MATLAB在智能控制技術(shù)案例教學(xué)中的應(yīng)用

王龍 梅建偉 陳志楚

基于傳統(tǒng)《智能控制技術(shù)》課程教學(xué)主要依靠理論宣講，課堂氣氛較差，學(xué)生興趣不高等問題。設(shè)計了項目驅(qū)動式案例教學(xué)法，依托MATLAB載體，將單容水箱液位控制作為實際項目案例，將《智能控制技術(shù)》課程的模糊控制教學(xué)內(nèi)容以形象生動的仿真實例展示給學(xué)生提高學(xué)生的可操作性，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，有助于提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

智能控制技術(shù)作為新型控制技術(shù)，主要是針對控制對象及其環(huán)境、目標(biāo)和任務(wù)的不確定性和復(fù)雜性而提出來的。隨著中國制造2025的提出，大多高校已在本科教學(xué)中開設(shè)了這門課程，旨在培養(yǎng)具有智能制造應(yīng)用型技術(shù)人才。模糊控制作為智能控制的重要組成部分，目前該課程教學(xué)主要依靠理論宣講實現(xiàn)，鑒于該課程難度較大、實踐性較強、學(xué)時較少、缺少實驗課程等特點，這種教學(xué)模式很難提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在學(xué)習(xí)模糊控制設(shè)計時，首先需要設(shè)計模糊控制器和模糊推理結(jié)構(gòu)，確定隸屬度函數(shù)、模糊控制策略、模糊等級、模糊化和解模糊化（逆模糊）的方法等。這些過程僅僅依靠理論授課來讓學(xué)生掌握，很難讓學(xué)生獲得形象生動的教學(xué)效果，因此學(xué)生反饋較差。本文分析上述模糊控制課程教學(xué)過程中存在的問題，提出一個從MATLAB仿真軟件工具箱-模糊邏輯工具箱，仿真單容水箱液位控制系統(tǒng)，使的學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的可操作性強，學(xué)生通過實際動手操作，對各種控制方法的原理進(jìn)行演示和分析，可大大提高教學(xué)效果。

1 MATLAB軟件及其在《智能控制技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

在自動控制領(lǐng)域，MATLAB有各種控制工具箱：控制系統(tǒng)、模糊邏輯、模型預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制工具箱等。目前大多智能控制教材，都通過MATLAB軟件來輔助教學(xué)來提高教學(xué)效果和質(zhì)量。本文通過將具體的項目案例以MATLAB仿真的形式來展現(xiàn)給學(xué)生，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

2 項目驅(qū)動式案例教學(xué)在《智能控制技術(shù)》課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

項目與案例的選取直接影響到教學(xué)效果。選擇具體的項目與案例以培養(yǎng)學(xué)生理解應(yīng)用知識，提高分析問題、解決問題的能力為根本出發(fā)點。在組織教學(xué)時，根據(jù)項目精心選取循序漸進(jìn)的若干案例，以每個案例組織知識點的講授。根據(jù)《智能控制技術(shù)》課程的特點，本文選擇學(xué)生比較熟悉的單容水箱液位控制，以MATLAB/Simulink軟件提供的水位模塊仿真系統(tǒng)為實例，講述模糊邏輯控制器的設(shè)計方法、內(nèi)容及步驟：

2.1定義輸入輸出變量

定義模糊邏輯控制系統(tǒng)的輸入和輸出變量，確定哪些輸入、輸出量是必需的。在本文單容水箱液位控制中必需的輸入、輸出量是液位高度、液位高度的誤差變化率、閥門的開度量。由此。單容水箱液位模糊控制器必須定義系統(tǒng)液位高度為輸入量，液位變化率為輸入量，而把閥門的開度量作為輸出變量。

2.2定義所有變量的模糊條件

定義模糊邏輯控制系統(tǒng)所有變量的模糊條件，根據(jù)實際情況確定輸入變量的測量范圍和輸出變量的控制作用范圍，以進(jìn)一步確定每個變量的論域;然后再確定每個變量的語言值及其相對應(yīng)的隸屬度函數(shù)。就課堂演示效果而言，確定液位高度的論域為，高斯型隸屬度函數(shù);液位高度誤差變化率的論域為，高斯型隸屬度函數(shù);閥門的開度量的論域為，三角型隸屬度函數(shù)。

2.3設(shè)計控制規(guī)則庫好而模糊推理結(jié)構(gòu)

把專家知識和熟練操作工的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為用語言表達(dá)的模糊控制規(guī)則過程。本文模糊推理結(jié)構(gòu)選用“mamdani”推理模塊。實際仿真運行效果圖如下

圖1實際仿真演示效果

3 結(jié)束語

將具體項目案例以MATLAB為載體進(jìn)行仿真設(shè)計，以單容水箱液位高度模糊邏輯控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行項目驅(qū)動式案例教學(xué)，更改了傳統(tǒng)《智能控制技術(shù)》授課，課堂氛圍不高，學(xué)生接受程度低，教學(xué)質(zhì)量不高等問題。通過實際教學(xué)反饋，學(xué)生們對智能控制中模糊邏輯控制系統(tǒng)的設(shè)計方法掌握程度深、理解透徹，可以獨立完整的設(shè)計模糊邏輯控制器。

（作者單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）