关于自动化专业领域复杂工程问题的研究

摘 要：根据人才培养的现状，研究与构建工程技术人才培养模式。学习国际先进的教育理念、明确培养目标、选择“解决复杂工程问题能力培养”人才培养模式，建立和运行教学质量监控和长效反馈机制，对于加快我国工程教育人才培养具有重要意义。

关键词：工程教育;教学质量;培养模式

本文以“自動化产线”为载体进一步阐述复杂工程问题的研究和解决方法。自动化产线一般由送料单元、加工单元、转配单元、输送单元和分拣单元5个模块组成。各工作站均设置一台PLC承担其控制任务，各PLC中间通过RS485串行通信实现互连，构成分布式控制系统。

1 问题的复杂性分析

“自动化产线的设计、集成和控制”复杂工程问题涉及生产工序分析、硬件设备选型、控制程序设计、自动化系统集成、设备安装调试、系统运行调优等多项工程环节，需要控制理论、数学建模、系统优化、检测技术，电机控制等多门学科理论知识基础的支撑。此工程问题符合复杂工程问题要求的特征条件。

1.1 必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决

从环节上看，自动化产线的被控对象、执行机构、检测仪表、控制装置、反馈装置等每个环节都要求学生深入掌握该环节涉及的装置或仪表的工程原理，具有相应的数学建模能力，了解相应的技术、经济特性，经过深入的工程原理分析，能对各环节开展系统设计、设备选型、使用操作、技术调试等工作。

1.2 需要涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突

综合性方面，“自动化产线”涉及被控对象生产工序过程、控制理论、控制策略、系统解决方案设计等多方面的技术;控制系统需要考虑系统的稳定性、控制精度和现场环境等要求;涉及到系统成本、现场安装、现场调试和系统运行维护等实际问题。冲突性方面，“自动化产线”的先进性和系统预算之间;控制精度与响应速度;人力成本与施工进度等之间均有冲突。这是一个多自动化技术集成、多工程环节组合、相互间存在矛盾，各方利益之间存在矛盾，各环节是一个单独的子系统，但整体又具有很强的系统性的复杂工程问题。

1.3 需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性

“自动化产线”的多个环节需要建立数学模型，并进行模型分析、系统优化，必须针对被控对象的工程特性，建立系统最优控制的数学模型，控制系统的控制效果才能达到被控对象的工艺要求。本问题为学生设置了较多的进阶要求，比如控制算法的改进，识别准确率的提高，更快速的步进电机和伺服电机控制要求等，这些都需要学生先建立模型，然后借助MATLAB等现代仿真工具进行研究。

1.4 问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中

在本问题中，为了适应工业4.0和先进制造的时代要求，我们对“自动化产线的设计、集成和控制”提出了更高的要求：即不仅要满足问题给定的功能和性能要求，同时要对“自动化产线”的从产品决策、设计、生产到销售的整个生产过程实现自动化和智能化，因此学生必须了解工业4.0和中国制造2025的相关知识，并通过参阅和自学大量的课外技术资料（如机器人技术、柔性制造等）提出优选的解决方案。

综上所述，“自动化产线的设计、集成和控制”工程问题是一个多学科综合、多技术集成、多工程环节组合的复杂工程问题。

2 支撑解决复杂工程问题的核心课程体系

支撑“自动化产线的设计、集成和控制”这一复杂工程问题的课程被划分为两大模块：工程理论模块和工程实践模块。

其中，工程理论模块支撑的毕业要求包括：（1）能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题;（2）能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题;（3）能够基于科学原理并采用科学方法对复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据。

其中，工程实践模块支撑的毕业要求包括：（1）能够设计针对复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题的解决方案，设计满足特定需求的电气系统、单元（部件）或自动化流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素;（2）能够针对复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具;（3）能够理解和评价针对复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响;（4）能够就复杂电气系统、工业自动化系统的信息与控制问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际化视野。

3 课程体系的实施

课程体系设计依据的是毕业要求，毕业要求中对学生知识、能力和素质目标的要求，要在课程体系中充分体现。工程基础类课程、专业基础类课程和专业类课程至少占总学分的30%;工程实践与毕业设计（论文）至少占总学分的 20%;人文社会科学类通识教育课程至少占总学分的 15%。学生解决复杂工程问题能力的培养是循序渐进，贯穿大学四年，由多个教学环节支撑，是一个动态形成和持续改进的过程。此外，本专业课程“企业生产实习”是支撑“自动化产线的设计、集成和控制”这一复杂工程问题的重要载体。

4 结语

在解决复杂问题的过程中，学校应该加强“双师型”教师的培养。广大高校教师由于普遍缺乏工程背景，工程实践经历和经验相对比较薄弱。因此需要投入大量的人力和物力资源，创造一切便利条件，为广大教师提供一线工程实践的机会。在具体的工程实践项目中，提升自身的业务水平、工程经验、沟通交流能力和工程管理能力等。

项目资助：教育部卓越工程师计划项目-电气工程及其自动化;苏州大学一流本科专业项目-电气工程及其自动化;江苏省一流本科专业-电气工程及其自动化

作者简介：陈庆（1984-），男，江苏泰兴人，硕士，讲师。