基于LabVIEW的頻域特性分析儀的設(shè)計

吉淑嬌，呂 佳

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

自動控制原理課程屬于理論性較強(qiáng)、難于理解的一門專業(yè)必修課。LabVIEW是一種圖形化編程語言，它提供開發(fā)自動控制原理課程相關(guān)知識的仿真工具。本文主要通過設(shè)計自動控制原理的一個知識點(diǎn)——頻域特性分析，介紹整個仿真的過程，并探討該仿真程序?qū)φn程起到的輔助教學(xué)作用。

1 頻域分析模塊介紹

LabVIEW2017中，在程序面板按路徑“函數(shù)”“控制仿真與設(shè)計”“Control Design”子選板中，選擇“Frequency Response”頻域分析模塊,如圖1所示。

圖1 頻域分析模塊

這個子選板中的函數(shù)主要用來繪制系統(tǒng)的奈奎斯特曲線以及伯德圖，常用的函數(shù)有CD Bode、CD Nyquist和CD Gain and Phase Margins。

通過頻域分析方法研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，是根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性進(jìn)行的。為了完成繪制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線，需要根據(jù)開環(huán)零極點(diǎn)將分子和分母多項式進(jìn)行分解。對這部分知識點(diǎn)的分析主要運(yùn)用模塊CD Construct

Transfer Function Model.vi、CD Nyquist.vi及CD Bode.vi。

各模塊具體功能如表1所示。

表1 模型建立模塊主要控件

(1)CD Nyquist.vi函數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)輸入控制模型繪制VI的奈奎斯特圖，然后在奈奎斯特圖上顯示數(shù)據(jù),CD Nyquist.vi函數(shù)的圖標(biāo)節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)及端口定義如圖2所示。

圖2 CD Nyquist.vi圖標(biāo)

輸入：Separate Contour(單獨(dú)控制)，Transfer Function Model(傳遞函數(shù)模型)。

輸出：Nyquist Plot(奈奎斯特圖)，Nyquist Date(奈奎斯特數(shù)據(jù))。

(2)CD Bode.vi函數(shù)

CD Bode.vi函數(shù)的圖標(biāo)節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)及端口定義如圖3所示。

圖3 CD Bode.vi函數(shù)

在State-Space Model輸入端，接入傳遞函數(shù)，在輸出端即可得到Bode Magnitude(幅值)，Bode Phase(相位)和Bode Data(數(shù)據(jù))。

2 頻率特性分析儀器的制作

制作一個頻率特性分析儀器，使該儀器可以根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)增益函數(shù)，繪制出奈奎斯特圖、伯德圖幅度和伯德圖相位，并顯示其零點(diǎn)和極點(diǎn)。

具體的步驟如下：

(1)新建VI，在流程圖上放置一個“While循環(huán)”，然后將條件端口結(jié)束條件設(shè)置為“真(T)是停止”，和“停止”控制按鈕端子相連。

(2)按照路徑 “Control Design” →“Model Construct”→“CD Construct Zero-Poles-Gain Model.vi”，在其輸入端口創(chuàng)建輸入控件，用于輸入系統(tǒng)的零點(diǎn)、極點(diǎn)和增益；添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”模塊， 對應(yīng)輸出端口創(chuàng)建顯示控件，顯示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

(3)按路徑“Control Design”→“Model Conversion ”→“CD Convert to Transfer Function Model.vi”，用于將零級點(diǎn)形式的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為多項式形式。

(4)添加“CD Nyquist. vi”和“CD Bode.vi”函數(shù)，分別在他們對應(yīng)的輸出端創(chuàng)建顯示控件，用于顯示兩種曲線。具體程序面板連線如圖4所示。

圖4 頻域分析程序面板

前面板輸入零點(diǎn)和極點(diǎn)以及增益，運(yùn)行程序，顯示結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻域分析前面板

3 頻域特性分析儀的安裝包功能

為了方便該頻率分析儀在沒有安裝LabVIEW編程環(huán)境的計算機(jī)上使用，首先將該頻率分析儀生成LabVIEW項目，接著生成為“.exe”應(yīng)用程序后，最后生成安裝程序模式，具體制作過程如下。

3.1 創(chuàng)建頻率分析儀項目

打開頻率分析儀，通過VI 的菜單，選擇“文件”→“創(chuàng)建項目”，則將“頻率分析儀.vi”添加到了所創(chuàng)建的項目中，將項目命名為“頻率分析儀.lvproj”,如圖6所示。

圖6 頻率分析儀項目

3.2 創(chuàng)建頻率分析儀應(yīng)用程序

在圖6的“程序生成規(guī)范”處，點(diǎn)擊右鍵，選擇“新建”→“應(yīng)用程序”，調(diào)出應(yīng)用程序?qū)傩耘渲脤υ捒?。如圖7所示，在對話框左側(cè)的選項中可以對相關(guān)選項進(jìn)行設(shè)置。在“信息”選項中設(shè)置“程序生成規(guī)范名稱”、“目標(biāo)目錄”以及“程序生成規(guī)范說明”；在“源文件”選項中，將“頻率分析儀.vi”導(dǎo)入“啟動VI”目錄下，其他選項默認(rèn)不作修改，然后點(diǎn)擊“生成”按鈕，完成了應(yīng)用程序的創(chuàng)建。

圖7 應(yīng)用程序?qū)傩栽O(shè)置界面“信息”選項頁

3.3 創(chuàng)建頻率分析儀安裝程序

在圖6的“程序生成規(guī)范”處，點(diǎn)擊右鍵，選擇“新建”→“安裝程序”，調(diào)出安裝程序配置對話框。如圖8所示，在“源文件”對話框中，將剛才生成的“我的應(yīng)用程序”添加到右側(cè)的“目標(biāo)視圖”中，點(diǎn)擊生成，彈出“生成狀態(tài)”對話框，直到生成結(jié)束，點(diǎn)擊“完成”按鈕，至此創(chuàng)建了頻率分析儀的安裝程序。

圖8 安裝程序?qū)傩栽O(shè)置界面“源文件”選項頁

用戶找到所建應(yīng)用程序和安裝程序的位置，進(jìn)入“我的安裝程序”文件夾，點(diǎn)擊“setup”，即可將該頻率分析儀安裝到任意一臺沒有LabVIEW的計算機(jī)上，方便用戶使用。

4 結(jié)語

本設(shè)計充分利用LabVIEW圖形文字更直觀的特點(diǎn)，設(shè)計的頻域特性分析儀可以進(jìn)行自定義的界面修改，靈活地修改零點(diǎn)和極點(diǎn)的值，觀察不同傳遞函數(shù)下奈奎斯特曲線和伯德圖顯示情況，教師可以在上課的過程中演示改程序，節(jié)省了很多手動畫圖以及計算的過程，使學(xué)生感性地認(rèn)識到不同系統(tǒng)的頻率特性差異。作者將該分析儀設(shè)計成了安裝文件形式，可以方便用戶在不安裝LabVIEW的計算機(jī)上使用。