人工智能專業的自動控制原理課程教學改革

徐文霞　于寶成　趙彤洲　盧濤

[摘 要] 針對人工智能專業課程體系設置與傳統工科專業的不同，在自動控制原理授課過程中，將機器人實例貫穿整個課程的教學中，通過問題驅動的教學方法，讓學生學以致用，提高了學生分析和解決問題的能力。

[關鍵詞] 機器人;自動控制原理;人工智能專業;教學改革

[作者簡介] 徐文霞（1986—），女，湖北武漢人，博士，武漢工程大學計算機科學與工程學院講師，博士，主要從事智能機器人相關研究;于寶成（通信作者）（1974—），男，博士，武漢工程大學計算機科學與工程學院副教授，主要從事機電一體化相關研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）25-0221-02? ? [收稿日期] 2020-02-26

一、引言

自動控制原理是電類專業，如電氣工程、自動化等專業非常重要的基礎課程。自動控制技術也是各類工業生產、高新技術產品生產等行業的關鍵及核心技術，因此自動控制原理課程對于各個行業的發展都有著至關重要的作用[1]。

人工智能相關專業的載體是智能機器人，而機器人控制系統是一個非常典型的自動控制系統，它具備感知、決策、執行的能力，是一個典型的閉環控制系統。對于人工智能專業學生，學習自動控制原理是十分必要和重要的。人工智能專業屬于新興學科，是計算機、自動化、信息技術等專業的綜合體，是一個綜合性的學科[2]。但是自動控制原理課程的學習需要數學、物理以及電學學科的知識，而人工智能專業的課程系統不可能完全把這些學科知識包含到其中，所以人工智能專業的自動控制原理課程的教學應該根據該專業的課程體系設置，以及該專業學生的實際情況進行適當的調整與改革。

提出人工智能專業的自動控制原理課程的教學改革方法，將機器人作為自動控制原理課的應用實例，貫穿到整個課程的教學知識點中，建立“問題為驅動”的教學方法，提高學生對課程理論知識的理解和實際運動能力。該教學方法內容結構如圖1所示。

二、課程教學現狀

目前對于人工智能專業，自動控制原理課程教學目前存在兩個問題。一是自動控制原理課程的學習需要自然、物理和電學相關知識作為基礎，而人工智能專業是一個綜合性學科，專業體系設置不可能全面覆蓋該課程所需基礎理論知識，導致學生在學習的過程中，缺少相應的理論基礎;二是傳統的教學模式是圍繞知識點進行教學，但是這種方法缺乏靈活性，難以激發學生的學習興趣，而且不能培養學生的創新能力[3]。

針對以上問題，在自動控制原理的課程教學中，以機器人系統作為研究對象，要適當削弱或者減少對物理系統、電學系統基礎知識的依賴。機器人控制系統是一個非常典型的自動控制系統，機器人控制系統可以進行系統建模、系統的性能分析、穩定性分析，以及系統的穩定性改進。所以在課程的教學過程中，將一種機器人的應用貫穿整個課程的教學中，這樣可以增加課程知識點之間的邏輯性，幫助學生理解知識點以及知識點的應用方法。同時增加機器人相關視頻以及在線網絡課程，引進先進的機器人技術，激發學生的學習興趣，增強學生的創造力，提高學生對工程問題的分析和解決能力。

三、課程內容教學體系

自動控制原理課程的主要內容包括系統建模、時域分析、跟軌跡分析、頻域分析以及PID控制，主要分析系統的動態性能、穩態性能以及頻率特性等，根據控制對象的控制目標對系統進行分析、設計和優化。針對人工智能專業的學生，以機器人為研究對象，將機器人系統的系統分析和設計實例整合到課程的各個主要內容中，培養和提高學生對自動控制原理課程的理解、系統的分析和設計能力，為后續的人工智能相關課程打下堅實的基礎。

1.機器人系統數學建模。數學建模是控制的基礎，建模的意義在于定性和定量的表達系統的運行規律和物理屬性，并為后續的系統分析和設計提供控制方法。以工業機器人作為對象，通過分析工業機器人的運動學規律，建立工業機器人的運動學模型，得到工業機器人的末端執行器位置和機械臂關節選擇角度之間的關系，從而建立工業機器人的運動模型。

2.機器人系統穩定性分析。機器人電機具有飽和非線性特性，所以對機器人系統來說，需要分析電機的飽和非線性影響下系統的穩定性。機器人系統的非線性環節的特性曲線和線性環節的奈奎斯特曲線之間的關系可以分析系統的穩定性。

3.機器人系統頻率特性分析。機器人系統是一個綜合性系統，包含一些結構復雜的子系統，對于這種子系統，采用一般方法很難建立其模型，所以根據頻率響應實驗的數據繪制系統的伯德（Bode）圖，確定該系統所包含的典型環節，得到該系統的頻率特性，最后使用算子替換的方法得到該系統的數學模型，完成該系統的系統辨識任務。

4.PID控制及其校正。PID控制是控制系統最常見的控制方法，以工業機器人作為實例，為其設計PID控制方法，調節三個控制參數KP，KI和KD，通過控制機械臂關節角度來實現機械臂末端執行器的軌跡控制。

四、小結

針對人工智能專業的學生，在自動控制原理授課過程中，提出了問題驅動的方法。在課程的各個章節中設計以機器人為對象的解題任務，增強了各個章節的邏輯性，激發了學生的學習興趣，提高了學生的分析和解決問題的能力。

參考文獻

[1]鄭艷.“自動控制原理”混合式教學模式探索及教學實踐[J].電氣電子教學學報，2019，41（6）：44-48.

[2]羅家祥.自動化專業理論課程課堂教學中的三層互動設計[J].電氣電子教學學報，2019，41（4）：115-117.

[3]海濤，趙娟，李偉洪.面向創新能力培養的自動控制原理教學方法研究[J].中國教育技術裝備，2015，12（24）：90-92.

Abstract： In view of the difference between the artificial intelligence major curriculum system setting and the traditional engineering majors， the examples of robot run through the entire? teaching process of Automatic Control Theory. Through problem-driven teaching methods， students can learn to apply and improve their abilities of analyzing and solving problems.

Key words： robot; Automatic Control Theory; the major of artificial intelligence; teaching reform