構(gòu)建“智能控制”教學(xué)案例提高研究生實(shí)踐技能

王福斌　陳至坤　張瑞成

[摘 要]為貫徹落實(shí)《教育部 國(guó)家發(fā)展改革委 財(cái)政部關(guān)于深化研究生教育改革的意見》（教研〔2013〕1號(hào)）及《教育部 人力資源社會(huì)保障部關(guān)于深入推進(jìn)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的意見》（教研〔2013〕3號(hào)），在專業(yè)學(xué)位碩士研究生教學(xué)實(shí)踐中引入案例教學(xué)法，提高專業(yè)學(xué)位碩士研究生的工程實(shí)踐能力。課題組以煤氣混合過(guò)程智能多變量解耦控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建了智能控制課程案例教學(xué)庫(kù)，并制訂了案例教學(xué)效果的評(píng)價(jià)要素及保障措施；為進(jìn)一步提高案例教學(xué)質(zhì)量，提出了內(nèi)外循環(huán)案例建設(shè)內(nèi)容持續(xù)改進(jìn)的循環(huán)模式。

[關(guān)鍵詞]專業(yè)學(xué)位研究生；案例教學(xué)；效果評(píng)價(jià)；質(zhì)量保證措施

[中圖分類號(hào)] G643.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）04-0078-03

1978年恢復(fù)研究生教育以來(lái)，我國(guó)一直在研究生招生、培養(yǎng)、類型等方面進(jìn)行著積極的探索、改革。在碩士研究生培養(yǎng)方面，目前已形成學(xué)術(shù)型碩士、專業(yè)學(xué)位碩士、工程碩士等類型。2016年全國(guó)碩士研究生招生考試報(bào)考人數(shù)達(dá)177萬(wàn)人，其中報(bào)考專業(yè)學(xué)位人數(shù)為85萬(wàn)人，報(bào)名人數(shù)占比為48%。隨著研究生培養(yǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，專業(yè)碩士報(bào)考人數(shù)逐年遞增。

《教育部關(guān)于做好全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的若干意見》（教研[2009]1號(hào)）中，突出強(qiáng)調(diào)全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生須“具有較強(qiáng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力”[1]。《教育部關(guān)于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》（教研[2015]1號(hào)）中，也突出強(qiáng)調(diào)了案例教學(xué)在專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)過(guò)程中的重要性。面對(duì)逐年擴(kuò)大的專業(yè)學(xué)位碩士研究生隊(duì)伍，如何提高專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力，探索與學(xué)術(shù)型碩士研究生不同的培養(yǎng)模式，更好的適應(yīng)解決工程實(shí)際難題，是一個(gè)值得研究的有意義的課題[2]。

一、“智能控制”課程教學(xué)案例的建設(shè)原則

《教育部關(guān)于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》（教研[20151]號(hào)）中，對(duì)案例教學(xué)給出了明確的定義：案例教學(xué)是以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，通過(guò)呈現(xiàn)案例情境，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，從而掌握理論，形成觀點(diǎn)，提高能力的一種教學(xué)方式。

“智能控制”課程是控制工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的一門必修課。智能控制以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等學(xué)科為基礎(chǔ)，采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、自組織控制及自學(xué)習(xí)控制等理論方法及技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)“智能控制”課程的效果，以“煤氣混合過(guò)程智能多變量解耦控制”為主線，以模糊控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為內(nèi)容，構(gòu)建了煤氣混合過(guò)程智能多變量解耦控制系統(tǒng)教學(xué)案例。案例構(gòu)建過(guò)程遵循如下原則：

（1）控制對(duì)象的真實(shí)性。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤氣混合加壓站采用手動(dòng)混合煤氣生產(chǎn)控制，煤氣混合質(zhì)量難以保證。案例以煤氣混合控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用模糊控制方法，設(shè)計(jì)了混壓模糊控制器及熱值模糊控制器，得到混壓、熱值模糊控制規(guī)則表和混壓、熱值模糊查詢表，實(shí)現(xiàn)多變量的解耦控制。

（2）控制對(duì)象的典型性。煤氣混合加壓過(guò)程具有多變量強(qiáng)耦合性、不確定性、時(shí)變性的特點(diǎn)，是典型的非線性系統(tǒng)，難以建立其控制數(shù)學(xué)模型。因此，選擇煤氣混合過(guò)程多變量解耦控制作為智能控制教學(xué)案例的典型。

（3）建設(shè)內(nèi)容的充實(shí)性。引入基于內(nèi)分泌生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)機(jī)制的智能解耦控制方法，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)來(lái)辨識(shí)系統(tǒng)模型參數(shù)。提出基于內(nèi)分泌生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)機(jī)制的解耦控制技術(shù)，解決了煤氣混合過(guò)程中的熱值壓力嚴(yán)重耦合問(wèn)題；同時(shí)，采用模糊控制方法，詳細(xì)闡述了控制變量及被控對(duì)象的模糊邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

（4）建設(shè)內(nèi)容的創(chuàng)新性。將內(nèi)分泌生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)機(jī)制與模糊控制相結(jié)合，通過(guò)算法提出、過(guò)程實(shí)現(xiàn)、結(jié)果仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生切身感受案例教學(xué)的實(shí)踐性成果。

二、“智能控制”課程教學(xué)案例的建設(shè)內(nèi)容

以煤氣混合過(guò)程智能多變量解耦控制為建設(shè)目標(biāo)，首先將控制對(duì)象的工藝流程、控制變量、被控制量、執(zhí)行單元及其數(shù)學(xué)模型講解清楚，在此基礎(chǔ)上給出煤氣混合解耦控制總體設(shè)計(jì)方案。構(gòu)建解耦控制算法及模糊邏輯控制模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤氣解耦案例控制。學(xué)生通過(guò)案例的學(xué)習(xí)過(guò)程，可鍛煉控制方案設(shè)計(jì)、算法構(gòu)建、智能控制、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)節(jié)等能力，具體建設(shè)內(nèi)容有：

（1）煤氣混合系統(tǒng)的工藝流程。在案例教學(xué)過(guò)程中，首先讓學(xué)生熟悉煤氣混合系統(tǒng)的工藝流程，以便清楚后續(xù)控制過(guò)程中的控制對(duì)象、控制工藝參數(shù)及控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。學(xué)生在校學(xué)習(xí)過(guò)程中的弱點(diǎn)往往是對(duì)被控對(duì)象的工藝流程及工藝特點(diǎn)掌握不足，了解不透徹，從而導(dǎo)致控制方案不合理或控制效果不理想。因此，加強(qiáng)典型環(huán)節(jié)的工藝了解，對(duì)增強(qiáng)實(shí)踐能力是必要的。

（2）煤氣混合解耦控制總體設(shè)計(jì)。在煤氣混合解耦控制總體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握系統(tǒng)耦合的概念以及如何實(shí)現(xiàn)解耦控制。耦合現(xiàn)象是過(guò)程控制系統(tǒng)中常見的典型性案例，也是較難精確控制的對(duì)象，如何準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)被控參量的解耦，是耦合系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。

（3）基于內(nèi)分泌生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)機(jī)制的解耦控制。國(guó)內(nèi)大部分煤氣混合加壓站在進(jìn)行煤氣混合控制時(shí)，采用壓力及熱值雙回路調(diào)節(jié)控制方法，通過(guò)被調(diào)量和調(diào)節(jié)量之間的適當(dāng)匹配來(lái)消除耦合，但這種方法精度不高，抑制擾動(dòng)能力不強(qiáng)。前饋補(bǔ)償解耦方法以高爐煤氣管道壓力、焦?fàn)t煤氣管道壓力、加壓機(jī)前混合煤氣壓力作為擾動(dòng)，采用靜態(tài)解耦的方式加以控制，控制效果也不理想。模糊解耦控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制技術(shù)等智能解耦控制方法用于解耦控制較復(fù)雜。為此，提出了基于內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制（ASA）的解耦控制方法，通過(guò)各種系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)來(lái)辨識(shí)系統(tǒng)模型參數(shù)，解耦算法更加符合工程實(shí)際，且容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)學(xué)生觀察解耦控制效果較為理想。

（4）煤氣混合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真。該環(huán)節(jié)主要用于訓(xùn)練學(xué)生通過(guò)所學(xué)知識(shí)抽象分析控制對(duì)象，建立對(duì)象數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真的能力。基于輸入向量機(jī)輸出向量構(gòu)建雙輸入雙輸出耦合控制系統(tǒng)解耦框圖，通過(guò)框圖間的變量關(guān)系，可清晰的發(fā)現(xiàn)控制器的輸出與系統(tǒng)輸出之間的相互作用與影響關(guān)系。

（5）雙蝶閥并聯(lián)系統(tǒng)模型及仿真。為提高控制系統(tǒng)的控制精度，進(jìn)一步了解系統(tǒng)中用到的裝置性能，對(duì)系統(tǒng)中不同工藝環(huán)節(jié)的裝置進(jìn)行模型建立與分析，并對(duì)雙蝶閥并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行建模及仿真。

（6）模糊控制器設(shè)計(jì)。模糊控制技術(shù)的核心是模糊控制器及模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，模糊控制器的控制規(guī)則需要結(jié)合控制對(duì)象、工藝流程、工藝操作規(guī)程及操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、獲取。在模糊控制器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生制訂論域、模糊控制規(guī)則并掌握模糊化及反模糊化的技術(shù)等。在煤氣熱值與壓力解耦控制回路中，熱值是主要調(diào)節(jié)對(duì)象，壓力是次要調(diào)節(jié)對(duì)象，因此采用精調(diào)熱值、粗調(diào)壓力的方法。智能解耦控制通過(guò)混壓模糊控制器和熱值模糊控制器，獲得對(duì)應(yīng)于當(dāng)前混壓和熱值的控制量。為保證具有較好的動(dòng)態(tài)性能，混壓模糊控制器和熱值模糊控制器都是二維的控制器，其中，混壓模糊控制器選擇混壓偏差和混壓偏差的變化率為輸入量，熱值模糊控制器選擇熱值偏差和熱值偏差的變化率為輸入量。控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵：選擇描述輸入輸出變量的詞集與論域大小，定義各模糊變量的隸屬度函數(shù)及建立模糊控制器的控制規(guī)則。

（7）煤氣混合加壓系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證解耦方法的可行性，對(duì)解耦控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。分別選取熱值和混壓的設(shè)定初值，并在250秒時(shí)，改變熱值及混壓的設(shè)定值，獲取仿真曲線。

三、構(gòu)建案例教學(xué)的雙循環(huán)反饋模式，保證教學(xué)效果

案例教學(xué)效果的評(píng)價(jià)要素及保障措施如圖1所示。首先總結(jié)出案例建設(shè)質(zhì)量保證的評(píng)價(jià)要素，并完善質(zhì)量保證措施，從而保證案例建設(shè)質(zhì)量及教學(xué)效果。在案例建設(shè)評(píng)價(jià)要素中，總結(jié)出5點(diǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）案例反映工程實(shí)際的真實(shí)程度。專業(yè)學(xué)位碩士研究生的實(shí)踐技能培養(yǎng)十分重要，強(qiáng)基礎(chǔ)、重實(shí)踐是專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)的目標(biāo)之一。案例只有充分反映工程的真實(shí)性，才能使學(xué)生在學(xué)習(xí)案例的過(guò)程中把握相關(guān)工程的設(shè)計(jì)規(guī)律，更接近工程的實(shí)際，從而獲得事半功倍的培養(yǎng)效果。

（2）案例內(nèi)容及代表性。案例的內(nèi)容是案例建設(shè)成功與否的關(guān)鍵，案例建設(shè)之初一定要精選案例題目，注重案例內(nèi)容建設(shè)。結(jié)合典型控制系統(tǒng)的控制過(guò)程，選擇具有代表性、示范性的案例，使得案例在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮啟發(fā)、引導(dǎo)作用，并能將成功的案例解決方案自覺的應(yīng)用到今后的工作中。

（3）案例理論分析的完整性及算法創(chuàng)新性。專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)既要注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，同時(shí)也要培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生在理論、算法上進(jìn)行大膽嘗試、創(chuàng)新。沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的專業(yè)知識(shí)背景及理論做支撐，學(xué)生在今后的工作、成長(zhǎng)中就會(huì)感到后勁不足、力不從心。因此，對(duì)專業(yè)學(xué)位碩士研究生來(lái)說(shuō)，在注重實(shí)踐能力的同時(shí)，也要掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的理論知識(shí)。案例建設(shè)過(guò)程中，要注意理論分析的完整性、邏輯性、準(zhǔn)確性，并具有一定的創(chuàng)新性。

（4）案例研究方法翔實(shí)且解決方案明確。為起到工程案例的示范效應(yīng)，案例中所采用的工程問(wèn)題解決方法應(yīng)盡量詳細(xì)，且解決方案明確、具體，沒(méi)有歧義。對(duì)具體的控制問(wèn)題，在構(gòu)建案例時(shí)不僅要詳細(xì)分析控制量、被控制量，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，還要給出采用的控制器選型、參數(shù)設(shè)定、控制量輸出等環(huán)節(jié)的詳盡過(guò)程，使得學(xué)生按照案例不僅能搭建出控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制方案，而且可以修改控制算法、控制參數(shù)，觀察控制效果。

（5）案例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分有利于支撐學(xué)生實(shí)踐能力的提高。工程案例選擇最好貼近實(shí)際工程，所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也來(lái)自工程實(shí)際運(yùn)行。如煤氣解耦控制案例中，煤氣壓力、煤氣熱值等參數(shù)均為實(shí)際工程運(yùn)行項(xiàng)目中采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有真實(shí)性、連貫性。

為保證案例教學(xué)效果，將各項(xiàng)指標(biāo)落到實(shí)處，制訂了多項(xiàng)質(zhì)量保證措施：在課程內(nèi)容涵蓋范圍內(nèi)精選案例建設(shè)題目；確定案例建設(shè)內(nèi)容，并組織學(xué)科專家進(jìn)行論證，提升案例立項(xiàng)水平；組建日常建設(shè)課程組，保證課程學(xué)習(xí)、課程實(shí)訓(xùn)的順利進(jìn)行；通過(guò)師生定期交流，反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果；通過(guò)持續(xù)改進(jìn)，不斷完善案例內(nèi)容與結(jié)構(gòu)；學(xué)生考核方式采用閉卷+答辯的方式，不僅考核學(xué)生的理論知識(shí)，同時(shí)考核學(xué)生的實(shí)踐能力與知識(shí)運(yùn)用能力[3][4][5][6]。

通過(guò)案例教學(xué)雙循環(huán)考評(píng)、改進(jìn)模式，不僅注重案例建設(shè)質(zhì)量及內(nèi)部評(píng)價(jià)效果，而且強(qiáng)調(diào)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)質(zhì)量及學(xué)習(xí)效果反饋。通過(guò)內(nèi)外循環(huán)，對(duì)案例庫(kù)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，不斷完善案例的內(nèi)容，提高案例教學(xué)質(zhì)量。[7][8][9][10]

四、結(jié)束語(yǔ)

本文參照《教育部 人力資源社會(huì)保障部關(guān)于深入推進(jìn)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的意見》（教研〔2013〕3號(hào)）指導(dǎo)意見，結(jié)合我校專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)方案及課程建設(shè)實(shí)際，構(gòu)建了智能控制課程案例教學(xué)庫(kù)，提出了案例教學(xué)效果評(píng)價(jià)要素、案例教學(xué)質(zhì)量保證措施及通過(guò)內(nèi)外循環(huán)對(duì)案例建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的循環(huán)模式。通過(guò)引進(jìn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及雙循環(huán)改進(jìn)模式，保證了案例庫(kù)建設(shè)內(nèi)容的充實(shí)、案例教學(xué)過(guò)程的有效監(jiān)控及案例教學(xué)的成效。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)專業(yè)學(xué)位研究生案例庫(kù)的構(gòu)建及提高實(shí)際使用效果具有借鑒意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]