使用 Moku 的多仪器模式简化控制系统

Liquid Instrument 强大的多仪器模式适用于 Moku:Go、Moku:Lab 和 Moku:Pro。Moku:Go 配备两个可配置的仪器插槽，可用于创建您自己的混合信号测试台。同时使用两台仪器可以为这款便携式设备解锁新的应用，并使其更易于设置和探索更先进的系统和概念。

Moku:Go

Moku:Go 在一台高性能设备中结合了 15 多种实验室仪器，具有 2 个模拟输入、2 个模拟输出、16 个数字 I/O 引脚和可选的集成电源。

任何熟悉控制系统的人都必须使用这套基本设备：设备、控制器、软件或硬件接口以及电源。这些中的每一个通常都是一个单独的盒子，必须针对当天的重点项目进行设置和控制。

如果您可以将所有这些设备组合成一个设备会怎样？这就是 Moku:Go 的目的；简化实验室工作区和工作流程，让学生可以更专注于应用他们在课堂上学到的理论，而不是浪费宝贵的实验室时间来设置多件设备。

什么是多仪器模式？

新增多仪器模式后，用户能够用更少的设备完成更多工作。轻松访问数字 PID 控制器、对控制系统进行完整的端到端频率响应特性分析，以及轻松可重复的动态输入响应测试，这些只是多仪器模式带来的工作流程改进中的一小部分。让 PID 控制器和频谱分析仪等难以获取的设备普及化，意味着更多学生可以接触这些仪器，并充分利用他们的实验时间。本文将详细介绍一些利用 Moku:Go 多仪器模式简化 PID 控制器教学流程、让学生更容易掌握控制系统的用例。

图 1. 多仪器模式用户界面

使用数字滤波器盒改善嘈杂的传感器

在设计控制系统实验室时，必须确定所需的传感器类型。无论是红外传感器、加速度计还是麦克风，这些传感器都具有多种不同的功能和价格。通常，控制实验室会使用中等质量的传感器，希望它们能在实验室中使用几年，并为学生提供足够的实践经验，使他们能够操作任何质量的传感器。价格较低的传感器往往具有较差的高频噪声，而PID控制器的微分项会放大这种噪声，从而限制了简单PID控制器所能施加的阻尼。借助多仪器模式和数字滤波器盒，现在可以在将传感器信号发送到控制器之前对其进行预滤波。这意味着可以使用更便宜的传感器，从而降低大学和学生的实验室成本。通过滤除这些低质量传感器中的噪声，可以获得更高的系统稳定性，同时还可以在PID控制器中使用更大的微分增益。

图 2. 数字滤波器盒和 PID 控制器 MiM 配置

如果您不熟悉 Liquid Instruments 数字滤波器，它是一种允许您选择预设或自定义滤波器以消除噪声、放大信号甚至用于硬件设计的原型模拟滤波器的仪器。方框图界面使学生对信号链的理解和可视化变得简单，并为学生提供了一个实验环境，让他们可以尝试各种滤波器类型、形状、拐角频率等。更高级的学生可以使用 DFB 来改变系统的增益裕度并研究边际稳定性下的控制。

图 3. 60 Hz 电源频率的陷波

改善传感器信号并允许使用更便宜的传感器是一个很好的功能，但是如果您想为您的工厂记录所需的设定点信号以便您可以快速调整系统的控制器怎么办？

记录动态输入，以便轻松重复工厂测试和控制器调整

控制系统在电子领域扮演着重要角色，而为工厂设计PID控制器可能是一项艰巨的任务。借助多仪器模式，Moku:Go现在可以作为数字PID控制器测试系统。Moku:Go的任意波形发生器（AWG）允许用户加载自定义波形，这些波形可以通过多种方式获得，从而为PID控制器提供易于重复的动态输入。一种方法是直接上传包含波形定义点的.csv或.txt文件。例如，这些波形可以通过仿真生成，也可以由用户手动输入。另一种方法是使用Moku:Go的数据记录器记录输入信号，将其导出到文本文件，然后将该文件上传到AWG。

图 4. 记录自定义输入信号的数据记录器

图 5. 载入 AWG 的自定义输入信号

图 6. 任意波形发生器和 PID 控制器

在图 6 所示的设置中，AWG 用于生成工厂应跟踪的自定义设定点轨迹。这允许学生量化调优性能，特别是可重复的应用程序，而不是仅仅响应单个步骤。虽然在 MIM 配置屏幕中不可见，但 PID 控制器中内置的嵌入式示波器和数据记录器可供使用，如下图 7 所示。示波器测量功能可以量化过冲，而数据记录器可以提供适合包含在实验室书籍中或提交标记的结果集。

图 7. PID 控制器界面

用 Moku Cloud Compile 取代昂贵的植物

自定义仪器，现在可用于 Moku:Go，是一个基于浏览器的 FPGA 编程平台，允许用户将自定义 DSP 直接部署到 Moku 硬件上。这可用于模拟大型或昂贵的工厂，模仿质量弹簧阻尼系统、巡航控制，甚至是工业电力系统。结合 MCC 和 MiM，学生可以使用真实示例和离散信号执行黑盒测试和 PID 调整，而不是被迫进入纯模拟实验室。

图 8. PID 控制器和云编译

为了简化实际工厂的实验室环境，MCC驱动器可以将PID控制器的输出转换为PWM信号、伺服脉冲序列或数字通信数据包，以便与电机控制器或其他硬件进行接口连接。MCC还可以辅助输入端，解码数字传感器数据、正交编码器和其他信号，从而最大限度地提高PID控制器与实际环境的互连性。与传统的FPGA可编程解决方案相比，MCC的一大优势在于它无需大量的3D运算。^rd 需要下载派对软件。作为基于浏览器的解决方案，您的 VHDL 代码在云端编写和编译，并在几分钟内生成可部署的比特流，从而在实验室期间实现快速开发和调试。

结语

Moku:Go 是一款测试测量设备，可配置成 15 种以上的不同仪器，并可选配电源。借助多仪器模式，它可以同时部署多达两台仪器（包括电源），从而简化复杂的台式实验设置。本文展示了多仪器模式如何取代控制系统课程中常用的各种仪器（通常来自不同制造商）的实验台设置，从而降低实验的复杂性。Liquid Instruments 一直与众多大学合作，扩展我们的教育内容，以帮助教育工作者更快地上手使用 Moku:Go。请务必查看我们其他与控制系统相关的实验教程和应用笔记。闭环 PID 整定实验室和 Zieglar-Nichols 调谐法实验室。对于所有其他教育资源，请查看我们的相关课程点击此处。

Moku:Go 的好处

对于教育工作者和实验室助理 高效利用实验室空间和时间；易于进行一致的仪器配置；专注于电子元件而非仪器设置；最大限度地利用助教时间；独立实验，独立学习；通过屏幕截图简化评估和评分。 对于学生 个人实验室操作灵活，可按自身节奏进行，有助于加深理解和记忆。便携式设计，可自由选择实验节奏、地点和时间，无论是在家、校园实验室，甚至远程协作。熟悉的 Windows 或 macOS 笔记本电脑环境，却配备专业级仪器。