2017年，第一次參加科創比賽，前不久翻到了，怕弄丟了，發出來留個紀念，也希望對相關內容感興趣的，提供一點參考。當時這項工作是老師給我的課題，後來就學了機器學習☺。難度不大，沒走很遠，主要是培養興趣。內容與 labview和myrio相關的。題目是：《風力發電風向跟蹤實驗改進》，下面介紹一下相關內容。
文章目錄
首先看一下使用的硬件和軟件：
1. 相關實驗平臺簡介
1.1 LabVIEW
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）是由美國國家儀器公司所開發的圖形化程序編譯平臺，發明者爲傑夫·考度斯基（Jeff Kodosky），程序最初於1986年在蘋果電腦上發表。LabVIEW早期是爲了儀器自動控制所設計，至今轉變成爲一種逐漸成熟的高級編程語言。圖形化程序與傳統編程語言之不同點在於程序流程採用"數據流"之概念打破傳統之思維模式，使得程序設計者在流程圖構思完畢的同時也完成了程序的撰寫。
1.2 myRIO
myRIO長這樣：
作爲NI“口袋實驗室”系列針對嵌入式控制學習及應用的學生設備，低成本、小巧便攜、可以滿足學生隨時隨地開展學習和工程創新實踐。
myRIO-學生嵌入式設備，包含模擬輸入、模擬輸出、數字I/O線、板載加速度計、Xilinx FPGA以及雙核ARM Cortex-A9處理器，一些型號還包括WiFi支持。可以使用LabVIEW或C對myRIO進行編程。目前，myRIO配套豐富的軟件App和硬件附件系統，以及不同等級的課件和教程庫，可用於實時嵌入式控制、機電一體化、機器人、視覺處理等課程教學和學生課外創新實踐中。
1.3 風向跟蹤風力發電實訓裝置
儀器主要構成：模擬風裝置，風向跟蹤裝置，PLC主機掛箱，系列單片機掛箱，變頻器掛箱，被控對象掛箱，正弦波逆變器實驗掛箱，檢測儀表與負載掛箱。
實驗原理：風能作爲一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。 然而風向改變會影響風力發電的效率，因此實現風向跟蹤將有效的提高風力發電的效率。
工作原理：按下啓動按鈕以後，風車以及機艙回到初始化位置，當風車以及機艙都到達初始化左限位以後風車鼓風機啓動，風車以60%佔空比從左限位處運行到右限位處，在左右限位之間做180度來回運動，風力大小可通過設定值旋鈕設定。機艙根據風向標上的限位信號做相應的動作，當風向標碰到左限位時，機艙無條件逆時針向右運行，碰到中間限位以後停止動作，當風向標碰到右限位時，機艙無條件順時針向左運行，碰到中間限位以後停止動作。當風向標從中間位置向左偏移10個脈衝（偏向信號A/B）時，機艙向右逆時針運行，同理向右偏移10個脈衝時，機艙向左順時針運行，從而達到了風向跟蹤的效果。
2. “稚嫩的”申報書
2.1 項目簡介
- 研究意義：使同學們在通過此次改進之後，可以更直觀地明白風力發電風向跟蹤的實驗原理
- 總體思路：依靠NI公司的myrio學生開發平臺和與之配套的labview2013編程軟件，首先搞清楚實訓裝置內部電路和實現的原理，然後在labview上寫出控制程序，仿真出實驗裝置功能模型，並驗證控制策略可行性，最後將試驗裝置連接到myrio，再將電腦與myrio相連，進而控制實驗裝置。
- 研究內容：風力發電風向追蹤原理
- 研究方法：通過實驗裝置摸清原理，再將原理可視化，最後改進實驗。
- 主要技術：myrio開發端，labview程序
- 實施方案：首先要搞清楚實訓裝置的內部電路，用萬用表測量出限位觸發與否時的電壓值和風機順逆轉動的電壓值，由此得到限位觸發原理和風機的控制原理。此後通過labview2013寫出自動控制程序，再利用labview2013仿真出試驗裝置的功能模型，並寫出控制策略，在一個程序中實現閉環控制，並進行可行性驗證，最後將實現裝置，myrio和電腦進行連接，進行實驗。
2.2 原實驗存在的問題
原實驗流程爲：同學們聽老師介紹完實驗之後，參照操作手冊接好實驗裝置線路，按照要求進行操作，觀察並簡單地記錄數據，結束實驗。許多同學在聽完講解後，仍然不明白實驗原理，即便是做完了實驗也還是有大批同學存在疑問，這是因爲實驗原理比較複雜、抽象。同時實驗裝置接線部分複雜，導致原理與裝置的對應關係不清楚，學生理解困難，接線容易出錯。初次接觸根本無暇顧及實驗原理，時間大部分都浪費在了接線板上接線上，背離了通過實驗摸清原理的實驗目的，實驗的效果不好。因此，本項目做了一些改進。
2.3 本項目創新性
- 搞清楚試驗裝置工作原理後，爲了同學們不再把時間耗費在硬件上，在軟件方面，用LabVIEW編寫程序將實驗原理可視化，並設計了清晰的操作界面，幫助同學們快速理解和掌握實驗原理，激發同學們的學習興趣。
- 硬件方面，用myRIO作中間端分別連接電腦和實驗裝置，只需要簡單的連接九條線，包含三條風向標限位信號和四條0-180度限位信號。就可以通過電腦LabVIEW操作界面，實現自動控制或者手動控制實驗裝置，加深對實驗的理解。
2.4 設計方案
內部電路：
用萬用表測量各種情況下的電平，經多次測量得到以下數據：
DLR-A控制底座，pls爲電源 DLR-B控制風機，pls爲電源
低電位，使底座逆時針轉。 低電位，使風機順時針轉。
高電位，使底座順時針轉。 高電位，使風機逆時針轉。
myRIO控制程序：
思路：接通電源後，風機與底座開始運轉，首先檢測風向的三個限位是否觸發，如果觸發左限位，說明底座超前風機此時應該風機應與底座同向運轉，直至右限位觸發，右限位觸發時說明，風機超前底座，此時應讓風機改變運轉方向，直至左限位觸發，如此循環往復，實現風向的追蹤。（注: 實際的實驗裝置中，風機的速度永遠大於底座，否則無法實現追蹤功能） 但還有一種極端情況：即底座左限位和風機左限位同時觸發或者右限位同時觸發時，存在命令覆蓋的情況，所以程序中添加了此種情況的解決方案：即當出現該情況時，聽從底座限位的信號，亦即底座限位的命令級別是最高的，此舉目的是爲了保護試驗裝置，避免損毀，這是符合編程原則和實際應用規範的。程序框圖如下圖所示：
前面板如圖所示：
如圖所示，接入了myRIO的7個模擬輸入口（包括 A/AI 0、1、2；B/AI0、1、2、3）和4個數字輸入口（包括 A/DIO0，1、2、3）。其中 A/AI 0、1、2三個模擬輸入是風向的三個限位信號，B/AI 0、1是兩個底座限位信號，B/AI 2、3是風機限位信號。A/DIO 0、1控制底座，A/DIO2，3控制風機。myRIO提供5V電源，認爲當 >3V 時爲高電平（實際測量值約爲3.34V），當 <3V 時爲低電平（實際測量值約爲1V）。
編寫仿真程序，實現閉環控制，驗證控制策略。
爲了驗證控制策略是否可行，編寫了該實驗裝置的仿真模型來進行理論驗證。
思路：根據實驗裝置，風機與底座在水平面內繞豎直軸在0到180度的範圍內轉動。並規定垂直於水平軸中心的豎直軸爲轉動中心，並且左側爲正向，起始位置角度爲0，逆時針轉動角速度爲正，順時針轉動角速度爲負；且開始運轉後，按逆時針從左側轉動到右側運轉，再由右側轉動回左側，在此循環往復過程中實現風向的追蹤。前面板如下圖所示：
程序：
2.5 工作原理
由程序框圖中知，規定風機和旋轉中心的連線與水平軸正向爲夾角爲風機位置，同理可知底座位置。規定風機位置與底座位置的差值爲風機與底座夾角，在程序中，程序會判斷當夾角大於2度或者小於-2度時，就相當於實際裝置中的觸發了風向的左右限位，因此此時程序將會做出反應，繼續追蹤或者改變轉向。當風機位置處於0度時，認爲此時觸發了左限位，程序要改變轉速，讓風機改變轉向，底座亦同理。這就相當於實際裝置的追蹤功能。由上圖，我們可以看到有兩個輸入控件，分別是底座角速度和風機角速度，這是可以手動輸入的，但要注意一點:風機的角速度一定要大於底座的角速度，這也是實際情況，否則無法實現追蹤。經過多次測試，請在進行程序驗證時，最好將兩個角速度分別設置爲2和2.2，此時轉動速度適宜，便於觀察。
2.6 演示視頻片段
好稚嫩啊！🤣