“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專業的一門專業課程。結合“智能控制”課程改革中的實踐和體會，總結了一些具體的做法。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，這些措施激發了學生對智能控制的興趣，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：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的一門專業課程，[1-3]是“自動控制原理”、“現代控制理論”等課程的后續課程。智能控制是控制理論發展的高級階段，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展，主要內容一般為模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制等。該課程中有些內容抽象，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，在有限的課時內讓學生了解新的控制理論和方法，提高他們的創新能力，是這門課程改革的重要內容。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，它是控制理論發展的高級階段。而控制理論是在不斷發展的，現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、神經網絡控制、專家控制等，但最新發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。如果學校邀請相關的專家來做相關講座，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，有助于他們創新思維模式的培養。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的，而不是停留在純理論階段。

2.在教學過程中倡導啟發式、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構時，首先畫出一維和二維模糊控制器的結構框圖，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控制器之間的聯系和區別，加深對模糊控制算法的理解。在講水箱液位系統模糊控制規則時，畫出系統的輸出響應曲線，讓學生回答在不同的階段控制規則應該怎樣選取。

通過啟發式教學、問題式教學，改變學生的被動地位，充分調動他們的積極性、主動性和創造性，讓學生以積極的態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、測試和測量、計算金融學及計算生物學等眾多應用領域具有廣泛的應用。它將數值分析、信號處理、矩陣計算、圖形功能和系統仿真融合為一體，用戶可以在易學易用的環境中求解問題，避免了傳統的復雜專業編程。MATLAB還有圖形化開發環境SIMULIKINK，應用于系統模擬、動態/嵌入式系統開發等方面。

智能控制是在人工智能和自動控制等多門學科基礎上發展起來的交叉學科，在課程內容上有自己的特點。有些算法，比如模糊控制、神經網絡控制等很多章節，涉及到模糊數學、最優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）、神經網絡控制（Neural Network Control）等在MATLAB中都具有現成的工具箱。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無縫協同工作。

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

>> 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的MATLAB書籍，設計一個實際系統的模糊控制器，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，他們在后續的課程設計和畢業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的考核方式，即學完這門課程后，根據講課內容將重點要考查學生的內容以試卷的形式讓學生在規定兩個小時內完成，最終成績以考試成績和平時上課表現決定。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新能力，而學校最終培養的應該是創新型人才，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，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，經電動調節閥流入水箱，最后再流回儲水箱，構成一個動態循環系統。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。由進水電動調節閥作為執行機構調節液位高度，將出水調節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的實際控制，并與傳統的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、量化因子的選取規則、隸屬度函數的確定、模糊控制規則的選定、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）、神經網絡控制（Neural Network Control）等幾種智能控制方法之后，讓學生搜集相關資料，總結智能控制方面的相關進展，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

本課程組老師在“智能控制”課程教學過程中，注意改革傳統的教學方法和教學理念，將科研引入教學，培養學生對智能控制最新理論的興趣，培養他們的科研意識；講課中改變灌輸式為啟發式、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.

[2]李世華.智能控制概論課程的雙語教學改革探討[J].電氣電子教學學報，2009，31（4）：8-9.

[3]徐凱，王愛娟.電氣類專業智能控制理論教學改革的探討[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：130-133，144.

[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].儀器儀表與分析監測，2008，（2）：8-12.

（責任編輯：王意琴）