《電子技術(shù)應(yīng)用》
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麻省理工學(xué)院(M.I.T)學(xué)生使用LabVIEW和CompactRIO設(shè)計并實現(xiàn)了動態(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

"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)計進(jìn)程,。"

- Professor Jonathan How, Massachusetts Institute of Technology

The Challenge:
給學(xué)生提供實際硬件控制設(shè)計的工具,,包括原型設(shè)計和控制器驗證的仿真環(huán)境,,幫助學(xué)生克服從理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵺`的挑戰(zhàn)。

The Solution:
將NI LabVIEW軟件和CompactRIO硬件作為控制平臺,,模擬設(shè)計控制器原型,,并將該原型應(yīng)用到實際硬件上。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組在六個不同的硬件站完成了相關(guān)的實驗,。  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,。 舊的解決方案需要我們在每學(xué)期開始時花費大量的時間排除連接故障并測試每個站點,。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,。  使用CompactRIO之后,所有傳感器和傳動裝置的信號可通過單根以太網(wǎng)電纜傳回至PC,,從而簡化了連接和安裝步驟,。

課程同時也廣泛地使用了計算機輔助控制設(shè)計工具,。  學(xué)生設(shè)計基于硬件模型的控制器,,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定,同時也滿足了所有的設(shè)計要求,。 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,,實驗室中會花費大量的時間來實現(xiàn)不需要硬件的功能,如對控制器設(shè)計的診斷,。 LabVIEW控制設(shè)計與仿真以及LabVIEW MathScript的RT模塊都是分析線性模型并協(xié)助學(xué)生設(shè)計控制器的有用工具,。

在整個學(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)計的調(diào)節(jié)器和通過LQE設(shè)計的估計器)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,并顯示所有的信號信息,,為學(xué)生診斷控制器和更新控制器設(shè)計提供了便利,。  實際套件的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)計強大控制器的方法,,用以彌補建模誤差。

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)實之間相互切換。  學(xué)生可以模擬驗證自己的控制器,,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。  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)測硬件是否會成功,,減少所需的硬件測試量,。 這對管理大班實驗室十分有效,因為可用的實驗時間十分寶貴,。

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證控制理論和設(shè)計方法。  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,,原理框圖中探測信號的能力會十分有用。 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感覺越來越得心應(yīng)手,。  在課程項目最后一部分中,幾個學(xué)生設(shè)計了自己的VI,,實現(xiàn)了多輸入多輸出(MIMO)控制器設(shè)計,。  在學(xué)期末時,我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生利用業(yè)余時間參加了我們的課外競賽,,競賽中要求直升機會自主越過一個虛擬障礙跑道,。  在學(xué)期結(jié)束時,許多學(xué)生頗有興趣的想將LabVIEW運用到MIT其他項目中,,主動地與課程工作人員進(jìn)行了接洽,。

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