界面。最后平臺還提供了幫助文檔，通過點擊平臺右下角的“Help”按鈕來實現(xiàn)。

學(xué)生可以利用這個平臺，結(jié)合課程的內(nèi)容和個人興趣，選擇不同的實例進行操作。在閱讀了相應(yīng)操作和幫助文檔后，便可進行相應(yīng)的操作和分析。

2 虛擬動態(tài)展示實例的設(shè)計

我們下面介紹上述的兩個實例的設(shè)計方法和涉及的關(guān)鍵性問題。

1)設(shè)計步驟

(1)基于Simpowersystems 建立電機拖動仿真模型;

(2)利用Simulink 3D Animation 以及vrbuild2繪制虛擬場景，合理安排和設(shè)計動態(tài)展示的對象;

(3)確定仿真模型的輸出與對象屬性的對應(yīng)關(guān)系，利用邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)計算等搭建接口;

(4)聯(lián)接調(diào)試運行。

2)需要考慮的關(guān)鍵性問題

(1)應(yīng)用對象的選擇:負荷的選擇，電機及其調(diào)速系統(tǒng)的選擇;

(2)設(shè)計與實現(xiàn):調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn);

(3)接口的建立:調(diào)速系統(tǒng)仿真模型與虛擬負載模型的接口建立。

3)關(guān)鍵性問題的處理

(1)負載:利用V-Realm Builder 工具，學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實建模語言VRML，搭建三維實體，做到飛機起落架、小車的結(jié)構(gòu)清晰和動態(tài)展示效果明顯;

(2)電機:利用Matlab 中Simpowersystems 已有的電機模型，通過修改相應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn);

(3)調(diào)速系統(tǒng):利用Simulink 中各種數(shù)學(xué)、信號等模塊和Simpowersystems 中的電機模塊進行搭建，其中涉及速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、位置檢測器PS、邏輯電路LJ、觸發(fā)器GT 等關(guān)鍵模塊;

(4)接口:通過Matlab 中的Simulink 3D Animation 中的VR Sink 模塊，將調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出進行適當(dāng)變換后與需要調(diào)節(jié)的三維實體參數(shù)進行聯(lián)接。

因此，當(dāng)仿真模型成功建立、虛擬場景合理繪制和對應(yīng)關(guān)系明了時，一個基于Simulink 3D Animation的虛擬動態(tài)場景即成功實現(xiàn)。

3 飛機起落架的動態(tài)展示

飛機起落架是電力作動器的典型應(yīng)用，起落架的精確建模和仿真對飛機起飛著陸過程的控制律設(shè)計有著重要意義。本文通過對飛機起落架的受力情況進行詳細分析，并根據(jù)起落架的一些實際物理參數(shù)分別求得起落架各桿的運動形式，建立起落架的模型并將此模型應(yīng)用于仿真。

我們通過建立以無刷直流電機為核心的電機調(diào)速系統(tǒng)來對起落架的運動進行控制［3］。該起落架由V-Realm Builder 繪制，最終達到能展示起落架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并能夠展示其收縮和伸展的行為。如前所述，選用無刷直流電動機，由于行為比較單一且功率要求不高，故采用單速度環(huán)控制系統(tǒng)。

飛機起落架模型分為兩部分，一部分為電機調(diào)速，一部分為起落架。

1)調(diào)速系統(tǒng)

如圖1所示，plane1 文件為電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，具體的建模過程以及參數(shù)設(shè)置與計算、位置檢測器設(shè)計及轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計等在此不進行具體介紹。

圖1 飛機起落架模型的調(diào)速系統(tǒng)

2)起落架

為實現(xiàn)飛機起落架的收放運動，需將其進行簡化，并明確各個部分的相互關(guān)系和動作行為。我們利用數(shù)學(xué)語言描述進行計算和分析，最終才能繪制出來，具體參見文獻［3］。最后起落架的虛擬動態(tài)模型如圖2所示。

圖2 起落架虛擬動態(tài)模型

3)聯(lián)接實現(xiàn)的仿真模型

plane2 文件為調(diào)速系統(tǒng)與起落架虛擬動態(tài)展示實現(xiàn)聯(lián)接的仿真模型。其中，轉(zhuǎn)速由fromfile 模塊從plane.mat 文件中讀入，通過比例模塊進行縮放，再通過一個子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為各桿的位移及旋轉(zhuǎn)角度，最后通過VR Sink 與起落架虛擬動態(tài)模型相聯(lián)接。其聯(lián)接實現(xiàn)的仿真模型如圖3所示。

圖3 聯(lián)接實現(xiàn)的仿真模型

4)動態(tài)展示

學(xué)生可以在仿真平臺上通過點擊“動態(tài)展示”即可彈出plane2 的仿真模型，然后再雙擊VR Sink模塊，執(zhí)行“run”操作，即可觀看到虛擬動態(tài)展示過程。我們點擊vrml 瀏覽器右上角的運行即可看到起落架的收縮運動，如圖4所示。

圖4 飛機起落架運動虛擬動態(tài)展示

由上圖可見，通過上述合理的分析和設(shè)計，可將電機拖動的理論知識與實際應(yīng)用的控制操作相關(guān)聯(lián)。由直觀的動態(tài)運行效果與相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)互調(diào)，有利于分析不同的電機調(diào)速系統(tǒng)的性能等問題。

4 小車運動

就小車運動的虛擬動態(tài)展示而言，由于運動行為簡單，采用直流電機開環(huán)控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)小車從A 點到B 點的啟動、調(diào)速和制動過程。根據(jù)工藝要求，現(xiàn)確定電機傳動方案為:正向串聯(lián)電阻啟動、弱磁升速、強磁降速和能耗制動等。傳動方案所涉及的電動機主電路圖和控制過程見專著［4］。

圖5為小車控制系統(tǒng)仿真模型，具體模型建立和實現(xiàn)過程不再贅述。

圖6給出了電機的轉(zhuǎn)速輸出，可以清楚地看到啟動、提速、勻速、減速和制動等過程。

圖5 小車控制系統(tǒng)仿真模型

圖6 轉(zhuǎn)速輸出

圖7是vrml 瀏覽器窗口中的小車運動模型。學(xué)生可以在仿真平臺上通過點擊“動態(tài)展示”即可彈出相應(yīng)的“car”仿真模型，然后再雙擊VR Sink 模塊，執(zhí)行“run”操作，即可觀看小車運動的虛擬動態(tài)展示過程。

圖7 小車運動過程

通過應(yīng)用實例的動態(tài)展示可以看出，在物理實驗環(huán)境不允許的情況下，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)字仿真可以達到理論與實踐相結(jié)合的效果，有利于學(xué)生對課程的理解和掌握。

［1］ 張開如，陳榮. Matlab-Simulink 在交流調(diào)速系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用［J］. 濟南:山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，22(2):81-83

［2］ 許微. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］. 武漢:現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009，No.2，279-280

［3］ 王希彬，趙國榮，姜海勛，楊曉華. 某型飛機起落架運動的SIMULINK 仿真［J］. 綿陽:兵工自動化，2009，28(4):46-47

［4］ 范正翹. 電力傳動與自動控制系統(tǒng)［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003