使用LabVIEW和CompactRIO实现动态反馈控制器

麻省理工学院(MIT)的反馈控制系统课程专注于使用经典的控制和状态空间技术设计和分析控制系统。此门课程向本科生和研究生开放，每年秋季大约招收20名学生。课程的一部分内容要求学生设计并实现一系列实验室模块中物理系统的翻转、俯冲和偏航控制器。学生使用根轨迹、Bode图和其他技术来设计经典的控制器，采用线性二次调节器(LQR)、线性二次型高斯(LQG)和动态输出反馈(DOFB)设计开发状态空间控制器。学生使用LabVIEW控制设计与仿真模块和LabVIEWMathScript RT模块实现状态反馈、状态估计和动态控制定律设计。学生通过模拟验证他们的控制器之后，使用CompactRIO、LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time模块部署他们的设计，来控制高度非线性的Quanser 3-自由度的直升机套件。　　

 　　图1. 学生使用LabVIEW和CompactRIO控制3-自由度的直升机

在2010学年的秋季，42名学生被分成3到4组在六个不同的硬件站完成了相关的实验。在过去的学期中我们所经历的最大的障碍之一就是如何正确的建立起所有站点。旧的解决方案需要我们在每学期开始时花费大量的时间排除连接故障并测试每个站点。将PC连接至外部数据采集模块需要多根电缆，这样使得处理过程复杂化;连接至放大器的电路板放大了Quanser套件的信号。使用CompactRIO 之后，所有传感器和传动装置的信号可通过单根以太网电缆传回至PC，从而简化了连接和安装步骤。　　

 　图2.利用LabVIEW控制设计与仿真模块和LabVIEW MathScript RT模块设计动态输出反馈控制器

        课程同时也广泛地使用了计算机辅助控制设计工具。学生设计基于硬件模型的控制器，保证了闭环系统的稳定，同时也满足了所有的设计要求。先前建立在MathWorks, Inc. Simulink®软件上的框架并没有给学生提供诊断工具，使得他们无法在硬件上部署控制器前进行测试;而大多数的测试都由学生自行采用MathWorks, Inc.MATLAB®软件来完成。由此，实验室中会花费大量的时间来实现不需要硬件的功能，如对控制器设计的诊断。LabVIEW控制设计与仿真以及LabVIEW MathScript的RT模块都是分析线性模型并协助学生设计控制器的有用工具。　　

 　　图3. (a) 仿真系统, (b) Real- World I/O – 单触发把仿真切换至实际

在整个学期中，我们介绍了如何利用频域技术(如Bode和Nyquist图) 和状态空间技术(如通过LQR设计的调节器和通过LQE设计的估计器)来开发内层和外层的循环控制器。与过去不同，LabVIEW 前面板通过3D图像控件提供了有用的可视化效果，并显示所有的信号信息，为学生诊断控制器和更新控制器设计提供了便利。实际套件的 3D图像非常有用，学生可以并排比较模拟与现实系统，查看它们的相关性。得益于此，我们有效地展示了难以描述的模型不确定性概念，并引进了设计强大控制器的方法，用以弥补建模误差。

除了LabVIEW 在完整的模拟系统内可以灵活调整控制器之外，使用LabVIEW和CompactRIO 最大的好处是可以直观、方便地在模拟和现实之间相互切换。学生可以模拟验证自己的控制器，然后立即将它们部署至CompactRIO，通过调整前面板控件来控制直升机。由于仿真结构与硬件匹配度非常高，所以通过模拟可以很好地预测硬件是否会成功，减少所需的硬件测试量。这对管理大班实验室十分有效，因为可用的实验时间十分宝贵。

 　　图4. 3-自由度装置前面板(上)和结构图(下)

LabVIEW和CompactRIO 的组合除了可以吸引学生的兴趣之外，已经被证明可以有效的验证控制理论和设计方法。交互式的LabVIEW前面板提供了一种简便的方法来可视化系统;;当调试控制器时，原理框图中探测信号的能力会十分有用。随着学期的进展，学生在修改LabVIEW代码以满足他们的需要时感觉越来越得心应手。在课程项目最后一部分中，几个学生设计了自己的VI，实现了多输入多输出(MIMO) 控制器设计。在学期末时，我们发现很多学生利用业余时间参加了我们的课外竞赛，竞赛中要求直升机会自主越过一个虚拟障碍跑道。在学期结束时，许多学生颇有兴趣的想将LabVIEW运用到MIT其他项目中，主动地与课程工作人员进行了接洽。