基于Visual C＋＋与OpenGL的风电机组仿真系统研究

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相对于传统发电行业，风力发电行业受到风资源分布的限制。风电机组受恶劣环境的影响 比较厉害，时常在变速变载 的条件下工作 ，受到风产生 的扭矩、弯矩和轴向推力的作用，其部件容易发生变形，产生 附加 的结构应力 ，使得风 电机组齿轮箱、轴 承、发电机等关键设备经常出现故障。对风电机组进行画面实时监控可以大大降低维修费用与停机时间，减少不必要经 济损 失。本文 仿真系统采用 OpenGL技术 ，在 Windows环境中以 Visual C为开发工具进行开发。OpenGL具有绘制三维图形 的各项功能，它可以与 Visual C紧密结合，可以实现有关计算和图形算法 ，实现j维模型的可视化 。用 OpenGL来实现三维显示 ，具有简单、直观、高效率等特点 ，它具有强大的三维建模功能及趾存动画技术，并且可以对模型进行光照 、材质、纹理、反走样等处理 ，使得动态仿真过程呈现逼真三维立体显示 。

l 建立-个 OpenGL控件OpenGL是-个独立于窗 口的图形库 ，而 图形最终是在窗口系统里绘制 出来 的，我们可 以建立-个通用的OpenGL控件，用来绘制机组各部件图形，当引入这个控件时 ，控件会 自动初始化 OpenGL 。引入控件还有-个好处 ，它可以在对话框 中显示 Open-GL渲染 的画面 ，我们可 以在对话框 中添加其 他控件 ，并在 ClassWizard中为对话框类添加事件响应 函数 ，实现与图形的交互控制。

(1)创建-个 MFC ActiveX Control应用程序框架 。在 StdAfx.h头文件 中加入与 0penGL相关 的头文件和连 接 ，在 Project”中添加静 态库 opengl32。

1ib，glu32.1ib，glaux.1ib，glut32.1ib”，在 ClassWizard中实现消息响应 函数 的设置 ，最后 为 COpenG1View添加保护型变量 HDC Il-hDC；HGLRC m-hRC；(2)设置像素格式。它反映了0penGL的绘制风格、颜色模式、颜色位数等。正确设置像素格式：①填充 PIXELFORMATDESCRIPTOR结构 ；② 用 Choos-ePixelFormat函数在硬件所支持的像素格式中选出与给定的像素格式最匹配的-个设备描述表(Dc)；③用 SetPixelFormat函数将其设为当前像素格式 。

(3)建立着色描述表 (Render context)并 当前化收稿 日期：2012-10-27；修 回日期 ：2012-12-06基金项目：河南势技攻关项目(0374-3211125)作者简介：尹海峰(1989-)，男，河南省周口人，河南科技大学硕士研究生，研究方向为数控技术、机电仿真系统，(E-mail)yhf2006424###126.eom。

2013年 6月 尹海峰，等：基于 Visual C与 OpenGL的风 电机组仿真系统研究 ·143·着色描述表 。在进行 OpenGL绘制之前 ，必须先建立着色描述表并将其当前化，这样绘制的物体才能显示出来。

(4)设置坐标变换方式。每次窗 口创建或改变大小的时候。都要重新设置视口大小，因此我们需要在 OnSize中进行视 口设置。

2 风电机组三维模型建立在风力发电仿真中，模型要能准确的反映机组 的结构特 点、零部件的几何相对关系，因此要对每个运动部件进行单独的几何建模 ，风电机组整体结构可分为：叶片、轮毂、低速轴、高速轴、固定支架、齿轮箱、发电机、控制柜 、偏航 电机、塔架几部分 。

2.1 叶片模型建立图 l 风 电叶片风力发电机叶片专用翼型已成系列，我们可按其常规外形进行曲面造型。OpenGL中的 GLU提供了-个 NURBS接 口，该接 口是建立在 OpenGL求值程序函数的基础上，可进行曲面构造。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度 ，从而能够创建出更 逼真 、生动 的模型 。以下为/，向P阶， 向q阶的NURBS曲面的数学表达式：∑ P W N (H)N ( )s( ) 0----～ ∑∑ ( )P∑∑w，iN (u)Ⅳ ( )i0 ，0式中：JP 为曲面网格控制点； 为曲面控制点的权因子；、r ( )，Ⅳ ( )分别为P阶和q阶B样条基函数 。

对于风电叶片本仿真系统只需直观、形象的表达其外部结构，不需要严格体现其气动外形结构∩以根据风电叶片凹面弧度及弧长确定所画曲面半径，进而推算 出 NURBS曲面的控制点～控制点储存 在ctlpoints[m儿n][k]中，再通过调用gluNurbsSurface函数进行 NURBS曲面绘制。然后根据风电叶片的轮廓边界，将边界坐标存储在 edgePt[r][1]中，调用函数 gluBeginTrim进行定义修剪。修剪曲线为逆时针方 向，保 留修剪 曲线 内部部分。

2.2 轮毂模型建立风电轮毂部件可划分为两部分进行建模，前半部分为1/4椭球，后半部分为圆台形，轮毂模型如图2所示。椭球模型的建立可以从球形人手，实体球面用- 个二十面体进 行逼近 ，对二 十面体 中的三角形进行分割，再通过归-化将顶点移到球面上，通过重复这 - 分 割 过 程 得 到 - 个 实 体 球 面，再 进 行glScale(TYPE X，TYPE Y，TYPE z)缩 放 变 换 和glTranslate(TYPE X，TYPE Y，TYPE z)平移变换，使得球面 轴半径为，、z轴的2倍，向 轴正方向平移1/2X轴半径，然后添加-个剪裁面 ：GLdouble eqn4 J -1.0，0.0，0.0，0.0f；glClipPlane(GL-CLIP-PLANE1，eqn)；glEnable(GL-CLIP-PLANE1)；可得出 1/4椭球 ，椭球 的剪 裁面 半径 为 ：Y Y sin/3，其中 2y2z；由椭球剪裁 面半径可知，圆台的上底面半径为 Y.，为保证椭球到圆台的平滑过渡，选着适当的夹角 0，可推算出下底面半径 Y，Y sinO，其中日圆台高度。圆台的绘制可将其划分为许多四边形 网格 ，从下至上划分为 M 个环形面，每个环形面划分为 Ⅳ个四边形网格，每个网格上的坐标为 ：， (i， )Y [(M - )/M] cos2ri/N ( ， ) j/ML(i， )Y [(M - )/M]sin27ri/N其中 0≤i

图2 轮毂 图3 圆台绘制流程图2.3 其他各部件模型建立由于其他几个部件皆可用三角形 网格法和 以上圆台的建模方法进行构建，我们将在这里统-讲述。

三角网格法是 OpenGL绘制不规则图形常用的方 法之-。其绘图流程如下：首先确定物体表面各个顶点坐标，将坐标存储在 vertices[]数组中；然后，遵循环绕规则将物体表面划分为-个个环绕在物体表面的三角形，将其环绕顺序存储在 round[]数组中，最后调用函数进行绘制 ：glEnableClientState(GL-VERTEX-ARRAY)；glVertexPointer(3，GL-FLOAT，0，vertices)；glDrawElement8(GL-TRIANGLES，N，GL-UNSIG NED-BYTE，round)；Disableclientstate(GL-VERTEX-ARRAY)；按照以上两种方法构建出风电机组其余各部件的三维模型。最后 ，通过 OpenGL中的 ghranslatef、gl-Rotatef、glscalef、glViewPort等函数实现模型的旋转、平移、缩放、视口变换、正交投影和透视投影等操作 ，进行各部件的合理拼装 ，得出完整的风电机组三维模型。由于 0penGL具有很强的渲染能力，我们可以对模型进行光照、材质、纹理、反走样、雾化等处理，使得模型如同在现实中-样，具有光洁度、纹理、层次感。图 4，图 5为完整风力发电机三维模型。