智能控制課程實驗教學探討

魏世勇　蔡自興

摘 要 本文探討中南大學智能控制課程教學，尤其是其實驗教學問題。首先闡述該課程的特色，包括創新教學模式、更新教材內容和優化教學手段等方面的理念與做法。然后著重討論該課程實驗教學的思路和方法，涉及注重理論與實踐結合、開發與應用網絡課程、采用多媒體與虛擬實驗以及進行先進實驗系統觀摩等。最后，介紹一個智能控制實驗的實例，即單神經元自適應閉環控制，比較分析了實驗結果，說明實驗方法的有效性。

關鍵詞 智能控制 課程 實驗教學 探討

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.053

Abstract The teaching， especially the experimental teaching of the course of Intelligent Control has been proved in the paper. First of all， the features of the course have been presented， which include the ideas and methods in creating the teaching mode， updating the contents of the textbooks， and optimizing the teaching means. The ways and means of the experimental teaching for the course dealing with the connecting the theory with practice， developing the network course， adopting the multiple media and virtual experiments， and proceeding the inspection of some advanced control and navigation systems， have then been discussed. An experimental example， the single neuron adaptive feedback control system， has been introduced and analyzed at last. The experiment has shown that the experimental means is valid.

Keywords Intelligent Control； course； experimental teaching； probing

0 引言

智能控制學科是智能科學的一個重要組成部分和典型的交叉學科；①智能控制課程是自動化專業的一門特色課程和智能科學與技術專業的一門重要課程。全國講授該課程的高校估計在百家以上，然而在該課程中開設實驗教學的學校卻為數不多。本文試圖就我校智能控制課程實驗教學的某些問題進行探討，以期與兄弟院校同行交流，得到有關師生的批評指正。

1 課程特色

1988年我校開始講授“智能控制”課程，是國內最早開設智能控制課程的院校之一。經過20多年建設與改革，該課程已取得突出的教學和教改成果，已成為國內同類課程中的優秀課程。②本課程具有如下特色：

1.1 創新教學模式

經過長期探索與實踐，逐步形成“以趣導課、以疑啟思、以法解惑、以律求知”的教學模式和教學方法。③該課程主講教師的講授過程生動形象，富有啟發性，能夠激勵學生的學習主動性，發揮獨立思考和創新思維，進而多方位培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

1.2 更新教材內容

本課程與時俱進，不斷更新教材內容。在20年（1988-2007年）間出版了5部智能控制教材，具有系統性、新穎性、實用性和可讀性等特色。④⑤⑥⑦這些教材及時地反映國內外智能控制學科理論和應用的最新進展，處于國內領先地位，曾獲全國電子類優秀教材一等獎等項獎勵。因此，能夠保證教學內容適時滿足新的教學要求。

1.3 優化教學手段

為提高智能控制課程的教學質量，于2004年開發了智能控制網絡課程，2010年又對其進行修訂。該網絡課程采用智能技術和現代輔助教學方法實現編程、實驗和答疑，多媒體教學與智能化網絡教學優勢突出，極大地調動了學生的學習興趣和積極性。⑧

基于我校智能控制課程的諸多特色及其在國內高校的廣泛影響，本課程于2006年被評為國家級精品課程；這是智能控制類的第一門國家級精品課程。

2 實驗教學

本課程原先只進行課堂講授，沒有包含實驗教學內容，至多也是給學生進行一些集中演示，或安排他們參觀實驗室控制系統。近十年來，為了加大教學改革力度與建設精品課程，增加了實驗教學環節，把實驗教學當作智能控制課程不可或缺的教學內容，讓實驗教學為提高教學質量服務。具體說來，智能控制課程的實驗教學采用下列理念和方法。

2.1 注重理論與實踐結合

要在思想上重視實驗教學，在教學內容安排上注意理論聯系實際，適時布置一些實驗供學生進行課外練習。通過參與實驗教學，有助于學生增加學習興趣，加深對智能控制基本概念和難點的理解，更好掌握智能控制的基本方法和技術，為從事智能系統開發打下基礎。

2.2 開發與應用網絡課程

網絡課程實質上也是一種實驗教學手段，而且是一種更高層次的實驗教學手段。通過網絡課程學習，能夠培養學生的自學能力和動手能力。智能控制網絡課程實現了交互式教學和情景化學習過程。在交互性方面，采用向導學習，通過網絡課程的課堂練習，對學生的學習情況進行評價，為他們提出學習建議。在情景化方面，采用了智能答疑和學習伙伴Agent，增添學習過程的趣味性。

2.3 采用多媒體與虛擬實驗

虛擬實驗使得智能控制中一些抽象的知識形象化，減少學生的理解難度。學生通過虛擬實驗，能夠深入算法內部對算法運行過程進行主動干預，驗證自己提出的假設，達到理解知識難點和重點的效果。例如，通過自適應神經控制的虛擬實驗，學生對該控制能夠有較深刻的理解。

2.4 進行先進實驗系統觀摩

利用已取得的科研成果，有針對性地對學生進行演示和新型智能機器人表演，使學生知道智能控制知識不但學了有用，而且很有趣，很有意義，從而進一步誘導學生的學習主動精神，提高教學效果。

3 實驗示例

下面舉例介紹一個智能控制實驗。⑨

單神經元自適應閉環控制。單神經元是神經網絡的最基本單元，具有自學習和自適應等能力，由其構成的控制器結構簡單，易于實現實時控制，因而得到廣泛應用。

3.1 實驗目的

（1）掌握單神經元控制器的設計方法。

（2）觀測單神經元控制器對時變系統的自適應控制能力。

3.2 實驗設備

（1）PC機一臺。

（2）TD-ACC系列教學實驗系統一套。

3.3 實驗內容

（1）構建單神經元數學模型。單神經元的數學模型由加權加法器、線性動態系統和非線性函數發生器3個部分組成，如圖1所示。通過本實驗，加深學生對單神經元模型和神經元學習過程的理解。

圖1 單神經元數學模型

（2）單神經元控制器設計。單神經元控制器的框圖見圖2。要求學生熟悉閉環控制器的工作原理和各環節各參量的作用。

通過設計使得：

其中，X1（k）為系統誤差，X2（k）為誤差的一階差分，X3（k） 為誤差的二階差分。因此，本控制器具有PID特性?？刂屏縐（k）為：

（3）實驗線路設計。學生可根據單神經元控制器框圖設計出實驗電路原理圖和接線圖（省略）。

（4）參考流程圖設計。學生可參照單神經元控制器線路原理圖，設計出程序參考流程圖，包括主程序和中斷程序?？刂破鲄悼勺裱{節規律選定（省略）。

3.4 實驗步驟

含單神經元閉環控制器實驗和常規數字PID閉環控制器實驗（省略）。

3.5 實驗結果

通過虛擬實驗，得到單神經元自適應控制響應曲線和數字PID閉環控制響應曲線（省略）。分析比較實驗結果可得出“單神經元自適應控制比和數字PID控制器具有更好的魯棒性和自適應性”的結論，并表明本單神經元閉環控制實驗的有效性。

4 結語

本文對我校智能控制課程及其實驗教學問題進行了初步探討。該課程注重引入實驗教學，對該課程實驗教學的思路和方法進行了一些探索，并把網絡課程和虛擬實驗看作一種更高層次的實驗教學手段。引入實驗教學是智能控制課程教學改革邁出的重要一步，但改革的道路還很長，需要繼續探索，不斷前進。

注釋

① 蔡自興，賀漢根.智能科學發展的若干問題[J].自動化學報，2002.28（12S）：142-150.

② 中國高等教育學會編.中國高校國家精品課程，工學類，（上冊），2003-2007[M].北京：北京大學出版社，2008：426-429.

③ 陳愛斌，肖曉明，魏世勇，等.智能控制的學科發展與學科教育[J].現代大學教育，2006（3）：102-105.

④ 蔡自興.智能控制[M].北京：電子工業出版社，1990.

⑤ Cai Zixing. Intelligent Control： Principles， Techniques and Applications [M]. Singapore-New Jersey： World Scientific Publishers，1997.

⑥ 蔡自興.智能控制，第二版[M].北京：電子工業出版社，2003.

⑦ 蔡自興.智能控制原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

⑧ 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，

⑨ 中南大學信息科學與工程學院自動化系編.智能控制技術實驗教程[M].中南大學教材科，2008.