麻省理工學(xué)院(M.I.T)學(xué)生使用LabVIEW和CompactRIO設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器
2012-08-15
圖1. 學(xué)生使用LabVIEW和CompactRIO控制3-自由度的直升機(jī)
"總的來說,，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LabVIEW前面板上的切換開關(guān)即可實(shí)現(xiàn),。
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)期開始時(shí)花費(fèi)大量的時(shí)間排除連接故障并測試每個(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)可通過單根以太網(wǎng)電纜傳回至PC,，從而簡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®軟件上的框架并沒有給學(xué)生提供診斷工具,，使得他們無法在硬件上部署控制器前進(jìn)行測試,；而大多數(shù)的測試都由學(xué)生自行采用MathWorks, Inc. MATLAB®軟件來完成,。 由此，實(shí)驗(yàn)室中會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間來實(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LQR設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器和通過LQE設(shè)計(jì)的估計(jì)器）來開發(fā)內(nèi)層和外層的循環(huán)控制器,。 與過去不同，LabVIEW前面板通過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,。
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,，通過調(diào)整前面板控件來控制直升機(jī),。 由于仿真結(jié)構(gòu)與硬件匹配度非常高，所以通過模擬可以很好地預(yù)測硬件是否會(huì)成功,，減少所需的硬件測試量,。 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便的方法來可視化系統(tǒng),；當(dāng)調(diào)試控制器時(shí),，原理框圖中探測信號(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)感覺越來越得心應(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賽，競賽中要求直升機(jī)會(huì)自主越過一個(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,。