从 课 堂 到 项 目 研 究 的 即 学 即 用 信 号 处 理 与 控 制 理 论 教 学 National Instruments 2008 高 校 巡 回 研 讨 会
专 题 议 程 信 号 处 理 教 学 LabVIEW 信 号 处 理 在 教 学 实 践 中 的 应 用 控 制 理 论 教 学 让 学 生 设 计 并 实 现 一 个 真 实 的 控 制 系 统 2
专 题 议 程 信 号 处 理 教 学 LabVIEW 信 号 处 理 在 教 学 实 践 中 的 应 用 控 制 理 论 教 学 让 学 生 设 计 并 实 现 一 个 真 实 的 控 制 系 统 3
LabVIEW 强 大 的 信 号 处 理 分 析 能 力 内 置 1000 多 个 信 号 处 理 分 析 与 数 学 运 算 函 数 频 域 分 析 信 号 生 成 数 学 计 算 曲 线 拟 合 插 值 等 多 个 面 向 特 定 应 用 的 工 具 包 基 于 文 本 的 数 学 运 算 (MathScript) 与 数 学 分 析 标 准 软 件 的 接 口 4
LabVIEW 内 置 的 数 学 与 信 号 处 理 函 数 5
LabVIEW 内 置 的 数 学 函 数 数 学 工 具 包 线 性 代 数, 矩 阵 运 算, 标 准 BLAS 库 曲 线 拟 合, 非 线 形 带 限 拟 合, 置 信 区 间 微 积 分 运 算, 微 分 方 程 组 (ODE) 计 算 多 维 函 数 优 化,LP, LM, Pade, Chebyshev 等 多 种 方 法 概 率 与 统 计, 包 括 Covariance, CDF, PDF, ANOVA, Hypotheses 等 方 法 计 算 1D&2D 插 值,Hermite, Spline, Lagrange, Rational 插 值 6
LabVIEW 内 置 的 信 号 处 理 函 数 信 号 处 理 工 具 包 常 用 滤 波 器 设 计,IIR, FIR 滤 波 器 设 计 频 谱 分 析 各 种 窗 设 计 FFT 变 换,Z 变 换,DCT,DST 变 换, 以 及 相 应 反 变 换 信 号 调 理, 卷 积, 缩 放, 归 一, 重 采 样 等 逐 点 运 算 7
更 多 的 LabVIEW 工 具 包 高 级 信 号 处 理 工 具 包 (ASPT) 联 合 时 频 分 析 (JTFA) STFT, Gabor 等 谱 分 析, 时 变 滤 波 器 设 计 小 波 分 析 离 散 连 续 小 波 变 换, 特 征 提 取, 去 噪 去 趋 势 时 间 序 列 分 析 相 关 性 与 多 通 道 谱 分 析,ARMA 建 模, 熵,ICA,PCA 8
使 用 ASPT 中 的 时 变 滤 波 器 分 辨 虎 鲸 的 声 音 Demo 9
更 多 的 LabVIEW 工 具 包 滤 波 器 设 计 工 具 包 IIR, FIR, Special filter 设 计 ( 陷 波 梳 状 滤 波 器 等 ) 滤 波 器 特 性 分 析, 相 频 响 应 等 滤 波 器 结 构 变 换, 级 联 转 换, 参 数 均 衡 多 速 率 滤 波 器 (MultiRatefilter) 设 计 与 分 析 定 点 滤 波 器 设 计 与 转 换, 可 自 动 生 成 代 码 并 移 植 入 CRIO 中 的 FPGA 模 块 10
更 多 的 LabVIEW 工 具 包 自 适 应 滤 波 器 设 计 工 具 包 (Adaptive Filter) LMS, Filter-X LMS, RLS 算 法 自 适 应 噪 声 消 除, 回 声 消 除 自 适 应 信 道 均 衡, 系 统 辨 识 自 适 应 线 性 预 测 (Linear Prediction) 定 点 滤 波 器 FPGA 实 现 Demo 11
更 多 的 LabVIEW 工 具 包 调 制 工 具 包 声 音 与 振 动 分 析 工 具 包 阶 次 分 析 工 具 包 频 谱 测 量 工 具 包 控 制 设 计 与 仿 真 工 具 包 系 统 辨 识 工 具 包 PID 控 制 工 具 包 模 型 信 噪, 道 声, 比 编 星 特 码 字, 发 座 调 调 生 图, 制 比 眼 测 调 特 图 量 误, 信 码 相 道 率 位 模, 调 制 解 工 具 包 Zoom 拟 数 / 制 解 / 失 过 频 权 真 限 或 振 度 测 者 动, 试 权 级 倍 重 瞬 声 频 瀑 态 级 程 布 时 分 频 图 域 率 积 测 分 量 弦 加 扫 声 音 振 动 分 析 工 具 包,,,,,,,,, 析 正, 功 率, 频 谱 测 量 工 具 包 FFT, 单 频 带 检 内 测 功 率, 邻 道 信 阶 次 图 号 次 分 极 处 跟 析 坐 理 踪 标 阶 图 阶 瀑 次 次 布 谱 波 提 图 特 选 图 轴 取 心 转 线 轨 速 阶 迹 阶 次 分 析 工 具 包,,,,, /,, 取 在, 12
MathScript -LabVIEW 下 强 大 的 文 本 编 程 方 式 Demo LabVIEW 中 内 置 的 文 本 数 学 语 言, 提 供 900 多 个 数 学 信 号 处 理 函 数 可 与 LabVIEW 图 形 化 编 程 结 合 兼 容 m 文 件 脚 本 语 法 和 对 矩 阵 的 操 作, 可 以 重 用 m-script 代 码 并 验 证 算 法 交 互 式 的 图 形 化 用 户 界 面 快 速 的 硬 件 实 现 与 原 型 化 13
LabVIEW 信 号 处 理 在 教 学 实 践 中 的 应 用 生 动 形 象 的 演 绎 理 论 原 理 革 新 黑 板 板 书 及 传 统 书 本 式 理 论 教 学 14
超 越 课 堂 黑 板 的 教 学 方 式 图 形 化 的 编 程 方 式 形 象 生 动 的 解 释 理 论 直 观 的 用 户 界 面 和 交 互 性 实 时 修 改 参 数 并 显 示 结 果 大 量 的 内 置 函 数 以 及 现 成 控 件 帮 助 课 件 界 面 的 快 速 开 发 LabVIEW 改 变 了 传 递 信 息 的 教 学 媒 介 全 新 的 教 学 模 式 全 新 的 知 识 接 受 模 式 15
案 例 : 超 越 黑 板 的 理 论 演 绎 与 呈 现 西 安 交 通 大 学 信 息 与 通 信 工 程 系 典 型 的 理 论 课 程 : 信 号 与 系 统 数 字 信 号 处 理 通 过 LabVIEW 图 形 化 开 发 环 境, 将 两 门 纯 粹 的 理 论 课 讲 解 的 生 动 形 象, 加 深 了 学 生 的 理 解 16
案 例 : 超 越 黑 板 的 理 论 演 绎 与 呈 现 大 庆 石 油 学 院 - 电 气 信 息 工 程 学 院 虚 拟 通 讯 原 理 实 验 室 信 号 处 理 基 础 实 验 通 讯 调 制 仿 真 实 验 研 讨 性 实 验 小 游 戏 17
案 例 : 超 越 黑 板 的 理 论 演 绎 与 呈 现 Signal Processing Lab 灵 活 的 编 程 方 式 实 现 课 件 的 针 对 性 通 过 LabVIEW 强 大 的 集 成 函 数 库, 让 教 师 的 课 件 制 作 更 快 速 也 更 有 针 对 性 Demo 18
专 题 议 程 信 号 处 理 教 学 LabVIEW 信 号 处 理 在 教 学 实 践 中 的 应 用 控 制 理 论 教 学 让 学 生 设 计 并 实 现 一 个 真 实 的 控 制 系 统 19
常 见 的 控 制 类 课 程 动 态 系 统 建 模 自 动 控 制 经 典 / 现 代 控 制 理 论 概 念 多, 课 程 任 务 紧! Laplace 变 换 ; 传 递 函 数 和 瞬 态 响 应 ;( 机 械 电 气 电 机 ) 状 态 空 间 建 模 和 瞬 态 响 应 ; 频 率 响 应 ;Bode 图 和 Nyquist 图 ; Root Locus; 控 制 系 统 综 合 20
LabVIEW 与 理 论 课 程 的 结 合 用 于 建 模 设 计 和 仿 真 的 LabVIEW 平 台 设 计 工 具 建 模 与 仿 真 工 具 Control Design Toolkit System ID Toolkit Simulation Module Mathscript Simulation Interface Toolkit LabVIEW 图 形 化 开 发 环 境 State Diagram Toolkit 模 型 表 达, 特 性 分 析 形 象 而 交 互 式 的 诠 释 理 论 建 模 : 系 统 辨 识 及 建 模 设 计 : 控 制 系 统 的 设 计 分 析 : 波 特 图, 零 极 点 图, Nyquist 图, 根 轨 迹 图 仿 真 : 连 续 时 间 仿 真 21
通 过 LabVIEW 进 行 系 统 辨 识 与 建 模 数 据 预 处 理 下 采 样, 趋 势 移 除, 信 号 分 割, 滤 波 参 数 模 型 估 计 模 型 验 证 模 型 表 达 波 特 图, 零 极 点 图, Nyquist 图 模 型 转 换 非 参 数 模 型 估 计 模 型 管 理 22
通 过 LabVIEW 进 行 控 制 设 计 模 型 构 建 模 型 转 换 在 状 态 空 间, 传 递 函 数, 离 散 以 及 连 续 模 型 之 间 转 换 模 型 互 连 模 型 降 阶 时 间 响 应 特 性 频 率 响 应 特 性 波 特 图, Nyquist, 动 态 特 性 根 轨 迹 图, 零 极 点 图, 稳 定 性 分 析 状 态 空 间 模 型 分 析 基 于 状 态 反 馈 的 设 计 状 态 空 间 控 制 器, 极 点 放 置... Kalman 滤 波 Demo 23
LabVIEW 进 行 控 制 设 计 的 优 势 通 过 执 行 VI, 可 以 直 接 在 实 时 处 理 器 上 实 现 控 制 原 型 和 硬 件 发 布 执 行 VI 可 以 用 于 : LabVIEW 实 时 模 块 ( 包 括 定 时 循 环 功 能 ) LabVIEW 嵌 入 式 项 目 执 行 VI 24
通 过 LabVIEW 进 行 仿 真 微 分 方 程 解 算 器 RK 1-4;23;45, BDF, Adams-Moulton 线 性 系 统 积 分, 微 分, 传 递 函 数, 状 态 空 间, 零 点 - 极 点 - 增 益 (ZPK) 非 线 性 系 统 摩 擦, 饱 和, 死 区 离 散 系 统 积 分, 零 阶 保 持, 传 递 函 数, 信 号 产 生 Chirp, Pulse, Ramp, Sine 信 号 运 算 增 益, 叠 加, 相 乘 查 找 表 Demo 其 他 工 具 信 号 收 集 器, 仿 真 参 数, 暂 停 仿 真 图 表 工 具 25
LabVIEW 进 行 仿 真 的 优 势 能 够 支 持 从 仿 真 到 实 时 系 统 运 行 的 完 整 过 程 在 仿 真 或 控 制 系 统 运 行 时, 通 过 LabVIEW 用 户 界 面 交 互 式 的 改 变 或 观 察 参 数 LabVIEW 仿 真 模 块 可 以 和 任 何 LabVIEW 函 数 或 结 构 一 起 使 用 : 集 成 设 计 和 仿 真, 批 量 仿 真 支 持 DAQ, RIO, vision, 或 CAN 等 硬 件 I/O 易 于 创 建 并 行 或 多 速 率 的 仿 真 和 控 制 循 环 26
LabVIEW 与 控 制 类 课 程 结 合 的 实 例 上 海 交 通 大 学 中 南 大 学 机 械 与 动 力 学 院 机 械 学 院 ME360: 动 态 系 统 建 模 学 时 数 :54, 必 修 课 ( 第 5 学 期 ) ME461: 自 动 控 制 学 时 数 :54, 必 修 课 ( 第 6 学 期 ) Numerator DenominatorSISO Bode Diagram of Gc(s)G(s) TF 经 典 控 制 理 论 - 基 于 LabVIEW 的 控 制 原 理 演 示 平 台 质 量 - 弹 簧 - 阻 尼 系 统 液 压 随 动 系 统 球 杆 系 统 27
让 学 生 设 计 并 实 现 一 个 真 实 的 控 制 系 统 设 计 工 具 建 模 与 仿 真 工 具 Control Design Toolkit System ID Toolkit Simulation Module Mathscript Simulation Interface Toolkit LabVIEW 图 形 化 开 发 环 境 模 型 下 载 State Diagram Toolkit LabVIEW Real-Time Targets LabVIEW FPGA PXI crio, cfp PCI RIO/DAQ Boards 28
开 发 一 个 控 制 系 统 来 自 动 定 位 开 体 泥 驳 船 应 用 : 建 立 一 个 控 制 系 统 以 保 持 船 只 在 一 个 设 定 的 位 置 29
DC 电 机 控 制 NI 9505 电 机 驱 动 模 块 以 太 网 线 直 接 连 接 到 NI 9505 电 机 驱 动 模 块 内 置 的 积 分 编 码 器 (512 CPR) MicroMo 3242 Brushed DC Motor 30
控 制 器 设 计 流 程 Plant Model Development Plant parameters Mathematical model System identification with I/O Online system identification Plant Analysis Observability/controllability Stability Time and frequency response Controller Design Classical control State-space control and estimation Model predictive control Nonlinear, adaptive, hybrid control Implementation Code portability from simulation to deployment Deploy to RT, FPGA, upc, SBC, PCs Any bus, any signal, any I/O Controller Simulation and Validation Feasibility Design optimization 3D visualization Solvers custom or standard Real-time prototyping 31
演 示 : DC 电 机 控 制 NI 9505 电 机 驱 动 模 块 以 太 网 线 直 接 连 接 到 NI 9505 电 机 驱 动 模 块 内 置 的 积 分 编 码 器 (512 CPR) MicroMo 3242 Brushed DC Motor 32
1. 系 统 建 模 选 择 A 数 学 建 模 LabVIEW 开 发 系 统 Control Design 工 具 包 H(s) = 角 速 度 ω( s) V( s) K JRs+ K 输 入 电 压 2 = 选 择 B 系 统 辨 识 LabVIEW 开 发 系 统 Sys Identification 工 具 包 D/A A/D 33
2. 控 制 器 设 计 预 设 转 速 s+ 1/ Ti Kc s K JRs + K 误 差 电 机 电 压 实 际 转 速 2 LabVIEW 开 发 系 统 Control Design 工 具 包 34
3. 闭 环 系 统 仿 真 LabVIEW 开 发 系 统 Simulation 工 具 包 35
4. 控 制 器 原 型 实 现 预 设 转 速 s+ 1/ Ti Kc s K JRs + K 误 差 电 机 电 压 实 际 转 速 2 实 时 控 制 系 统 实 施 控 制 器 LabVIEW 开 发 系 统 Simulation 工 具 包 PXI RT 硬 件 系 统 36
5. Hardware-in-the-Loop 测 试 预 设 转 速 s+ 1/ Ti Kc s K JRs + K 误 差 电 机 电 压 实 际 转 速 2 实 时 系 统 LabVIEW 开 发 系 统 实 时 系 统 仿 真 Simulation 工 具 包 PXI RT 硬 件 系 统 37
开 发 一 个 控 制 系 统 来 自 动 定 位 开 体 泥 驳 船 应 用 : 建 立 一 个 控 制 系 统 以 保 持 船 只 在 一 个 设 定 的 位 置 挑 战 : 开 发 一 个 非 常 复 杂 的 控 制 系 统, 系 统 包 含 了 DGPS, 风, 水 流, 陀 螺 仪 信 息 产 品 : PXI, CompactRIO, RT, Control Design Toolkit, LabVIEW Sim 主 要 优 势 : 使 用 通 用 平 台 开 发 控 制 器 并 且 配 置 一 个 可 以 兼 容 第 三 方 信 息 系 统 的 系 统 我 们 使 用 NI 工 具 因 为 它 的 软 件 允 许 我 们 从 仿 真 到 实 现 重 用 相 同 代 码, 同 时 它 的 硬 件 非 常 可 靠. 38
实 例 : 虚 拟 触 觉 (Haptics) 和 机 器 人 远 程 控 制 (Telerobotics) Wayne Book 教 授, 佐 治 亚 理 工 学 院 LabVIEW 仿 真 模 块, MathScript, 系 统 辨 识 工 具 包 非 线 性 仿 真 用 于 评 估 机 器 人 远 程 控 制 系 统 的 控 制 方 法 39
从 理 论 到 实 现 的 统 一 平 台 设 计 工 具 建 模 与 仿 真 工 具 Control Design Toolkit System ID Toolkit Simulation Module Mathscript Simulation Interface Toolkit LabVIEW 图 形 化 开 发 环 境 模 型 下 载 State Diagram Toolkit LabVIEW Real-Time Targets LabVIEW FPGA PXI crio, cfp PCI RIO/DAQ Boards 40
总 结 LabVIEW 集 成 了 强 大 的 信 号 处 理 与 控 制 理 论 的 算 法 与 工 具, 易 于 实 现 从 简 单 到 复 杂 的 算 法, 使 理 论 教 学 更 丰 富 形 象 与 硬 件 的 无 缝 结 合 完 成 从 理 论 - 设 计 - 原 型 - 实 现 的 统 一 平 台 41