面向培養(yǎng)高水平新工科人才的自動化專業(yè)課程教學(xué)改革探索

唐曉銘　蔡林沁　吳戟　安進(jìn)

摘要：自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)，在航天、航空、民用工業(yè)等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。自動控制原理作為控制學(xué)科的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，具有涉及知識面廣、理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn)。本文面向建設(shè)國家一流本科專業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，以提升重慶郵電大學(xué)自動化專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，圍繞三自由度直升機(jī)模型的相關(guān)控制問題，系統(tǒng)闡述融合工程實(shí)際的自動控制原理課程教學(xué)改革方案。本文的內(nèi)容是在新工科建設(shè)背景下自動化專業(yè)課程教學(xué)改革的一次有益探索，可為傳統(tǒng)控制類課程的與時俱進(jìn)、推陳出新奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動化;工科人才;教學(xué)改革

中圖分類號：TP13-4;G642??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2020-05-11

作者簡介：唐曉銘（1984-?），男，副教授，博士，研究方向：控制理論。

1引言

工業(yè)4.0對高校工科人才培養(yǎng)提出了新的要求。2017年以來，教育部在全國扎實(shí)推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導(dǎo)性文件，旨在培養(yǎng)出工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。2018年底，重慶郵電大學(xué)獲準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)重慶市高水平新工科高校。2019年底，作為重慶市新工科高校建設(shè)的重要抓手，重慶市教育委員會批準(zhǔn)重慶郵電大學(xué)依托自動化學(xué)院成立新型二級學(xué)院——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院以服務(wù)重慶市創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃為導(dǎo)向，以人才培養(yǎng)、技術(shù)創(chuàng)新為根本任務(wù)，以重慶市工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心為紐帶，整合校內(nèi)外優(yōu)質(zhì)資源，深化產(chǎn)教融合、校企合作，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，將自動化學(xué)院現(xiàn)有的自動化、物聯(lián)網(wǎng)工程、機(jī)器人工程等專業(yè)建設(shè)成為適應(yīng)我市大數(shù)據(jù)智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的新工科專業(yè)及專業(yè)群。自動化專業(yè)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院國家級一流本科建設(shè)專業(yè)，正以前所未有的姿態(tài)邁入專業(yè)建設(shè)的快車道。

自動化是以自動控制理論為主要理論基礎(chǔ)，以傳感器與檢測技術(shù)、信息通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等為主要技術(shù)手段，對各類被控系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)控制的一門工科專業(yè)。與傳統(tǒng)的自動化專業(yè)人才相比，新工科人才需要具備更強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、更出色的創(chuàng)新能力、更突出的國際競爭力。但是，沿襲數(shù)十載的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式早已老態(tài)龍鐘、盡顯疲態(tài)，全然無法適應(yīng)新工科背景下工程實(shí)踐教學(xué)的需求，從根本上改革這一單一的人才培養(yǎng)模式迫在眉睫。必須從自動化專業(yè)的定位、專業(yè)知識體系、培養(yǎng)目標(biāo)和方向等方面賦予專業(yè)人才培養(yǎng)新的內(nèi)涵。特別要突破以“控制器設(shè)計”為主導(dǎo)的專業(yè)教學(xué)局限，轉(zhuǎn)而建立滿足新工科及新型二級學(xué)院建設(shè)需求的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)新格局，扎實(shí)推進(jìn)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為特色的國家一流本科專業(yè)建設(shè)。本文將以自動化專業(yè)的核心課程自動控制原理為例，系統(tǒng)闡述融合工程實(shí)際的自動化類課程教學(xué)改革的基本思路。

2《自動控制原理》課程的教學(xué)現(xiàn)狀

（1）傳統(tǒng)的基于多媒體的授課方式極為枯燥，填鴨式的教學(xué)方式使得教師和學(xué)生之間難以有深層次的互動交流，無法充分吸引學(xué)生的注意力并調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）教師教學(xué)內(nèi)容偏向于理論推導(dǎo)及概念梳理，學(xué)生學(xué)習(xí)則以完成作業(yè)和應(yīng)付考試為目標(biāo)。進(jìn)而造成學(xué)生綜合分析能力、工程實(shí)踐能力都沒有得到鍛煉與提高。

（3）教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足、實(shí)驗(yàn)室開放力度不夠，造成學(xué)生無法建立控制理論和實(shí)際工程的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（4）沒有重視Matlab等系統(tǒng)仿真軟件的教學(xué)與應(yīng)用，多數(shù)學(xué)生面對控制系統(tǒng)仿真有畏難情緒。

3《自動控制原理》課程的教學(xué)模式改革

自動控制原理課程是一門理論與實(shí)踐并重，工程性、綜合性、方法性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。為了恰當(dāng)?shù)亟鉀Q好“基礎(chǔ)與應(yīng)用”“理論與實(shí)踐”“重點(diǎn)內(nèi)容與知識面”等矛盾，使自動控制原理基礎(chǔ)系列課程內(nèi)容體系具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、工程性、實(shí)踐性。我們可以從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段著手改革：第一，突出控制理論的物理概念及工程背景，淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論證明;第二，持續(xù)整合、優(yōu)化課程內(nèi)容，著重講述與工程實(shí)際聯(lián)系更緊密、更能反映學(xué)科前沿的理論與方法;第三，采用理論課、實(shí)驗(yàn)課交叉并行的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)理論講述和工程應(yīng)用的無縫切換;第四，改革考核辦法，推行理論考試與工程實(shí)踐共進(jìn)的新型考核模式。

以重慶郵電大學(xué)自動化專業(yè)為例，自動控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞三自由度直升機(jī)模型展開，從系統(tǒng)模型的建立，到系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的分析，再到系統(tǒng)的根軌跡的繪制，最后到采用頻域法的系統(tǒng)控制器設(shè)計方法，都采用了我們最新購置的三自由度直升機(jī)教學(xué)科研兩用設(shè)備。從教學(xué)效果來看，三自由度直升機(jī)的引入不僅牢牢抓住了學(xué)生的注意力，提升了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)課程的興趣，而且讓枯燥的理論知識具象化地呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生可以更為深入的理解和掌握重要知識點(diǎn)。更為重要的是，理論和實(shí)際的有機(jī)結(jié)合在無形中鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力;培養(yǎng)了學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

4《自動控制原理》課程的教學(xué)實(shí)例

4.1 三自由度直升機(jī)模型及仿真

三自由度直升機(jī)模型由底座、平衡桿、平衡塊和螺旋槳等組成。平衡桿以底座為支撐點(diǎn)，可進(jìn)行俯仰運(yùn)動和偏航運(yùn)動。螺旋槳和平衡塊分別裝在平衡桿的兩個頂端，螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力可以使平衡桿以底座為支點(diǎn)做俯仰運(yùn)動，利用兩個螺旋槳葉片的轉(zhuǎn)速差可以使平衡桿以基座為軸做偏航運(yùn)動。如圖1所示是實(shí)體直升機(jī)模型，圖2為簡化的直升機(jī)系統(tǒng)模型圖。

直升機(jī)是二輸入三輸出的系統(tǒng)。兩個輸入為：兩個電機(jī)的電壓;三個輸出為：俯仰角、滾動角、偏航角。課程教學(xué)目的之一是，設(shè)計LQR控制器，通過調(diào)整電機(jī)輸入電壓，使得直升機(jī)模型跟隨給定的運(yùn)行軌跡。如圖3為直升機(jī)俯仰方向簡圖，圖4為直升機(jī)滾動方向簡圖。

LQR問題的解是一個全狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)器，有非常好的魯棒性能。它可以通過適當(dāng)選取權(quán)矩陣Q和R，在控制信號能量和輸出性能之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用MATLAB的LQR函數(shù)可以很方便準(zhǔn)確地求出LQR的解K陣，通過MATLAB求解得：。

仿真曲線如圖5所示，從仿真曲線圖中可以看出，俯仰角的調(diào)節(jié)時間約2s，滾動角的調(diào)節(jié)時間約2.5s，最終系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

4.2 實(shí)例教學(xué)改革反饋

在課堂上通過理論教學(xué)與實(shí)例實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，有助于學(xué)生提高自身的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生對于課堂的參與度，也有利于學(xué)生提高自己分析問題解決問題的能力。通過這樣一個三自由度直升機(jī)模型與自動控制原理課程的結(jié)合，將書本上繁復(fù)的公式定理轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，增強(qiáng)課程的直觀性，不光使用MATLAB編寫控制程序會出現(xiàn)實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)曲線，還可以直觀觀察直升機(jī)運(yùn)行姿態(tài)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，有益于學(xué)生強(qiáng)化理解與掌握相關(guān)知識點(diǎn)。

5結(jié)論

本文介紹了圍繞三自由度直升機(jī)模型的自動控制原理課程教學(xué)改革方案，將課程的理論知識和實(shí)際工程對象相結(jié)合，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)自動控制原理課程的興趣，而且鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力、培養(yǎng)了學(xué)生的理論創(chuàng)新能力。符合高水平新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)出工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]樓旭陽.實(shí)例式教學(xué)在自動控制原理教學(xué)中的運(yùn)用和研究[J].價值工程，2016（13）：176-178.

[2]王亮，許軍，周奇勛.《自動控制原理》全方位教學(xué)體系改革的構(gòu)建思考[J].教育教學(xué)論壇，2016（18）：81-82.

[3]李斌，黃建明，謝昭莉.“自動控制原理”課程改革思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016（03）：41-44.

[4]葉鋒.MATLAB軟件在自動控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（17）：99-100.

[5]王慶鳳，謝田雨，谷昱.電子信息工程專業(yè)“自動控制原理”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（49）：87-88.

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