圖1. 學生使用LabVIEW和CompactRIO控制3-自由度的直升機

    "總的來說，LabVIEW框架提供給學生更大的自由度，使他們能夠更好地掌控硬件控制器設計進程。"

　　-Professor Jonathan How,Massachusetts Institute of Technology

　　The Challenge:

　　給學生提供實際硬件控制設計的工具，包括原型設計和控制器驗證的仿真環境，幫助學生克服從理論轉變為實踐的挑戰。

　　The Solution:

　　將NILabVIEW軟件和CompactRIO硬件作為控制平臺，模擬設計控制器原型，并將該原型應用到實際硬件上。利用統一的軟件架構可以輕松地幫助學生實現從仿真環境到物理硬件的轉換，僅僅通過LabVIEW前面板上的切換開關即可實現。

　　Author(s):

　　Professor Jonathan How-Massachusetts Institute of Technology

　　Professor Emilio Frazzoli-Massachusetts Institute of Technology

　　Brandon Luders-Massachusetts Institute of Technology

　　麻省理工學院（MIT）的反饋控制系統課程專注于使用經典的控制和狀態空間技術設計和分析控制系統。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。課程的一部分內容要求學生設計并實現一系列實驗室模塊中物理系統的翻轉、俯沖和偏航控制器。學生使用根軌跡、Bode圖和其他技術來設計經典的控制器，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制器。學生使用LabVIEW控制設計與仿真模塊和LabVIEWMathScriptRT模塊實現狀態反饋、狀態估計和動態控制定律設計。學生通過模擬驗證他們的控制器之后，使用CompactRIO、LabVIEWFPGA和LabVIEWReal-Time模塊部署他們的設計，來控制高度非線性的Quanser3-自由度的直升機套件。

　　在2010學年的秋季，42名學生被分成3到4組在六個不同的硬件站完成了相關的實驗。在過去的學期中我們所經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連接至外部數據采集模塊需要多根電纜，這樣使得處理過程復雜化；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計工具。學生設計基于硬件模型的控制器，保證了閉環系統的穩定，同時也滿足了所有的設計要求。先前建立在MathWorks,Inc.Simulink®è»Ÿä»¶ä¸Šçš„框架并沒有給學生提供診斷工具，使得他們無法在硬件上部署控制器前進行測試；而大多數的測試都由學生自行采用MathWorks,Inc.MATLAB®è»Ÿä»¶ä¾†å®Œæˆã€‚由此，實驗室中會花費大量的時間來實現不需要硬件的功能，如對控制器設計的診斷。LabVIEW控制設計與仿真以及LabVIEWMathScriptçš„RT模塊都是分析線性模型并協助學生設計控制器的有用工具。

　　在整個學期中，我們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）來開發內層和外層的循環控制器。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，為學生診斷控制器和更新控制器設計提供了便利。實際套件的3D圖像非常有用，學生可以并排比較模擬與現實系統，查看它們的相關性。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在完整的模擬系統內可以靈活調整控制器之外，使用LabVIEW和CompactRIO最大的好處是可以直觀、方便地在模擬和現實之間相互切換。學生可以模擬驗證自己的控制器，然后立即將它們部署至CompactRIO，通過調整前面板控件來控制直升機。由于仿真結構與硬件匹配度非常高，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生的興趣之外，已經被證明可以有效的驗證控制理論和設計方法。交互式的LabVIEW前面板提供了一種簡便的方法來可視化系統；當調試控制器時，原理框圖中探測信號的能力會十分有用。隨著學期的進展，學生在修改LabVIEW代碼以滿足他們的需要時感覺越來越得心應手。在課程項目最后一部分中，幾個學生設計了自己的VI，實現了多輸入多輸出（MIMO）控制器設計。在學期末時，我們發現很多學生利用業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。在學期結束時，許多學生頗有興趣的想將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。