博士生教育是学历教育的最高层次，代表着一个国家的人才培养水平。与西方发达国家相比，我国的博士生教育在过去30余年的发展历程中虽然规模已经上升为世界第二，但总体水平还较低，提高博士生教育质量，增强博士生创新能力成为迫切需要解决的难题。清华大学自动化系从2001年开始启动博士生培养改革方案，经过十余年的艰苦努力和实践验证，形成了一个高水平创新型博士生培养的新模式。2014年，以自动化系张涛、周东华、周杰、张长水和王书宁几位老师组成的团队申报的教学改革成果获得2014年度中国学位与研究生教育学会研究生教育成果二等奖。
自动化专业的控制科学与工程学科具有很强的实践性，也是近年来发展非常快的领域。针对原有的博士生培养模式中存在课程与研究脱节、培养模式单一、导师队伍水平低等问题，自动化系于2001年启动了博士生培养的改革，提出了“塑造综合素质、培养创新能力、激发科研兴趣、具备国际视野”的核心理念。
首先，建立了一个以研究型课程为特色的教学体系，根据控制科学与工程一级学科中的七个二级学科的培养需求，合理设置博士生基础课、专业基础课和专业课，提高课程难度，加大课内课外学时比例，促进课程内容与教师的研究课题紧密衔接；
其次，自动化系打造了一支面向世界一流的博士生导师队伍，指导博士生开展国际前沿性研究。以两位两院院士、四名长江特聘教授、六名国家杰出青年基金获得者等国家级杰出人才为基础，聘请了美国哈佛大学何毓琦教授、南加州大学M. S. Waterman教授、控制科学家宋健院士、控制理论学家郭雷院士、模式识别学家马颂德研究员、吴宏鑫院士、孙柏林将军等，及国际著名自动控制与机器人学家、美国华盛顿大学谈自忠教授、加州伯克利大学S. Sastry教授等担任讲席教授、兼职教授或客座教授，打造了一支面向世界一流的博士生导师队伍。面向基础理论和重大需求，制定控制学科发展规划，指导博士生开展国际前沿性研究。
此外，自动化系建成了一个高水平的博士生教学实验与交流平台。建成1800余平米的自动化系实验教学中心，创立了全国自动化研究生学术论坛，建立了研究生国际交流资助体系。有效地推动了博士生开展创新科研，鼓励和支持学生参与高水平国际学术交流。
伴随着清华自动化系的博士生培养体系改革，其成果所涉及的博士生教学体系建设、科研创新培养、教学实验平台建设等在全国博士生教育改革中起到了辐射及引领作用。2007年和2012年，清华大学自动化系控制科学与工程学科连续两次被评为全国第一名。培养的博士生不但有很多人在学期间取得优异的科研成果，并且在毕业后广泛从事控制科学与控制工程各领域的科学研究、教学、系统设计等工作，为我国的自动化事业、信息产业作贡献。
