"總的來說，LabVIEW框架提供給學生更大的自由度，使他們(men) 能夠更好地掌控硬件控製器設計進程。" – Professor Jonathan How, Massachusetts Institute of Technology

The Challenge:

給學生提供實際硬件控製設計的工具，包括原型設計和控製器驗證的仿真環境，幫助學生克服從(cong) 理論轉變為(wei) 實踐的挑戰。

The Solution:

將NI LabVIEW軟件和CompactRIO硬件作為(wei) 控製平台，模擬設計控製器原型，並將該原型應用到實際硬件上。利用統一的軟件架構可以輕鬆地幫助學生實現從(cong) 仿真環境到物理硬件的轉換，僅(jin) 僅(jin) 通過LabVIEW前麵板上的切換開關(guan) 即可實現。

麻省理工學院（MIT）的反饋控製係統課程專(zhuan) 注於(yu) 使用經典的控製和狀態空間技術設計和分析控製係統。 此門課程向本科生和研究生開放，每年秋季大約招收20名學生。 課程的一部分內(nei) 容要求學生設計並實現一係列實驗室模塊中物理係統的翻轉、俯衝(chong) 和偏航控製器。 學生使用根軌跡、Bode圖和其他技術來設計經典的控製器，采用線性二次調節器（LQR）、線性二次型高斯（LQG）和動態輸出反饋（DOFB）設計開發狀態空間控製器。 學生使用LabVIEW控製設計與(yu) 仿真模塊 和LabVIEW MathScript RT模塊實現狀態反饋、狀態估計和動態控製定律設計。 學生通過模擬驗證他們(men) 的控製器之後，使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time模塊部署他們(men) 的設計，來控製高度非線性的Quanser 3-自由度的直升機套件。

圖1. 學生使用 LabVIEW和 CompactRIO控製3-自由度的直 升機

在2010學年的秋季，42名學生被分成3到4組在六個(ge) 不同的硬件站完成了相關(guan) 的實驗。 在過去的學期中我們(men) 所經曆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(jue) 方案需要我們(men) 在每學期開始時花費大量的時間排除連接故障並測試每個(ge) 站點。將PC連接至外部數據采集模塊需要多根電纜，這樣使得處理過程複雜化；連接至放大器的電路板放大了Quanser套件的信號。 使用CompactRIO之後，所有傳(chuan) 感器和傳(chuan) 動裝置的信號可通過單根以太網電纜傳(chuan) 回至PC，從(cong) 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製設計工具。 學生設計基於(yu) 硬件模型的控製器，保證了閉環係統的穩定，同時也滿足了所有的設計要求。 先前建立在MathWorks, Inc. Simulink®軟件上的框架並沒有給學生提供診斷工具，使得他們(men) 無法在硬件上部署控製器前進行測試；而大多數的測試都由學生自行采用MathWorks, Inc. MATLAB®軟件來完成。 由此，實驗室中會(hui) 花費大量的時間來實現不需要硬件的功能，如對控製器設計的診斷。 LabVIEW控製設計與(yu) 仿真以及LabVIEW MathScript的RT模塊都是分析線性模型並協助學生設計控製器的有用工具。

在整個(ge) 學期中，我們(men) 介紹了如何利用頻域技術（如Bode和Nyquist圖）和狀態空間技術（如通過LQR設計的調節器和通過LQE設計的估計器）來開發內(nei) 層和外層的循環控製器。 與(yu) 過去不同，LabVIEW前麵板通過3D圖像控件提供了有用的可視化效果，並顯示所有的信號信息，為(wei) 學生診斷控製器和更新控製器設計提供了便利。 實際套件的3D圖像非常有用，學生可以並排比較模擬與(yu) 現實係統，查看它們(men) 的相關(guan) 性。 得益於(yu) 此，我們(men) 有效地展示了難以描述的模型不確定性概念，並引進了設計強大控製器的方法，用以彌補建模誤差。
 

圖2.利用 LabVIEW控製 設計與(yu) 仿真模塊 和 LabVIEW MathScript RT模塊設計動態輸 出反饋控製器

圖3. (a) 仿 真係統, (b) Real- World I/O – 單觸發 把仿真切換至實際

圖4. 3-自由度 裝置前麵板（上）和 結構圖（下）

除了LabVIEW在完整的模擬係統內(nei) 可以靈活調整控製器之外，使用LabVIEW和CompactRIO最大的好處是可以直觀、方便地在模擬和現實之間相互切換。 學生可以模擬驗證自己的控製器，然後立即將它們(men) 部署至CompactRIO，通過調整前麵板控件來控製直升機。 由於(yu) 仿真結構與(yu) 硬件匹配度非常高，所以通過模擬可以很好地預測硬件是否會(hui) 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(wei) 可用的實驗時間十分寶貴。

LabVIEW和CompactRIO的組合除了可以吸引學生的興(xing) 趣之外，已經被證明可以有效的驗證控製理論和設計方法。 交互式的LabVIEW前麵板提供了一種簡便的方法來可視化係統；當調試控製器時，原理框圖中探測信號的能力會(hui) 十分有用。 隨著學期的進展，學生在修改LabVIEW代碼以滿足他們(men) 的需要時感覺越來越得心應手。 在課程項目最後一部分中，幾個(ge) 學生設計了自己的VI，實現了多輸入多輸出（MIMO）控製器設計。 在學期末時，我們(men) 發現很多學生利用業(ye) 餘(yu) 時間參加了我們(men) 的課外競賽，競賽中要求直升機會(hui) 自主越過一個(ge) 虛擬障礙跑道。 在學期結束時，許多學生頗有興(xing) 趣的想將LabVIEW運用到MIT其他項目中，主動地與(yu) 課程工作人員進行了接洽