创新能力的培养是衡量一个国家是否具有可持续核心竞争力的一项重要指标[1]，是社会不断向前发展的重要动力。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》明确提出，要着重培养大学生的创新能力和解决实际问题的实践能力[2-3]。

　　在新工科和工程教育专业认证的背景下，我校以培养学生的创新思维、提高学生的动手实践能力为落脚点，充分发挥学生的学习主体地位，助力不同层次的学生成长成才，将积极培育学生的创新实践技能始终贯穿于人才培养的各个关键环节。

　　作为实验装置, 倒立摆具有成本低廉、结构简单、便于模拟、形象直观的特点;作为被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的复杂被控系统，可以有效地反映控制中的许多问题;作为检测模型，它与机器人、飞行器、起重机稳钩装置等重心在上、支点在下的控制系统有很大的相似性。因此，对倒立摆的研究具有重要的工程背景和实际意义。

　　罗晶等[4]应用MATLAB仿真了直线型一阶倒立摆，并利用固高公司的GIP-100-L一阶倒立摆开展了实验，加深了学生对理论知识的理解。张涛等[5]应用组态软件对倒立摆系统进行动态可视化处理，模拟仿真了LQR算法在倒立摆系统中的应用价值，加强了学生对LQR算法控制倒立摆系统的理解。曹建平[6]从系统方案设计入手，对旋转倒立摆做了理论分析和 MATLAB仿真验证，给出软件控制算法和程序框图，完成了旋转倒立摆的系统设计。王来志[7]采用双闭环PID算法对倒立摆模型旋臂位置和摆臂位置进行稳定控制，并使用飞思卡尔的MK60DN512ZVLQ10搭建了实验平台。

　　我院对自动化类专业学生给出了一阶旋转倒立摆的创新实践设计命题，要求学生进行相关的机械本体结构及控制系统的软硬件设计，使控制系统成功实现起摆、稳摆运行。通过该设计，培养学生的机电系统综合设计能力和创新实践能力。

　　1 装置总体结构设计

　　2 控制系统硬件设计

　　3 控制系统软件设计

　　4 测试分析

　　5 结语

　　如何提高和增强本科生的创新能力和实践能力，已成为高等工程教育面临的突出问题。本文设计的装置具有成本低、占地空间小的特点。利用该装置，学生不仅可以验证PID控制等经典算法，而且可以验证模糊控制、神经网络控制、强化学习控制等智能算法。通过该装置的设计，一方面锻炼和提高了学生的机械硬件设计能力，另一方面开拓了学生的编程思路，有效调动了学生的学习积极性，增强其动手能力，使其主动地深入思考与探索新知识，提高了学生的创造力。通过让自动化类学生设计该装置，提高了学生的系统分析、设计和实践能力，培养了学生的创新意识和实践能力。

　　参考文献

　　[1] 王冠军,江海峰,林果园,等.卓越计划与学科竞赛平台相结合的嵌入式方向人才培养创新实践[J].实验室研究与探索,2017,36(8):187-190.

　　[2] 邱士雷,王子龙,杨琬琨,等.高技术产业创新能力的空间集聚效应分析[J].研究与发展管理,2018,30(6):128-137.

　　[3] 陆国栋,陈临强,何钦铭,等.高校学科竞赛评估:思路、方法和探索[J].中国高教研究,2018(2):63-74.

　　[4] 罗晶,陈平.一阶倒立摆的PID控制[J].实验室研究与探索,2005,24(11):26-28.

　　[5] 张涛,蒋静坪.基于LQR算法的倒立摆动态可视控制系统[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2008,30(5):685-688.

　　[6] 曹建平.单级旋转倒立摆的控制系统设计[J].自动化应用,2014(4):32-34.

　　[7] 王来志,杨雨农.一阶旋转倒立摆及其控制装置的研究与实现[J].西南师范大学学报(自然科学版),2016,41(8):145-150.

　　[8] ÅSTRÖM K J, FURUTA K. Swinging up a pendulum by energy control [J]. Automatica, 2000,36(2): 287-295.

　　[9] 包敬海,覃贵寿.基于STM32和增量PID的旋转倒立摆的设计[J].钦州学院学报,2013,28(11):1-5.

　　[10] MATHEW N J, RAO K K, SIVAKUMARAN N. Swing up and stabilization control of a rotary inverted pendulum[C]. IFAC Proceedings Volumes, 2013,46(32): 654-659.

杨秀丽 齐龙 邢航 魏玉 魏德仙　华南农业大学工程学院