基于無人飛行器的自動控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

周映江 朱松豪 趙勃 曹科才

摘 要：根據(jù)專業(yè)認(rèn)證要求，著力于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，我們對《自動控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，進(jìn)行了深入的改革。搭建八臺無人飛行器硬件平臺，設(shè)計(jì)針對本門課程的專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。教學(xué)效果表明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得初步效果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新意識和實(shí)驗(yàn)動手能力有了極大提升。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；自動控制原理；無人飛行器

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）33-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.33.001

中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會致力于通過開展工程教育專業(yè)認(rèn)證，提高我國工程教育質(zhì)量，為工程教育改革和發(fā)展服務(wù)，為工程教育適應(yīng)政府、行業(yè)和社會需求服務(wù)，為提升中國工程教育國際競爭力服務(wù)。協(xié)會建立了國際實(shí)質(zhì)等效的工程教育認(rèn)證體系，認(rèn)證工作得到了國際社會的廣泛認(rèn)可。南京郵電大學(xué)最近幾年一直參與中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，致力于培養(yǎng)符合國際需求的創(chuàng)新型實(shí)干人才。自動控制原理課程是南京郵電大學(xué)本科自動化、測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化和智能電網(wǎng)信息工程等工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程為控制系統(tǒng)提供了數(shù)學(xué)模型的建立、性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，是現(xiàn)代控制理論、過程控制、運(yùn)動控制和計(jì)算機(jī)控制等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握控制系統(tǒng)分析和綜合基本方法，具備控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本技能。

一、目前自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求及不足

自動控制原理課程主要介紹自動控制系統(tǒng)的基本原理、時域性能分析、頻域系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)校正的方法，具有實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)、涉及知識面廣的特點(diǎn)。目前自動控制原理課程設(shè)置了五個實(shí)驗(yàn)，分別是控制系統(tǒng)的時域分析；線性系統(tǒng)的根軌跡研究；系統(tǒng)的頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性分析；連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正；非線性實(shí)驗(yàn)。這五個實(shí)驗(yàn)，前三個實(shí)驗(yàn)是利用Matlab進(jìn)行簡單編程，相對來說比較簡單；后兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)合自控原理工具箱，具有較好的工程實(shí)踐意義。通過工程教育認(rèn)證工作，我們發(fā)現(xiàn)，目前自動控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)還存在一些不足：（1）原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)（前三個實(shí)驗(yàn)）教學(xué)內(nèi)容僅能使學(xué)生淺顯地認(rèn)識自動控制系統(tǒng)的基本知識，往往不能將所學(xué)知識融會貫通地理解，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的能力，因此我們有必要對自動控制原理課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式進(jìn)行改革；（2）如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、綜合知識應(yīng)用能力是擺在我們面前的重要課題；（3）缺乏培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

因此，我們有必要引進(jìn)復(fù)雜工程系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改革。南京郵電大學(xué)根據(jù)本校特色，引進(jìn)了8臺無人飛行器，并針對此平臺設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，大力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。

二、基于無人飛行器的自動控制原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

無人飛行器系統(tǒng)作為開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件平臺，能緊密聯(lián)系課堂教學(xué)，體現(xiàn)自動控制原理各主要理論的物理意義與實(shí)際應(yīng)用價值。同時，無人飛行器平臺涵蓋工業(yè)生產(chǎn)、軍事設(shè)備等各個方面。通過綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能更好地理解、學(xué)習(xí)這一控制系統(tǒng)，對于提高動手能力、增強(qiáng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)具有重要意義?；诒酒脚_可以開展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并設(shè)計(jì)了以下幾種實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生理解無人飛行器控制系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)，開展探究性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

（一）建模實(shí)驗(yàn)

在對四旋翼飛行器控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。而控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)中各元器件的特性以及各種信號的傳遞和轉(zhuǎn)換關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，它可使我們避開系統(tǒng)不同的物理特性，在一般意義下研究控制系統(tǒng)的普遍規(guī)律。學(xué)生可通過本實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)的實(shí)際模型，并評估模型建立的準(zhǔn)確性。

（二）時域性能測試實(shí)驗(yàn)

使用時域分析法對控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，就是對控制系統(tǒng)施加典型的時域輸入信號，通過測量并分析系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)性能的研究。

（三）頻域性能測試實(shí)驗(yàn)

頻率特性實(shí)驗(yàn)測定法通過改變信號的頻率，由低頻到高頻，依次記錄各頻率點(diǎn)對應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形。依據(jù)輸出與輸入信號的幅值比和相位差，繪制系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線，從而得出被測系統(tǒng)的頻率特性。通過頻率特性曲線的一些特征點(diǎn)，也可以確定出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

三、結(jié)語

自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施了近3年時間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革基本達(dá)到預(yù)期效果，取得了非常好的成績。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提高了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的利用率，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和提高學(xué)生實(shí)踐能力的重要措施，為新時代大學(xué)生成為高素質(zhì)人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。