"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)。
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)計和分析控制系統(tǒng)。 此門課程向本科生和研究生開放，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)計并實現(xiàn)一系列實驗室模塊中物理系統(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)來設(shè)計經(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）和動態(tài)輸出反饋（DOFB）設(shè)計開發(fā)狀態(tài)空間控制器。 學(xué)生使用LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊 和LabVIEW MathScript RT模塊實現(xiàn)狀態(tài)反饋、狀態(tài)估計和動態(tài)控制定律設(shè)計。 學(xué)生通過模擬驗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，來控制高度非線性的Quanser 3-自由度的直升機套件。
圖1. 學(xué)生使用 LabVIEW和 CompactRIO控制3-自由度的直 升機
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，并引進了設(shè)計強大控制器的方法，用以彌補建模誤差。
圖2.利用 LabVIEW控制 設(shè)計與仿真模塊 和 LabVIEW MathScript RT模塊設(shè)計動態(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行了接洽。
