面向培养高水平新工科人才的自动化专业课程教学改革探索

唐晓铭　蔡林沁　吴戟　安进

摘要：自动控制理论是研究自动控制共同规律的基础科学，在航天、航空、民用工业等众多关键领域发挥着重大作用。自动控制原理作为控制学科的专业核心基础课程，具有涉及知识面广、理论性强、数学推导复杂等特点。本文面向建设国家一流本科专业的现实需求，以提升重庆邮电大学自动化专业学生培养质量为目标，围绕三自由度直升机模型的相关控制问题，系统阐述融合工程实际的自动控制原理课程教学改革方案。本文的内容是在新工科建设背景下自动化专业课程教学改革的一次有益探索，可为传统控制类课程的与时俱进、推陈出新奠定理论基础。

关键词：自动化;工科人才;教学改革

中图分类号：TP13-4;G642              文献标识码：A

收稿日期：2020-05-11

作者简介：唐晓铭（1984- ），男，副教授，博士，研究方向：控制理论。

1引言

工业4.0对高校工科人才培养提出了新的要求。2017年以来，教育部在全国扎实推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性文件，旨在培养出工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。2018年底，重庆邮电大学获准立项建设重庆市高水平新工科高校。2019年底，作为重庆市新工科高校建设的重要抓手，重庆市教育委员会批准重庆邮电大学依托自动化学院成立新型二级学院——工业互联网学院。工业互联网学院以服务重庆市创新驱动发展战略行动计划为导向，以人才培养、技术创新为根本任务，以重庆市工业物联网协同创新中心为纽带，整合校内外优质资源，深化产教融合、校企合作，创新人才培养模式，将自动化学院现有的自动化、物联网工程、机器人工程等专业建设成为适应我市大数据智能化产业发展需要的新工科专业及专业群。自动化专业作为工业互联网学院国家级一流本科建设专业，正以前所未有的姿态迈入专业建设的快车道。

自动化是以自动控制理论为主要理论基础，以传感器与检测技术、信息通信技术、计算机技术等为主要技术手段，对各类被控系统实施精准控制的一门工科专业。与传统的自动化专业人才相比，新工科人才需要具备更强的工程实践能力、更出色的创新能力、更突出的国际竞争力。但是，沿袭数十载的自动化专业人才培养模式早已老态龙钟、尽显疲态，全然无法适应新工科背景下工程实践教学的需求，从根本上改革这一单一的人才培养模式迫在眉睫。必须从自动化专业的定位、专业知识体系、培养目标和方向等方面赋予专业人才培养新的内涵。特别要突破以“控制器设计”为主导的专业教学局限，转而建立满足新工科及新型二级学院建设需求的自动化专业人才培养新格局，扎实推进以工业互联网为特色的国家一流本科专业建设。本文将以自动化专业的核心课程自动控制原理为例，系统阐述融合工程实际的自动化类课程教学改革的基本思路。

2《自动控制原理》课程的教学现状

（1）传统的基于多媒体的授课方式极为枯燥，填鸭式的教学方式使得教师和学生之间难以有深层次的互动交流，无法充分吸引学生的注意力并调动学生的学习积极性。

（2）教师教学内容偏向于理论推导及概念梳理，学生学习则以完成作业和应付考试为目标。进而造成学生综合分析能力、工程实践能力都没有得到锻炼与提高。

（3）教学实验设施不足、实验室开放力度不够，造成学生无法建立控制理论和实际工程的关联关系。

（4）没有重视Matlab等系统仿真软件的教学与应用，多數学生面对控制系统仿真有畏难情绪。

3《自动控制原理》课程的教学模式改革

自动控制原理课程是一门理论与实践并重，工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。为了恰当地解决好“基础与应用”“理论与实践”“重点内容与知识面”等矛盾，使自动控制原理基础系列课程内容体系具有系统性、创新性、工程性、实践性。我们可以从优化教学内容和教学手段着手改革：第一，突出控制理论的物理概念及工程背景，淡化数学推导和理论证明;第二，持续整合、优化课程内容，着重讲述与工程实际联系更紧密、更能反映学科前沿的理论与方法;第三，采用理论课、实验课交叉并行的教学模式，实现知识点理论讲述和工程应用的无缝切换;第四，改革考核办法，推行理论考试与工程实践共进的新型考核模式。

以重庆邮电大学自动化专业为例，自动控制原理课程的教学内容主要围绕三自由度直升机模型展开，从系统模型的建立，到系统动态性能指标以及稳态性能指标的分析，再到系统的根轨迹的绘制，最后到采用频域法的系统控制器设计方法，都采用了我们最新购置的三自由度直升机教学科研两用设备。从教学效果来看，三自由度直升机的引入不仅牢牢抓住了学生的注意力，提升了学生进一步学习课程的兴趣，而且让枯燥的理论知识具象化地呈现出来，让学生可以更为深入的理解和掌握重要知识点。更为重要的是，理论和实际的有机结合在无形中锻炼了学生的工程实践能力;培养了学生在实践中发现问题，解决问题的能力。

4《自动控制原理》课程的教学实例

4.1 三自由度直升机模型及仿真

三自由度直升机模型由底座、平衡杆、平衡块和螺旋桨等组成。平衡杆以底座为支撑点，可进行俯仰运动和偏航运动。螺旋桨和平衡块分别装在平衡杆的两个顶端，螺旋桨叶片旋转产生的升力可以使平衡杆以底座为支点做俯仰运动，利用两个螺旋桨叶片的转速差可以使平衡杆以基座为轴做偏航运动。如图1所示是实体直升机模型，图2为简化的直升机系统模型图。

直升机是二输入三输出的系统。两个输入为：两个电机的电压;三个输出为：俯仰角、滚动角、偏航角。课程教学目的之一是，设计LQR控制器，通过调整电机输入电压，使得直升机模型跟随给定的运行轨迹。如图3为直升机俯仰方向简图，图4为直升机滚动方向简图。

LQR問题的解是一个全状态反馈调节器，有非常好的鲁棒性能。它可以通过适当选取权矩阵Q和R，在控制信号能量和输出性能之间进行调节。利用MATLAB的LQR函数可以很方便准确地求出LQR的解K阵，通过MATLAB求解得：。

仿真曲线如图5所示，从仿真曲线图中可以看出，俯仰角的调节时间约2s，滚动角的调节时间约2.5s，最终系统趋于稳定。

4.2 实例教学改革反馈

在课堂上通过理论教学与实例实验教学结合，有助于学生提高自身的自主学习能力，提高学生对于课堂的参与度，也有利于学生提高自己分析问题解决问题的能力。通过这样一个三自由度直升机模型与自动控制原理课程的结合，将书本上繁复的公式定理转化为实际应用，增强课程的直观性，不光使用MATLAB编写控制程序会出现实际的系统运行状态曲线，还可以直观观察直升机运行姿态判断系统稳定性，有益于学生强化理解与掌握相关知识点。

5结论

本文介绍了围绕三自由度直升机模型的自动控制原理课程教学改革方案，将课程的理论知识和实际工程对象相结合，不仅激发了学生学习自动控制原理课程的兴趣，而且锻炼了学生的工程实践能力、培养了学生的理论创新能力。符合高水平新工科建设背景下，培养出工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的需求。

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Abstract： Automatic control theory is a basic science that studies the common laws of automatic control， and plays an important role in many key fields such as aerospace， aviation， and civil industry. The principle of automatic control， as a core professional core course of the control discipline， has the characteristics of extensive knowledge， strong theory， and complicated mathematical derivation. This article is oriented to the practical needs of building a national first-class undergraduate major， with the goal of improving the training quality of automation majors in Chongqing University of Posts and Telecommunications. Focusing on the related control problems of the three-degree-of-freedom helicopter model， this paper systematically expounds the teaching reform plan of the course of automatic control principle integrating engineering. The content of this article is a beneficial exploration of the teaching reform of automation majors under the background of new engineering construction， which can lay a theoretical foundation for the traditional control courses to advance with the times and bring forth new ideas.

Key words： Automation; Engineering talents; Teaching reform