1. 专业与年级要求

主要面向自动化、测控技术与仪器、智能科学与技术、物联网技术等电子信息类专业大三年级学生。

2. 基本知识和能力要求

学过《自动控制原理》本实验是专业课的课程实验，需要有一定的高等数学、信号处理、自控原理及算法的知识基础。

通过综合创新实验，使学生能够更好地了解、熟悉、掌握旋翼式无人飞行器的基本组成、工作原理、动力学特性及数学建模，并以此巩固二阶系统的时域响应和频域响应知识点，能够设计并验证PID控制及其它控制算法。通过无人机追踪实际应用场景，反应出自动控制理论与实际系统之间的内在关系，学生可以更好的设计参数实现飞机良好追踪。

1.实验原理

本实验项目的技术思想来源于国家智慧城市行业的迫切需求，针对无人机追踪肇事逃逸车辆问题，分别对无人机系统，逃逸车辆系统进行分析、建模。把城市追踪问题转换为控制问题里面的校正问题。结合控制理论，分析系统，设计合适的控制策略，实现最终的追踪任务。

             图7 城市追踪应用场景

（1）模型

飞机模型：

四旋翼无人机是一个复杂的动力学系统，为具有多输入多输出，强耦合的欠驱动系统，其受力分析如图8所示。

              图8 四旋翼无人机受力分析

将无人机视为一个刚体，进行动力学分析，得到如下的数学模型:

暂取x方向的位置状态进行分析，得到如下的系统方程：

其中，(x,y,z)为无人机质心在惯性坐标系中的位置坐标；k为阻力系数；x为x轴方向的位置；d=d1为系统噪声信号。

设为虚拟控制输入，则四旋翼无人机x方向的位置状态方程变为：

小车模型：

将小车模型视为一个二阶系统，进行动力学分析，得到如下的数学模型：

其中(xd, yd)为小车位置坐标。暂取x方向的位置状态进行分析，得到如下的系统方程：

误差系统：

为了实现城市追踪，取无人机和小车的x方向的位置误差为

则系统方程变为

（2）控制策略

PID控制策略：

PID控制的原理框图如图9所示：

                                                              图9 PID原理框图

使用PID控制策略设计控制律为：

其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。

PID控制的各部分有以下的作用：

a) 比例部分决定控制作用的强弱

b) 积分部分能消除稳态误差

c) 微分部分能够加快系统的调节过程

根据PID控制原理，此控制律可以使四旋翼无人机跟踪上小车。

滑模控制策略：

                             图10 滑模控制原理示意图

 滑模控制分为两个阶段，第一个阶段是系统状态从滑模面外到达滑模面s=0，第二个阶段是系统状态沿着滑模面运动，最终到达平衡点。

取滑模面为：

其中，e=xd-x，是设计参数，xd是小车的位置

则：

选取控制律为:

则：

其中，b是设计参数。因此，根据滑模控制原理，此控制律可以使无人机跟踪上小车。

实验内容涉及到的主要知识点：共 8个

① 多旋翼无人飞行器位置动力学特性认识；

② 多旋翼无人飞行器系统的组成与建模；

③ 二阶系统的时域特性分析；

④ 超调量、稳态误差、峰值时间、调节时间的认识；

⑤ PID控制原理；

⑥ 滑模控制原理；

⑦ PID控制器的参数整定；

⑧ 滑模控制器的参数整定。

本实验教学以立德树人为根本任务，紧密围绕南邮大信息办学特色，基于自动控制的前沿技术，将实际复杂工程控制问题和虚拟仿真信息化技术相结合，价值塑造、知识传授和能力培养多元统一，培养和提升学生解决控制领域复杂工程实际问题的能力。具体实验教学目标包括：

（1） 培养学生的社会责任感，激发学生奉献社会的情怀和使命感，培养学生严谨的研究态度和科学的工作方法；

（2） 掌握控制系统的工作原理和建模方法，具备综合运用自动控制原理等课程知识点，分析和理解复杂工程控制对象、控制要求以及系统建模的能力；

（3） 掌握控制系统的性能测试与分析计算的方法，具备完成控制系统的搭建、算法设计和验证的能力；

（4） 掌握根据工程实际需求对控制系统进行设计与调试的方法，具备探究性思维方式，提高分析和解决实际问题的能力以及自主创新实践能力。

                         图6 实验教学目标