面向培養高水平新工科人才的自動化專業課程教學改革探索

唐曉銘　蔡林沁　吳戟　安進

摘要：自動控制理論是研究自動控制共同規律的基礎科學，在航天、航空、民用工業等眾多關鍵領域發揮著重大作用。自動控制原理作為控制學科的專業核心基礎課程，具有涉及知識面廣、理論性強、數學推導復雜等特點。本文面向建設國家一流本科專業的現實需求，以提升重慶郵電大學自動化專業學生培養質量為目標，圍繞三自由度直升機模型的相關控制問題，系統闡述融合工程實際的自動控制原理課程教學改革方案。本文的內容是在新工科建設背景下自動化專業課程教學改革的一次有益探索，可為傳統控制類課程的與時俱進、推陳出新奠定理論基礎。

關鍵詞：自動化;工科人才;教學改革

中圖分類號：TP13-4;G642??????????????文獻標識碼：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4.0對高校工科人才培養提出了新的要求。2017年以來，教育部在全國扎實推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導性文件，旨在培養出工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。2018年底，重慶郵電大學獲準立項建設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的重要抓手，重慶市教育委員會批準重慶郵電大學依托自動化學院成立新型二級學院——工業互聯網學院。工業互聯網學院以服務重慶市創新驅動發展戰略行動計劃為導向，以人才培養、技術創新為根本任務，以重慶市工業物聯網協同創新中心為紐帶，整合校內外優質資源，深化產教融合、校企合作，創新人才培養模式，將自動化學院現有的自動化、物聯網工程、機器人工程等專業建設成為適應我市大數據智能化產業發展需要的新工科專業及專業群。自動化專業作為工業互聯網學院國家級一流本科建設專業，正以前所未有的姿態邁入專業建設的快車道。

自動化是以自動控制理論為主要理論基礎，以傳感器與檢測技術、信息通信技術、計算機技術等為主要技術手段，對各類被控系統實施精準控制的一門工科專業。與傳統的自動化專業人才相比，新工科人才需要具備更強的工程實踐能力、更出色的創新能力、更突出的國際競爭力。但是，沿襲數十載的自動化專業人才培養模式早已老態龍鐘、盡顯疲態，全然無法適應新工科背景下工程實踐教學的需求，從根本上改革這一單一的人才培養模式迫在眉睫。必須從自動化專業的定位、專業知識體系、培養目標和方向等方面賦予專業人才培養新的內涵。特別要突破以“控制器設計”為主導的專業教學局限，轉而建立滿足新工科及新型二級學院建設需求的自動化專業人才培養新格局，扎實推進以工業互聯網為特色的國家一流本科專業建設。本文將以自動化專業的核心課程自動控制原理為例，系統闡述融合工程實際的自動化類課程教學改革的基本思路。

2《自動控制原理》課程的教學現狀

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

（2）教師教學內容偏向于理論推導及概念梳理，學生學習則以完成作業和應付考試為目標。進而造成學生綜合分析能力、工程實踐能力都沒有得到鍛煉與提高。

（3）教學實驗設施不足、實驗室開放力度不夠，造成學生無法建立控制理論和實際工程的關聯關系。

（4）沒有重視Matlab等系統仿真軟件的教學與應用，多數學生面對控制系統仿真有畏難情緒。

3《自動控制原理》課程的教學模式改革

自動控制原理課程是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強的課程。為了恰當地解決好“基礎與應用”“理論與實踐”“重點內容與知識面”等矛盾，使自動控制原理基礎系列課程內容體系具有系統性、創新性、工程性、實踐性。我們可以從優化教學內容和教學手段著手改革：第一，突出控制理論的物理概念及工程背景，淡化數學推導和理論證明;第二，持續整合、優化課程內容，著重講述與工程實際聯系更緊密、更能反映學科前沿的理論與方法;第三，采用理論課、實驗課交叉并行的教學模式，實現知識點理論講述和工程應用的無縫切換;第四，改革考核辦法，推行理論考試與工程實踐共進的新型考核模式。

以重慶郵電大學自動化專業為例，自動控制原理課程的教學內容主要圍繞三自由度直升機模型展開，從系統模型的建立，到系統動態性能指標以及穩態性能指標的分析，再到系統的根軌跡的繪制，最后到采用頻域法的系統控制器設計方法，都采用了我們最新購置的三自由度直升機教學科研兩用設備。從教學效果來看，三自由度直升機的引入不僅牢牢抓住了學生的注意力，提升了學生進一步學習課程的興趣，而且讓枯燥的理論知識具象化地呈現出來，讓學生可以更為深入的理解和掌握重要知識點。更為重要的是，理論和實際的有機結合在無形中鍛煉了學生的工程實踐能力;培養了學生在實踐中發現問題，解決問題的能力。

4《自動控制原理》課程的教學實例

4.1 三自由度直升機模型及仿真

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

直升機是二輸入三輸出的系統。兩個輸入為：兩個電機的電壓;三個輸出為：俯仰角、滾動角、偏航角。課程教學目的之一是，設計LQR控制器，通過調整電機輸入電壓，使得直升機模型跟隨給定的運行軌跡。如圖3為直升機俯仰方向簡圖，圖4為直升機滾動方向簡圖。

LQR問題的解是一個全狀態反饋調節器，有非常好的魯棒性能。它可以通過適當選取權矩陣Q和R，在控制信號能量和輸出性能之間進行調節。利用MATLAB的LQR函數可以很方便準確地求出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，俯仰角的調節時間約2s，滾動角的調節時間約2.5s，最終系統趨于穩定。

4.2 實例教學改革反饋

在課堂上通過理論教學與實例實驗教學結合，有助于學生提高自身的自主學習能力，提高學生對于課堂的參與度，也有利于學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模型與自動控制原理課程的結合，將書本上繁復的公式定理轉化為實際應用，增強課程的直觀性，不光使用MATLAB編寫控制程序會出現實際的系統運行狀態曲線，還可以直觀觀察直升機運行姿態判斷系統穩定性，有益于學生強化理解與掌握相關知識點。

5結論

本文介紹了圍繞三自由度直升機模型的自動控制原理課程教學改革方案，將課程的理論知識和實際工程對象相結合，不僅激發了學生學習自動控制原理課程的興趣，而且鍛煉了學生的工程實踐能力、培養了學生的理論創新能力。符合高水平新工科建設背景下，培養出工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復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