基于LabVIEW的暫態(tài)電能質(zhì)量信號發(fā)生器

邢峰華，蘆春燕

（山東工業(yè)技師學(xué)院，山東濰坊261053）

1 引言

伴隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，電能作為一種商品，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活的重要性越來越高。同其他商品一樣，電能也有其質(zhì)量要求。提高電能質(zhì)量，有助于保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備安全運(yùn)行和保障居民正常的生活[1]。與此同時，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，暫態(tài)電能質(zhì)量問題在電能質(zhì)量問題中越來越重要。因此，研究暫態(tài)電能質(zhì)量問題至關(guān)重要。

由于暫態(tài)電能質(zhì)量信號不易獲取，在教育領(lǐng)域，需要使用信號發(fā)生器來模擬真實(shí)的信號源，從而對信號進(jìn)行分析。然而，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器不能充分滿足這個要求。另外，需要使用信號發(fā)生器來檢驗(yàn)硬件設(shè)備。除此之外，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器只能生成有限的波形，并且，它還有裝備笨重、功能固定、價格昂貴等缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和MATLAB的新型虛擬信號發(fā)生器。利用該儀器可以輕松、快捷地產(chǎn)生并顯示各種所需的信號波形[2-3]。

2 LabVIEW和MATLAB的混合編程

LabVIEW是NI公司推出的一種圖形化編程語言，LabVIEW的源程序完全是圖形化框圖，沒有文本代碼。LabVIEW平臺上編寫的程序擴(kuò)展名是VI。它采用數(shù)據(jù)流方式編程。LabVIEW可以通過Math-Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與MATLAB的混合編程，在Math-Script節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行m文件[4]，可以方便地執(zhí)行各種數(shù)學(xué)算法，且節(jié)省運(yùn)行時間。

3 信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路

LabVIEW包括前面板和程序框圖，故信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行兩方面的設(shè)計(jì)。首先是前面板的設(shè)計(jì)，前面板的設(shè)計(jì)主要考慮信號發(fā)生器的主要任務(wù)是什么，然后根據(jù)這些任務(wù)，在前面板上擺放一些控件或指示器。其次是程序框圖的設(shè)計(jì)，根據(jù)所要完成的任務(wù)，在程序框圖上放置一些函數(shù)，將其連接實(shí)現(xiàn)其功能[5]。最后，進(jìn)行程序的調(diào)試，進(jìn)一步確認(rèn)程序的可行性，從而設(shè)計(jì)出信號發(fā)生器。

4 信號發(fā)生器的前面板的設(shè)計(jì)

前面板是用戶與程序交互的窗口，即交互式用戶界面。前面板的主要功能是用戶可以往程序中輸入數(shù)據(jù)和觀察輸出量，在前面板中，使用了各種控件和指示器，如數(shù)值輸入控件、數(shù)值顯示控件、開關(guān)、旋鈕等。前面板的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)勢，即建立了友好的人機(jī)操作界面[6]。在使用信號發(fā)生器時，可以直接通過鼠標(biāo)和鍵盤來設(shè)定信號的相關(guān)參數(shù)。使用波形圖對輸出的信號波形進(jìn)行觀察和測量，并且可以得到信號的特征。信號發(fā)生器的前面板如圖1所示。

圖1 暫態(tài)電能質(zhì)量信號發(fā)生器前面板

5 信號發(fā)生器的程序框圖的設(shè)計(jì)

本信號發(fā)生器的程序主要包括五個模塊：

5.1 電壓驟降信號發(fā)生器

電壓驟降是指信號電壓幅值下降到到原來電壓幅值的 0.1-0.9，并持續(xù)時間小于 1min，在此期間內(nèi)信號的頻率保持不變，最后電壓又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象[7]。在程序框圖中電壓驟降信號是在一個正弦信號的基礎(chǔ)上疊加一個驟降的擾動信號。驟降幅度和驟降起始時間和結(jié)束時間是可調(diào)的。該模塊的程序框圖如圖2所示。電壓驟將的數(shù)學(xué)模型是：

其中 a在 0.1到 0.9之間取值。

圖2 電壓驟降信號發(fā)生器的程序框圖

5.2 電壓驟升信號發(fā)生器

電壓驟升：是指電壓的幅值升高至原始信號電壓幅值的1.1倍以上，并且信號頻率保持不變，持續(xù)時間小于1min[7]。電壓驟升的程序框圖和電壓驟降程序框圖是類似的，這里我們不再贅述。該模塊的程序框圖如圖3所示。

電壓驟升的數(shù)學(xué)模型是：

其中 a在 1.1到 1.8之間取值。

圖3 電壓驟升信號發(fā)生器的程序框圖

5.3 電壓中斷的信號發(fā)生器

電壓中斷：是指信號的電壓幅值突然下降到近于零，并且，按照根據(jù)持續(xù)時間可以分為3類：0.5～3s稱為瞬態(tài)斷電；3～60s稱為暫時斷電；大于60s為持續(xù)斷電[8]。電壓中斷的程序框圖和電壓驟降程序框圖是類似的，這里我們不再贅述。該模塊的程序框圖如圖4所示。

電壓中斷的數(shù)學(xué)模型是：

其中，0.9＜α＜0.99，T＜t2-t1＜8T。

圖4 電壓中斷信號發(fā)生器的程序框圖

5.4 電壓瞬變信號發(fā)生器

電壓瞬變：是指在極短的時間間隔內(nèi)，兩個連續(xù)穩(wěn)態(tài)電壓之間在極短時間內(nèi)發(fā)生疊加的一種突變現(xiàn)象[9]。在程序框圖中，電壓瞬變信號是一個正弦信號疊加上一個諧波信號且在短時間內(nèi)發(fā)生疊加形成。該模塊的程序框圖如圖5所示。

電壓瞬變的數(shù)學(xué)模型是：

其中a取任意值，n為整數(shù)。

圖5 電壓瞬變信號發(fā)生器的程序框圖

5.5 暫態(tài)振蕩信號發(fā)生器

暫態(tài)振蕩：是指由于系統(tǒng)發(fā)生故障而造成信號出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象[10]。在程序框圖中，暫態(tài)振蕩表示為在一個正弦波的基礎(chǔ)上疊加一個振蕩擾動信號，擾動信號可以設(shè)置相振蕩發(fā)生起止時刻，也可以設(shè)置振蕩幅值。該模塊的程序框圖如圖6所示。

暫態(tài)振蕩的數(shù)學(xué)模型是；

其中A，B取任意值。

圖6 暫態(tài)振蕩信號發(fā)生器的程序框圖

6 信號發(fā)生器產(chǎn)生的五種信號

本虛擬函數(shù)信號發(fā)生器所產(chǎn)生的驟降信號、驟升信號、中斷信號、瞬變信號和暫態(tài)振蕩信號的前面板波形顯示分別如下圖7（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示。

7 分析和比較

下圖8是單一使用LabVIEW設(shè)計(jì)的電壓驟降信號發(fā)生器的程序框圖。

圖8 使用LabVIEW形成的電壓驟降信號發(fā)生器的程序框圖

和由LabVIEW和MATLAB混合編程形成的電壓驟降信號發(fā)生器相比，二者實(shí)現(xiàn)的功能相同，并且都可以通過改變信號參數(shù)來調(diào)節(jié)信號。但是，從直觀上看，后者所占用的界面較少，節(jié)省了空間；從程序的開發(fā)時間看，由于數(shù)學(xué)算法在MATLAB中極易實(shí)現(xiàn)，因此，后者所使用的時間較少。

8 結(jié)束語

應(yīng)用LabVIEW和MATLAB混合編程設(shè)計(jì)開發(fā)的儀器，操作更加簡單，功能也更強(qiáng)大，且所用時間少。本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器不僅可以隨時增加各種擾動信號的發(fā)生模塊，還可以根據(jù)需要設(shè)置調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，輸出信號通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備與被控設(shè)備相連接，可應(yīng)用于暫態(tài)電能質(zhì)量的研究與教學(xué)，以及暫態(tài)電能質(zhì)量檢測裝置的驗(yàn)證，更好的滿足用戶的各種不同的需要。