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毕业要求中有关解决“复杂工程问题”能力达成的说明
2017-05-24 21:48

1.达成途径概述

在自动化专业的毕业要求中,要求学生具有解决“自动化工程领域复杂工程问题”的能力是重要要求,例如在12项毕业要求中有8点明确涉及到了“自动化工程领域复杂工程问题”,其余4点也密切相关。为此,本小节将具体说明本专业如何通过各项措施(包括已做工作和持续改进措施)来使得学生具有解决“自动化工程领域复杂工程问题”的能力。

为使得学生具有解决“自动化工程领域复杂工程问题”的能力,自动化专业在培养过程中坚持以下四个原则:

1)将此目标贯穿于整个4年的教学环节中,包括基础课、专业基础课、专业主干课和实践环节。通过上述环节,环环相扣,形成合力,使得所有学生基本具备解决复杂工程问题的能力;

2)根据不同学生的特点,对于部分学生(80%左右),通过SRTP、各类竞赛(这些环节可符合复杂工程问题的需要),强化此目标的达成;

3)通过“毕业设计”环节,完善此目标的达成。特别是针对部分(20%左右)未通过SRTP、各类竞赛的学生,规定其“毕业设计”的选题必须满足“自动化工程领域复杂工程问题”的要求

4)考虑到原培养方案(例如2012培养方案)在制定过程中未明确、充分地考虑“复杂工程问题”的培养要求,在申请工程认证的近阶段,本专业又做了一些持续改进工作,包括:在2015培养方案中,将此目标重点落实于方向性专业综合设计环节,包括:控制系统建模与分析综合设计、控制工程系统综合设计、机器人系统综合设计、数字图像处理系统综合设计环节(每个学生41)。同时,自动化专业自2017年春季开始,在2014级(大三下学期)已经展开基于课程的系统综合设计工作。该综合设计主要基于运动控制、计算机控制、过程控制和自动控制原理等课程,同时吸纳相关其它课程知识,具有较高的综合性。

下面,通过3个不同的层次来进行具体说明。

2.层次1——基本达成

所谓“基本达成”是通过基础课、专业基础课、专业主干课和实践环节等环节,环环相扣,形成合力,使得所有学生基本具备解决复杂工程问题的能力。

1)已做工作

这里通过“控制技术实验”、“运动控制”和“过程控制”3个必修环节的教学案例,进行举例说明。

控制技术实验课程是主干课自动控制原理(上、下)的独立实验课,开设该实验课程的主要目的是通过实验手段强化教学效果,使学生对自动控制原理课程加深理解,并应用课程知识设计和实现实际的控制系统。为此,课程设立了大型设计实验:对一个发电机系统,要求采用现代控制理论知识设计控制系统,使其满足若干指标:系统稳态误差为零,过渡时间小于0.3秒,超调量小于20%。显然,该设计具有复杂工程问题的典型特征:

1)这是一个从方案设计、理论仿真计算到控制系统实现的实验过程,涉及到发动机系统的控制分析与综合,需要学生运用深入的自动化工程原理,必须经过细致分析才能得到解决;

2)需要建立发动机系统的状态空间方程模型才能解决,且在建模中要采用非线性处理等创新手段;

3)需要采用现代控制理论,而不是常规的单回路PID控制方法等;

4)需要学生进行团队合作,并对一些知识进行自学。

再以过程控制教学为例,该课程实验自始至终围绕水箱液位控制系统的分析与综合展开,同样具有典型的复杂工程问题特征:

1)液位控制需要学生运用深入的自动化工程原理,根据不同的控制要求,进行有针对性的技术分析和方案设计,可采用的方案包括开关方式控制、单回路控制、串级控制、前馈控制,甚至是模型预测控制方法等,必须经过细致分析才能得到解决;

2)需要建立对象的模型,可采用机理模型或经验模型,并根据不同的控制方法建立传递函数模型或非参数化模型,能体现出创造性;

3)根据不同的动态性能要求,需要采用串级或模型预测控制方法,而不是简单的PID控制;

4)需要进行建模、仿真、硬件实验系统搭建和软件参数设计等,具有较高的综合性;

5)实验过程需要团队合作,多人成组才能合作完成。

最后以运动控制课程的教学为例,该课程的实验环节以电机的调速问题层层推进,达到复杂工程问题解决能力的培养要求:

1)该实验是由电流环,到速度环,最后到双闭环的综合设计过程,双闭环设计与调试实验以微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构为基础,采用微处理器进行运动调速系统的完整电控设计、控制软件的编程及系统装置的调试,直至整个系统动作达到设计要求。显然,学生需要深入的自动化工程原理才能解决上述问题;

2)需要建立电机的数学模型,并根据实测参数对机理模型进行校正;

3)采用双闭环控制结构或具有前馈的复杂控制结构才能解决,而非简单的控制方法;

4)整个实验涉及到电机、传感器、电力电子、微处理器等多个领域知识,具有较高的综合性;

5)实验过程需要团队合作,多人成组才能合作完成。

2)持续改进工作

为响应工程教育认证标准(2015版)对复杂工程问题的描述及要求,自2015级开始,培养方案增加了一个41的系统综合设计环节,进一步培养自动化工程领域复杂工程问题的解决能力。这4个综合设计涵盖4个方向,由学生根据自己的兴趣方向选择,包括:控制系统建模与分析综合设计、控制工程系统综合设计机器人系统综合设计数字图像处理系统综合设计。有关“综合设计”的具体实施办法见附录3-7。下面以控制工程系统综合设计为例加以说明。

控制工程系统综合设计需要学生运用深入的自动化工程原理,必须经过细致分析才能得到解决。该综合设计主要分为2大方向,即运动控制和过程控制。以过程控制方向的温度控制系统综合设计为例,这里面首先涉及到温度控制方案的选择。根据不同的温度控制要求,如不同的稳态精度、抗扰动能力、超调量或过渡过程时间,可以有多种方案:单回路控制,串级控制,串级+前馈复合控制,解耦控制还是模型预测控制?这些都需要深入的自动化工程原理并结合细致的分析才能达到解决。

控制工程系统综合设计涉及到多方面技术、工程和其它因素,如不同的技术方案,工程实现的代价不同,包括实现的难易程度、时间成本、元器件成本、系统稳定性和可靠性等,这些因素之间还存在冲突,需要学生权衡考虑。

该综合设计需要通过建立合适的对象模型才能解决,如为了实施先进的模型预测控制,需要建立温度加热过程的对象模型。然而在建模时又可以有多种建模方法,如采用输入输出的黑箱经验模型;也可以采用机理模型,但这需要物理传热过程的专业知识。建模后又可以采用参数化模型,如传递函数、状态空间方程、微分方程,也可以采用非参数化模型。这些都需要学生在建模过程中体现出创造性。

该综合设计不同于课程实验,不是仅靠常用控制方法就可以完全解决的。常用控制方法如单回路PID控制只能解决设计的部分问题,如控制的稳定性,但其控制性能,如动态性能或抗扰动性能往往不足,必须采用复杂的控制结构,如前馈反馈复合控制、先进控制等改善控制性能。

此外,控制工程系统综合设计的问题中,相关各方利益可能不完全一致,如控制误差与操纵变量变化范围或变化速度之间的矛盾,效益与质量之间的矛盾等等,这些问题往往需要建立优化模型才能解决,需要培养学生学会建立合适的优化目标函数,考虑种种优化约束条件,并给出优化解。

控制工程系统综合设计还具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。如为了实现动态矩阵先进控制,必须首先建立合适的非参数化模型,然后再给出合适的目标函数和约束,最后给出可行解并付诸工程实施。又如,为得到良好的整定参数,需要建模并进行离线仿真研究,并在实际系统中进行对比分析。整个综合设计覆盖了控制工程的主要环节,包括方案设计、建模与仿真、硬件系统图纸设计、软件开发、系统投运与参数整定等,具有较高的综合性。

以上仅以控制工程系统综合设计为例,说明了本专业在综合设计方面如何进行自动化工程领域复杂工程问题解决能力培养的,在控制系统建模与分析综合设计、机器人系统综合设计数字图像处理系统综合设计等其它3个方向,也都具备相应的复杂工程问题特征,实现对自动化复杂工程问题解决能力培养的持续改进。

需要指出的是,作为持续改进的重要环节,自动化专业自2017年春季开始,在2014级(大三下学期)已经展开基于课程的系统综合设计工作。有关“综合设计”的具体实施办法见附录3-7。该综合设计主要基于运动控制、计算机控制、过程控制和自动控制原理等课程,同时吸纳相关其它课程知识,具有较高的综合性。主要课题包括:四旋翼飞行器控制、直流双闭环控制系统、卷绕控制系统和加热装置过程温度-液位控制系统等。上述系统的设计难度和复杂性在课程实验要求之上,基本靠向2015级开始的系统综合设计要求,具有系统综合设计调研环节,开题环节,设计及实现环节,以及答辩环节等,能够培养学生解决复杂工程问题的能力。

3.层次2——强化达成

所谓“强化达成”是通过SRTP、各类竞赛等环节,对于部分学生(80%左右)化此目标的达成。近三年来,自动化专业学生参加SRTP,并且所选择的课题符合“复杂工程问题”要求,或参加智能车、机器人等符合“复杂工程问题”要求的竞赛(2014年第八届智能车校赛参赛105人,获奖35人;2015年第九届智能车校赛参赛108人,获奖38人;2016年第十届智能车校赛参赛102人,获奖31)比例一共为80%左右(有关具体材料见本报告的第7部分)。

下面以一个SRTP项目和智能车竞赛为例,进行简要说明。

12015国家级SRTP项目——基于zigbee的恒温恒湿智能家居系统(1410286051)。

SRTP(大学生科研训练项目)采用由学生为主体的实施方式,通过立项(由学生自己提出研究的问题)、研究(由学生自己研究解决问题的途径)和结题(由学生自己给出最终的解决方案)等过程完成学生综合实践能力的培养。学生在整个研学过程中须完整经历:文献资料综述→研究(或设计)方案制定→实验研究(或设计制造、或调查研究)→撰写报告或论文→书写心得体会→答辩的全过程,并通过结题验收,方能取得相应的课外研学分值。

该项目于20145月立项,项目研究经过一年多时间于20159月结题答辩,成绩为优秀。

该项目的研究内容为采用无线网络构建恒温恒湿智能家居系统,来源于生活实际需求,需要用到所学的理论知识和相关工程知识来解决生活问题,具有复杂工程问题的特性,基于深入的工程原理才能解决。

学生通过查阅文献,设计方案论证进行技术经济分析——从技术、经济和环保角度分析比较各种无线网络,确定zigbee作为无线通信最佳设计方案;涉及多方面的技术、工程和其他因素,并可能相互有一定的冲突。

在系统的设计过程中具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题——无线通信网络、多种智能家居传感器的集成、数据传输的通信协议等;在此基础上进行系统软硬件的设计与实现,以满足项目提出的目标。

该项目5位成员,除了4位自动化学院外还有一位计算机学院的学生,是跨院系组合。在项目的完成过程,包括设计实现、后期的报告撰写和答辩都需要项目组全体成员充分交流和默契协作,培养了学生的团队精神。

2)智能车竞赛

自动化专业2007年开始在东南大学校内组织承办东南大学智能车竞赛。东南大学智能车竞赛的赛题在每年国赛规则公布后做一些适合调整,需要参赛队伍完成的任务是:在规定的模型汽车平台上,使用微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件,制作一个能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜,分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。

要能顺利完成该竞赛的任务,学生必须运用深入的工程原理,经过分析才可能得到解决,而且是涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的理论知识和应用。完成智能车竞赛任务需要的知识点包括以单片机、数字控制系统和测控系统等的基础知识;道路检测,车速检测,电机驱动和电机控制等智能车控制知识;调试电路、车模机械结构和可靠性及赛道适应性等调试知识。

由于完成智能车竞赛任务不仅需要多学科的理论知识储备,还需要动手制作硬件电路板和软件应用程序,另外车模的机械调整也是关系到参赛成绩的关键因素。所以整个东南大学智能车竞赛周期长达6个月。参赛团队在完成智能车制作这样一个复杂工程问题的竞赛任务过程中,主要有竞赛培训,中期考核,赛前资格审核和现场比赛等过程。完成可以参赛的智能车制作是基于深入的工程原理才能解决的。

在赛前培训过程中,通过组委会的赛前培训初步掌握智能车竞赛的基础知识,面对智能车制作这样一个复杂工程问题,学生通过拓展相关知识面和团队成员之间的交流对智能车制作有一个整体的认知,了解到智能车的制作需要多方面学科理论和工程知识才能完成竞赛任务

在中期考核阶段,参赛队伍对于智能车的制作有了一定程度的认识,进入探索期,通过参赛队员之间的交流与协作,对于复杂工程问题的解决处于摸索阶段,初步完成具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题的解决方案.

在赛前资格审核阶段,参赛队伍逐步完成智能车的整车制作与调试,对复杂工程问题的认知更加深刻,能够从技术、经济分析比较传感器方案,确定最佳设计方案;涉及多方面的技术、工程和其他因素,在这个过程中同学们解决复杂工程问题的速度变快,在调试智能车的过程团队成员间发生大量的交流与协作,团队成员间越来越默契。

在现场比赛阶段,是最后对于复杂工程问题解决的检验,现场比赛是对每个同学多方面知识、能力和素质的整合,根据现场比赛环境的实际情况,为使智能车获得更好的性能,需要有现场比赛的速度控制策略,最后完成比赛任务,最终解决复杂工程问题。

4.层次3——完善达成

所谓“完善达成”是通过毕业设计环节,完善此目标的达成。在此需要特别说明的是,为保证对于每个学生100%的达成,自动化专业特别规定:对于未通过SRTP、各类竞赛的学生(20%左右),其“毕业设计”的选题必须满足“自动化工程领域复杂工程问题”的要求。整体上,近三年来自动化专业学生的毕业设计选题中,符合“复杂工程问题”要求的比例超过80%(详见本报告的第5部分和有关毕业设计材料)。

2012级学生为例,一共有13位同学未通过满足“自动化工程领域复杂工程问题”要求的SRTP、各类竞赛,其毕业设计选题如表3-5-1所示。所选择的课题均可以满足“自动化工程领域复杂工程问题”的要求。

1 2012级未通过SRTP、各类竞赛学生的毕业设计情况

序号

学号

姓名

毕业设计题目

1

08012207

姜真辣

基于Android的人脸卡通化

2

08012208

范蕾

火焰检测方法与实现

3

08012215

潘志鹏

连续化工过程整厂控制系统设计方法的实例研究及仿真

4

08012225

安锐

西门子S7-200PLC控制的十层电梯系统设计

5

08012231

刘琛

HDA连续化工过程中的分离和提纯段实例研究及动静态仿真

6

08012235

虞文涛

基于C8051单片机的过程对象模糊控制器仿真与控制平台研制

7

08012304

戴澄

智能投切开关设计

8

08012437

唐圣棵

聚类算法及应用研究

9

08012403

佘梦凡

基于Android的血吸虫病数字化监测预警系统手机客户端软件的开发与实现

10

08012404

杨雨炜

手持望远镜稳像系统设计

11

08012407

胡文静

无线遥控六足机器人系统设计

12

08012409

陈东旭

电子巡更系统上位机软件开发

13

08012419

赵健雄

风电的波动成本计算及应用

下面以一个毕业设计为例进行简要说明。

该毕业设计题目为:货物编号自动识别系统设计。

任务要求:国家有关规定要求对特殊类货物采用妥善优化的方式进行管理,并且必须建立货物档案和出入登记制度。本课题主要研究货物编号的数据采集与自动识别系统,涉及信号处理、图像分析、机器学习与模式识别等学科领域。

具体要求:在安全性、实用性、稳定性、扩展性原则的基础上,充分考虑应用需求和未来发展,同时考虑系统的总体拥有成本,采用先进的自动化技术、计算机与网络等技术,实现货物编号的无接触自动采集、编号识别与录入、数据管理一体的自动化系统,从而有效货物信息管理效率,降低系统整体运行维护成本。

本课题具有如下“复杂工程问题”特征:

1)课题“货物编号自动识别系统设计”必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决,不是一个简单的理论应用问题。

2)课题需求涉及多方面的技术与工程因素,并可能相互有一定冲突。例如,课题要求方案的实用性,即要满足实时性,但同时还要考虑可靠性,即识别的准确性,这两个要求是存在一定的冲突的,需要充分考虑系统的需求,经过不断分析与测试后才有可能给出合理的解决方案。

3)课题需要通过建立合适的抽象模型才能解决,例如对采集得到的字符图像,需要先经过大量样本进行训练后得到一个模型,才能进行较为准确的识别。如何选择或者建立模型,则是需要学生体现创造性的地方。

4)课题不是仅靠常用方法就可以完全解决的,存在多方案的选择和决策问题。例如,可以考虑采用RFID方案,也可考虑摄像头采集方案,这就需要学生根据需求进行深入分析从而做出决策。

5)课题具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。设计的系统各组成部分之间相互联系,相互依赖,相互制约,需要学生综合考虑复杂工程问题的各部分因素,从关联中寻找规律。

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