"總的來(lái)說(shuō)，LabVIEW框架提供給學(xué)生更大的自由度，使他們能夠更好地掌控硬件控制器設(shè)計(jì)進(jìn)程。" – Professor Jonathan How, Massachusetts Institute of Technology
The Challenge:
給學(xué)生提供實(shí)際硬件控制設(shè)計(jì)的工具，包括原型設(shè)計(jì)和控制器驗(yàn)證的仿真環(huán)境，幫助學(xué)生克服從理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐的挑戰(zhàn)。
The Solution:
將NI LabVIEW軟件和CompactRIO硬件作為控制平臺(tái)，模擬設(shè)計(jì)控制器原型，并將該原型應(yīng)用到實(shí)際硬件上。利用統(tǒng)一的軟件架構(gòu)可以輕松地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從仿真環(huán)境到物理硬件的轉(zhuǎn)換，僅僅通過(guò)LabVIEW前面板上的切換開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)。
麻省理工學(xué)院（MIT）的反饋控制系統(tǒng)課程專注于使用經(jīng)典的控制和狀態(tài)空間技術(shù)設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)。 此門(mén)課程向本科生和研究生開(kāi)放，每年秋季大約招收20名學(xué)生。 課程的一部分內(nèi)容要求學(xué)生設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一系列實(shí)驗(yàn)室模塊中物理系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)、俯沖和偏航控制器。 學(xué)生使用根軌跡、Bode圖和其他技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)經(jīng)典的控制器，采用線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）、線性二次型高斯（LQG）和動(dòng)態(tài)輸出反饋（DOFB）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)狀態(tài)空間控制器。 學(xué)生使用LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊 和LabVIEW MathScript RT模塊實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋、狀態(tài)估計(jì)和動(dòng)態(tài)控制定律設(shè)計(jì)。 學(xué)生通過(guò)模擬驗(yàn)證他們的控制器之后，使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time模塊部署他們的設(shè)計(jì)，來(lái)控制高度非線性的Quanser 3-自由度的直升機(jī)套件。
圖1. 學(xué)生使用 LabVIEW和 CompactRIO控制3-自由度的直 升機(jī)
在2010學(xué)年的秋季，42名學(xué)生被分成3到4組在六個(gè)不同的硬件站完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。 在過(guò)去的學(xué)期中我們所經(jīng)歷的最大的障礙之一就是如何正確的建立起所有站點(diǎn)。 舊的解決方案需要我們?cè)诿繉W(xué)期開(kāi)始時(shí)花費(fèi)大量的時(shí)間排除連接故障并測(cè)試每個(gè)站點(diǎn)。將PC連接至外部
數(shù)據(jù)采集模塊需要多根電纜，這樣使得處理過(guò)程復(fù)雜化；連接至放大器的電路板放大了Quanser套件的信號(hào)。 使用CompactRIO之后，所有傳感器和傳動(dòng)裝置的信號(hào)可通過(guò)單根以太網(wǎng)電纜傳回至PC，從而簡(jiǎn)化了連接和安裝步驟。
課程同時(shí)也廣泛地使用了計(jì)算機(jī)輔助控制設(shè)計(jì)工具。 學(xué)生設(shè)計(jì)基于硬件模型的控制器，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)也滿足了所有的設(shè)計(jì)要求。 先前建立在MathWorks, Inc. Simulink?軟件上的框架并沒(méi)有給學(xué)生提供診斷工具，使得他們無(wú)法在硬件上部署控制器前進(jìn)行測(cè)試；而大多數(shù)的測(cè)試都由學(xué)生自行采用MathWorks, Inc. MATLAB?軟件來(lái)完成。 由此，實(shí)驗(yàn)室中會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)不需要硬件的功能，如對(duì)控制器設(shè)計(jì)的診斷。 LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真以及LabVIEW MathScript的RT模塊都是分析線性模型并協(xié)助學(xué)生設(shè)計(jì)控制器的有用工具。
在整個(gè)學(xué)期中，我們介紹了如何利用頻域技術(shù)（如Bode和Nyquist圖）和狀態(tài)空間技術(shù)（如通過(guò)LQR設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器和通過(guò)LQE設(shè)計(jì)的估計(jì)器）來(lái)開(kāi)發(fā)內(nèi)層和外層的循環(huán)控制器。 與過(guò)去不同，LabVIEW前面板通過(guò)3D圖像控件提供了有用的可視化效果，并顯示所有的信號(hào)信息，為學(xué)生診斷控制器和更新控制器設(shè)計(jì)提供了便利。 實(shí)際套件的3D圖像非常有用，學(xué)生可以并排比較模擬與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，查看它們的相關(guān)性。 得益于此，我們有效地展示了難以描述的模型不確定性概念，并引進(jìn)了設(shè)計(jì)強(qiáng)大控制器的方法，用以彌補(bǔ)建模誤差。
圖2.利用 LabVIEW控制 設(shè)計(jì)與仿真模塊 和 LabVIEW MathScript RT模塊設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)輸 出反饋控制器
圖3. (a) 仿 真系統(tǒng), (b) Real- World I/O – 單觸發(fā) 把仿真切換至實(shí)際
圖4. 3-自由度 裝置前面板（上）和 結(jié)構(gòu)圖（下）
除了LabVIEW在完整的模擬系統(tǒng)內(nèi)可以靈活調(diào)整控制器之外，使用LabVIEW和CompactRIO最大的好處是可以直觀、方便地在模擬和現(xiàn)實(shí)之間相互切換。 學(xué)生可以模擬驗(yàn)證自己的控制器，然后立即將它們部署至CompactRIO，通過(guò)調(diào)整前面板控件來(lái)控制直升機(jī)。 由于仿真結(jié)構(gòu)與硬件匹配度非常高，所以通過(guò)模擬可以很好地預(yù)測(cè)硬件是否會(huì)成功，減少所需的硬件測(cè)試量。 這對(duì)管理大班實(shí)驗(yàn)室十分有效，因?yàn)榭捎玫膶?shí)驗(yàn)時(shí)間十分寶貴。
LabVIEW和CompactRIO的組合除了可以吸引學(xué)生的興趣之外，已經(jīng)被證明可以有效的驗(yàn)證控制理論和設(shè)計(jì)方法。 交互式的LabVIEW前面板提供了一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)可視化系統(tǒng)；當(dāng)調(diào)試控制器時(shí)，原理框圖中探測(cè)信號(hào)的能力會(huì)十分有用。 隨著學(xué)期的進(jìn)展，學(xué)生在修改LabVIEW代碼以滿足他們的需要時(shí)感覺(jué)越來(lái)越得心應(yīng)手。 在課程項(xiàng)目最后一部分中，幾個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)了自己的VI，實(shí)現(xiàn)了多輸入多輸出（MIMO）控制器設(shè)計(jì)。 在學(xué)期末時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間參加了我們的課外競(jìng)賽，競(jìng)賽中要求直升機(jī)會(huì)自主越過(guò)一個(gè)虛擬障礙跑道。 在學(xué)期結(jié)束時(shí)，許多學(xué)生頗有興趣的想將LabVIEW運(yùn)用到MIT其他項(xiàng)目中，主動(dòng)地與課程工作人員進(jìn)行了接洽。
