MATLAB在智能控制技術案例教學中的應用

王龍 梅建偉 陳志楚

基于傳統《智能控制技術》課程教學主要依靠理論宣講，課堂氣氛較差，學生興趣不高等問題。設計了項目驅動式案例教學法，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》課程的模糊控制教學內容以形象生動的仿真實例展示給學生提高學生的可操作性，加深學生對教學內容的理解，有助于提高該課程的教學質量。

智能控制技術作為新型控制技術，主要是針對控制對象及其環境、目標和任務的不確定性和復雜性而提出來的。隨著中國制造2025的提出，大多高校已在本科教學中開設了這門課程，旨在培養具有智能制造應用型技術人才。模糊控制作為智能控制的重要組成部分，目前該課程教學主要依靠理論宣講實現，鑒于該課程難度較大、實踐性較強、學時較少、缺少實驗課程等特點，這種教學模式很難提起學生的學習興趣。例如在學習模糊控制設計時，首先需要設計模糊控制器和模糊推理結構，確定隸屬度函數、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生掌握，很難讓學生獲得形象生動的教學效果，因此學生反饋較差。本文分析上述模糊控制課程教學過程中存在的問題，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，使的學生學習該課程的可操作性強，學生通過實際動手操作，對各種控制方法的原理進行演示和分析，可大大提高教學效果。

1 MATLAB軟件及其在《智能控制技術》教學中的應用

在自動控制領域，MATLAB有各種控制工具箱：控制系統、模糊邏輯、模型預測控制、神經網絡、魯棒控制工具箱等。目前大多智能控制教材，都通過MATLAB軟件來輔助教學來提高教學效果和質量。本文通過將具體的項目案例以MATLAB仿真的形式來展現給學生，提高了學生的學習效果和教學質量。

2 項目驅動式案例教學在《智能控制技術》課程教學中的具體應用

項目與案例的選取直接影響到教學效果。選擇具體的項目與案例以培養學生理解應用知識，提高分析問題、解決問題的能力為根本出發點。在組織教學時，根據項目精心選取循序漸進的若干案例，以每個案例組織知識點的講授。根據《智能控制技術》課程的特點，本文選擇學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為實例，講述模糊邏輯控制器的設計方法、內容及步驟：

2.1定義輸入輸出變量

定義模糊邏輯控制系統的輸入和輸出變量，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所有變量的模糊條件，根據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的隸屬度函數。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;液位高度誤差變化率的論域為，高斯型隸屬度函數;閥門的開度量的論域為，三角型隸屬度函數。

2.3設計控制規則庫好而模糊推理結構

把專家知識和熟練操作工的經驗轉換為用語言表達的模糊控制規則過程。本文模糊推理結構選用“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 結束語

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

（作者單位：湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院）