基于LabVIEW的频域特性分析仪的设计

吉淑娇，吕 佳

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

自动控制原理课程属于理论性较强、难于理解的一门专业必修课。LabVIEW是一种图形化编程语言，它提供开发自动控制原理课程相关知识的仿真工具。本文主要通过设计自动控制原理的一个知识点——频域特性分析，介绍整个仿真的过程，并探讨该仿真程序对课程起到的辅助教学作用。

1 频域分析模块介绍

LabVIEW2017中，在程序面板按路径“函数”“控制仿真与设计”“Control Design”子选板中，选择“Frequency Response”频域分析模块,如图1所示。

图1 频域分析模块

这个子选板中的函数主要用来绘制系统的奈奎斯特曲线以及伯德图，常用的函数有CD Bode、CD Nyquist和CD Gain and Phase Margins。

通过频域分析方法研究控制系统的稳定性和动态响应，是根据系统的开环频率特性进行的。为了完成绘制系统开环频率特性曲线，需要根据开环零极点将分子和分母多项式进行分解。对这部分知识点的分析主要运用模块CD Construct

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

各模块具体功能如表1所示。

表1 模型建立模块主要控件

(1)CD Nyquist.vi函数

根据系统输入控制模型绘制VI的奈奎斯特图，然后在奈奎斯特图上显示数据,CD Nyquist.vi函数的图标节点图标及端口定义如图2所示。

图2 CD Nyquist.vi图标

输入：Separate Contour(单独控制)，Transfer Function Model(传递函数模型)。

输出：Nyquist Plot(奈奎斯特图)，Nyquist Date(奈奎斯特数据)。

(2)CD Bode.vi函数

CD Bode.vi函数的图标节点图标及端口定义如图3所示。

图3 CD Bode.vi函数

在State-Space Model输入端，接入传递函数，在输出端即可得到Bode Magnitude(幅值)，Bode Phase(相位)和Bode Data(数据)。

2 频率特性分析仪器的制作

制作一个频率特性分析仪器，使该仪器可以根据系统的开环增益函数，绘制出奈奎斯特图、伯德图幅度和伯德图相位，并显示其零点和极点。

具体的步骤如下：

(1)新建VI，在流程图上放置一个“While循环”，然后将条件端口结束条件设置为“真(T)是停止”，和“停止”控制按钮端子相连。

(2)按照路径 “Control Design” →“Model Construct”→“CD Construct Zero-Poles-Gain Model.vi”，在其输入端口创建输入控件，用于输入系统的零点、极点和增益；添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”模块， 对应输出端口创建显示控件，显示系统的传递函数。

(3)按路径“Control Design”→“Model Conversion ”→“CD Convert to Transfer Function Model.vi”，用于将零级点形式的传递函数转换为多项式形式。

(4)添加“CD Nyquist. vi”和“CD Bode.vi”函数，分别在他们对应的输出端创建显示控件，用于显示两种曲线。具体程序面板连线如图4所示。

图4 频域分析程序面板

前面板输入零点和极点以及增益，运行程序，显示结果如图5所示。

图5 频域分析前面板

3 频域特性分析仪的安装包功能

为了方便该频率分析仪在没有安装LabVIEW编程环境的计算机上使用，首先将该频率分析仪生成LabVIEW项目，接着生成为“.exe”应用程序后，最后生成安装程序模式，具体制作过程如下。

3.1 创建频率分析仪项目

打开频率分析仪，通过VI 的菜单，选择“文件”→“创建项目”，则将“频率分析仪.vi”添加到了所创建的项目中，将项目命名为“频率分析仪.lvproj”,如图6所示。

图6 频率分析仪项目

3.2 创建频率分析仪应用程序

在图6的“程序生成规范”处，点击右键，选择“新建”→“应用程序”，调出应用程序属性配置对话框。如图7所示，在对话框左侧的选项中可以对相关选项进行设置。在“信息”选项中设置“程序生成规范名称”、“目标目录”以及“程序生成规范说明”；在“源文件”选项中，将“频率分析仪.vi”导入“启动VI”目录下，其他选项默认不作修改，然后点击“生成”按钮，完成了应用程序的创建。

图7 应用程序属性设置界面“信息”选项页

3.3 创建频率分析仪安装程序

在图6的“程序生成规范”处，点击右键，选择“新建”→“安装程序”，调出安装程序配置对话框。如图8所示，在“源文件”对话框中，将刚才生成的“我的应用程序”添加到右侧的“目标视图”中，点击生成，弹出“生成状态”对话框，直到生成结束，点击“完成”按钮，至此创建了频率分析仪的安装程序。

图8 安装程序属性设置界面“源文件”选项页

用户找到所建应用程序和安装程序的位置，进入“我的安装程序”文件夹，点击“setup”，即可将该频率分析仪安装到任意一台没有LabVIEW的计算机上，方便用户使用。

4 结语

本设计充分利用LabVIEW图形文字更直观的特点，设计的频域特性分析仪可以进行自定义的界面修改，灵活地修改零点和极点的值，观察不同传递函数下奈奎斯特曲线和伯德图显示情况，教师可以在上课的过程中演示改程序，节省了很多手动画图以及计算的过程，使学生感性地认识到不同系统的频率特性差异。作者将该分析仪设计成了安装文件形式，可以方便用户在不安装LabVIEW的计算机上使用。