基于无人飞行器的自动控制原理课程实验教学改革

周映江 朱松豪 赵勃 曹科才

摘 要：根据专业认证要求，着力于提高学生解决复杂工程问题的能力，我们对《自动控制原理》实验教学内容以及实验教学方法，进行了深入的改革。搭建八台无人飞行器硬件平台，设计针对本门课程的专业实验内容，培养学生解决复杂工程问题的能力。教学效果表明，实验教学改革取得初步效果，学生实验的创新意识和实验动手能力有了极大提升。

关键词：实验教学改革；自动控制原理；无人飞行器

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2018）33-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.33.001

中国工程教育专业认证协会致力于通过开展工程教育专业认证，提高我国工程教育质量，为工程教育改革和发展服务，为工程教育适应政府、行业和社会需求服务，为提升中国工程教育国际竞争力服务。协会建立了国际实质等效的工程教育认证体系，认证工作得到了国际社会的广泛认可。南京邮电大学最近几年一直参与中国工程教育专业认证，致力于培养符合国际需求的创新型实干人才。自动控制原理课程是南京邮电大学本科自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化和智能电网信息工程等工科专业的一门重要的专业基础课。该课程为控制系统提供了数学模型的建立、性能分析和系统设计的基本方法，是现代控制理论、过程控制、运动控制和计算机控制等后续课程的基础。通过本课程的学习，学生能够掌握控制系统分析和综合基本方法，具备控制系统分析和设计的基本技能。

一、目前自动控制原理实验教学要求及不足

自动控制原理课程主要介绍自动控制系统的基本原理、时域性能分析、频域系统分析以及系统校正的方法，具有实验性强、涉及知识面广的特点。目前自动控制原理课程设置了五个实验，分别是控制系统的时域分析；线性系统的根轨迹研究；系统的频率响应与稳定性分析；连续系统串联校正；非线性实验。这五个实验，前三个实验是利用Matlab进行简单编程，相对来说比较简单；后两个实验结合自控原理工具箱，具有较好的工程实践意义。通过工程教育认证工作，我们发现，目前自动控制原理课程实验教学环节建设还存在一些不足：（1）原有的验证性实验（前三个实验）教学内容仅能使学生浅显地认识自动控制系统的基本知识，往往不能将所学知识融会贯通地理解，缺乏理論联系实际的能力，因此我们有必要对自动控制原理课程的实验内容和方式进行改革；（2）如何在实验教学中激发学生的学习主动性和创新意识，培养学生的动手能力、综合知识应用能力是摆在我们面前的重要课题；（3）缺乏培养学生解决复杂工程问题能力的培养。

因此，我们有必要引进复杂工程系统，进行实验改革。南京邮电大学根据本校特色，引进了8台无人飞行器，并针对此平台设计实验，大力提升学生解决复杂工程问题能力。

二、基于无人飞行器的自动控制原理实验设计

无人飞行器系统作为开放型实验教学的硬件平台，能紧密联系课堂教学，体现自动控制原理各主要理论的物理意义与实际应用价值。同时，无人飞行器平台涵盖工业生产、军事设备等各个方面。通过综合创新实验，学生能更好地理解、学习这一控制系统，对于提高动手能力、增强实际工程经验具有重要意义。基于本平台可以开展多项实验教学，并设计了以下几种实验来引导学生理解无人飞行器控制系统组成与设计，开展探究性创新实验，增强实际工程经验。

（一）建模实验

在对四旋翼飞行器控制系统进行分析和设计时，首先要建立系统的数学模型。而控制系统的数学模型是描述系统中各元器件的特性以及各种信号的传递和转换关系的数学表达式。因此，它可使我们避开系统不同的物理特性，在一般意义下研究控制系统的普遍规律。学生可通过本实验建立系统的实际模型，并评估模型建立的准确性。

（二）时域性能测试实验

使用时域分析法对控制系统进行研究，就是对控制系统施加典型的时域输入信号，通过测量并分析系统的输出响应，实现对控制系统性能的研究。

（三）频域性能测试实验

频率特性实验测定法通过改变信号的频率，由低频到高频，依次记录各频率点对应的系统稳态输出波形。依据输出与输入信号的幅值比和相位差，绘制系统的对数频率特性曲线，从而得出被测系统的频率特性。通过频率特性曲线的一些特征点，也可以确定出系统的数学模型。

三、结语

自动控制原理实验教学改革实施了近3年时间，实验教学改革基本达到预期效果，取得了非常好的成绩。实验教学改革提高了实验室仪器设备的利用率，提升了学生学习的积极性，是培养创新型人才和提高学生实践能力的重要措施，为新时代大学生成为高素质人才奠定了坚实基础。