“智能控制”教學改革探索與實踐

摘要：智能控制是自動化相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)課程。結(jié)合“智能控制”課程改革中的實踐和體會，總結(jié)了一些具體的做法。重點討論了改革教學方法和考核方式、引入研究型教學等做法。教學實踐表明，這些措施激發(fā)了學生對智能控制的興趣，取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：智能控制；教學方法；教學改革

作者簡介：李俊紅（1980-），女，山東淄博人，南通大學電氣工程學院，講師；姜平（1962-），男，江蘇南通人，南通大學電氣工程學院，教授。（江蘇 南通 226019）

基金項目：本文系南通大學教學改革研究項目（項目編號：2012B031）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0088-02

“智能控制”課程是自動化學科各專業(yè)的一門專業(yè)課程，[1-3]是“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”等課程的后續(xù)課程。智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段，是自動控制、人工智能、運籌學等多種學科的交叉融合。[4，5]智能控制課程主要闡述控制理論的最新發(fā)展，主要內(nèi)容一般為模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制等。該課程中有些內(nèi)容抽象，理論性較強，公式較多，學生容易覺得枯燥而不愿深入學習。如何提高學生對這門課程的學習興趣，在有限的課時內(nèi)讓學生了解新的控制理論和方法，提高他們的創(chuàng)新能力，是這門課程改革的重要內(nèi)容。在教學過程中，通過改進教學方法、考核方式等做法，促進了學生學習的積極性，收到了良好的效果。

一、教學方法的改革

深化教學方法的改革是教學改革的重點，也是筆者一直探索和深入思考的問題，因此在教學過程中采取了一些措施。

1.在教學過程中注意將科研引入教學

智能控制是很寬泛的一個名稱，它是控制理論發(fā)展的高級階段。而控制理論是在不斷發(fā)展的，現(xiàn)有的教科書上雖然介紹了基本的智能控制算法，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制等，但最新發(fā)展的研究方向和熱點往往涉及不到。因此，在教學過程中將參加國際會議時了解到的控制理論的最新方向介紹給學生，讓學生了解智能控制的前沿。如果學校邀請相關(guān)的專家來做相關(guān)講座，通知學生盡量前去聆聽。通過這樣的訓練，提高學生對控制學科的興趣，拓寬學生各方面的視野，有助于他們創(chuàng)新思維模式的培養(yǎng)。比如邀請智能控制專家胡教授做智能機器人的講座，學生傾聽了之后反響很大，通過這樣的方式大大拓寬了他們的知識面，讓他們了解到智能控制確確實實是用于實際系統(tǒng)的，而不是停留在純理論階段。

2.在教學過程中倡導啟發(fā)式、問題式教學

原有的教學過程一般采用灌輸式，一堂課40分鐘基本是老師在講，學生很少參與，整個課堂死氣沉沉，沒有生機。教師應在講課過程中設置一些小問題，引導學生積極參與進來。比如在講模糊控制器的結(jié)構(gòu)時，首先畫出一維和二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖，介紹模糊控制器的輸入和輸出，然后讓學生回顧PID控制算法的形式，回答一維和二維模糊控制器與PID控制器之間的聯(lián)系和區(qū)別，加深對模糊控制算法的理解。在講水箱液位系統(tǒng)模糊控制規(guī)則時，畫出系統(tǒng)的輸出響應曲線，讓學生回答在不同的階段控制規(guī)則應該怎樣選取。

通過啟發(fā)式教學、問題式教學，改變學生的被動地位，充分調(diào)動他們的積極性、主動性和創(chuàng)造性，讓學生以積極的態(tài)度參與到課堂學習中去。

二、充分利用MATLAB軟件

MATLAB是美國The MathWorks公司開發(fā)的一種語言，[6]在信號處理和通信、圖像和視頻處理、控制系統(tǒng)、測試和測量、計算金融學及計算生物學等眾多應用領(lǐng)域具有廣泛的應用。它將數(shù)值分析、信號處理、矩陣計算、圖形功能和系統(tǒng)仿真融合為一體，用戶可以在易學易用的環(huán)境中求解問題，避免了傳統(tǒng)的復雜專業(yè)編程。MATLAB還有圖形化開發(fā)環(huán)境SIMULIKINK，應用于系統(tǒng)模擬、動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。

智能控制是在人工智能和自動控制等多門學科基礎上發(fā)展起來的交叉學科，在課程內(nèi)容上有自己的特點。有些算法，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等很多章節(jié)，涉及到模糊數(shù)學、最優(yōu)化算法等許多理論知識，相對其他課程來說理論性比較強。因此如何提高學生的學習興趣讓這門課生動起來，是值得探討的問題。MATLAB給這門課程的學習提供了一個很好的載體和工具，智能控制中的典型控制算法，比如模糊控制（Fuzzy Control）、神經(jīng)網(wǎng)絡控制（Neural Network Control）等在MATLAB中都具有現(xiàn)成的工具箱。模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）提供了基于鼠標操作的圖形用戶界面，用戶可以容易地完成模糊邏輯的設計過程。其包含5個圖形編輯器，而且可以與Simulink無縫協(xié)同工作。

在講課過程中，對于某些抽象內(nèi)容可以隨時使用MATLAB軟件給學生做展示。比如在講模糊隸屬度函數(shù)內(nèi)容時，通過以下命令可以建立一個高斯型隸屬度函數(shù)：

>> x=0：0.1：10； y=gaussmf（x，[2 5]）；

>>plot（x，y）；

>>xlabel（‘gaussmf，p=[2 5]’）

運行一下之后，就可以得到隸屬度函數(shù)圖形，如圖1所示：

通過這樣的做法，這樣讓學生很直觀的看到高斯型隸屬度函數(shù)的形狀，加深了印象。

除了在課堂上隨時運用之外，在講完模糊控制的基本思想之后，讓學生去圖書館借閱相關(guān)的MATLAB書籍，設計一個實際系統(tǒng)的模糊控制器，掌握模糊控制算法的MATLAB設計方法。通過這樣的做法，有助于學生對智能控制課程的理解和掌握，而且對于學生掌握和應用MATLAB也起到很好的效果。學完這門課程之后，他們在后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計中也能夠得心應手地應用這個工具。

三、改進考核方式

很多課程往往采用的傳統(tǒng)的考核方式，即學完這門課程后，根據(jù)講課內(nèi)容將重點要考查學生的內(nèi)容以試卷的形式讓學生在規(guī)定兩個小時內(nèi)完成，最終成績以考試成績和平時上課表現(xiàn)決定。這樣的考核方式比較單一，而且試卷上往往反映的是學生對于理論知識掌握的情況，很難綜合考查學生的知識運用能力和創(chuàng)新能力，而學校最終培養(yǎng)的應該是創(chuàng)新型人才，而不是高分低能、按部就班的學生。因此，筆者對這樣的考核方式進行了改革，總結(jié)如下：

第一種考核方式是課程設計方式，即充分利用實驗室的浙江中控DCS和齊鑫公司的鍋爐水箱液位實驗系統(tǒng)，實驗對象的工藝流程圖如圖2所示。工藝流程是：水泵將水從儲水箱中抽到高位水箱，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥流入水箱，最后再流回儲水箱，構(gòu)成一個動態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。被控對象是水箱，被控量是水箱液位，液位傳感器采用差壓變送器。由進水電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)液位高度，將出水調(diào)節(jié)閥設置為手操器方式。

設計的要求是讓學生在了解被控對象工藝流程的基礎上，設計一個二維的模糊控制器，將模糊控制方法用于水箱液位系統(tǒng)的實際控制，并與傳統(tǒng)的PID控制方法進行比較。學生在設計過程中要考慮很多因素，比如確定論域、量化因子的選取規(guī)則、隸屬度函數(shù)的確定、模糊控制規(guī)則的選定、精確化計算等許多問題。通過這樣的訓練，可以讓學生深刻理解課堂上所學的知識，并與實際結(jié)合起來，將抽象的理論用于實際對象的控制，同時還增強了學生的動手能力。

第二種考核方式是小論文方式，在學完模糊控制（Fuzzy Control）、神經(jīng)網(wǎng)絡控制（Neural Network Control）等幾種智能控制方法之后，讓學生搜集相關(guān)資料，總結(jié)智能控制方面的相關(guān)進展，以小論文的形式上交。通過這樣的考核方式，可以鍛煉學生查找文獻和資料的能力。

四、小結(jié)

本課程組老師在“智能控制”課程教學過程中，注意改革傳統(tǒng)的教學方法和教學理念，將科研引入教學，培養(yǎng)學生對智能控制最新理論的興趣，培養(yǎng)他們的科研意識；講課中改變灌輸式為啟發(fā)式、問題式教學，提高課堂效率；通過改進考核方式，提高學生的創(chuàng)新能力。以上這些做法在教學過程中都取得了較好的成效。

參考文獻：

[1]吳建設，于昕，焦李成.“智能控制”教學方法探索與思考[J].計算機教育，2010，（19）：93-95.

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[4]袁宇浩，張廣明.研究生“智能控制”課程教學探討[J].中國電力教育，2010，（7）：52-53.

[5]余伶俐，蔡自興，肖曉明.智能控制精品課程教學改革研究[J].計算機教育，2010，（19）：35-39.

[6]毛玉蓉.MATLAB 在智能控制課程教學中的應用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2008，（2）：8-12.

（責任編輯：王意琴）