智能控制課程實驗教學(xué)探討

魏世勇　蔡自興

摘 要 本文探討中南大學(xué)智能控制課程教學(xué)，尤其是其實驗教學(xué)問題。首先闡述該課程的特色，包括創(chuàng)新教學(xué)模式、更新教材內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)手段等方面的理念與做法。然后著重討論該課程實驗教學(xué)的思路和方法，涉及注重理論與實踐結(jié)合、開發(fā)與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)課程、采用多媒體與虛擬實驗以及進行先進實驗系統(tǒng)觀摩等。最后，介紹一個智能控制實驗的實例，即單神經(jīng)元自適應(yīng)閉環(huán)控制，比較分析了實驗結(jié)果，說明實驗方法的有效性。

關(guān)鍵詞 智能控制 課程 實驗教學(xué) 探討

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)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(xué)科是智能科學(xué)的一個重要組成部分和典型的交叉學(xué)科；①智能控制課程是自動化專業(yè)的一門特色課程和智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)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(shè)實驗教學(xué)的學(xué)校卻為數(shù)不多。本文試圖就我校智能控制課程實驗教學(xué)的某些問題進行探討，以期與兄弟院校同行交流，得到有關(guān)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(nèi)最早開設(shè)智能控制課程的院校之一。經(jīng)過20多年建設(shè)與改革，該課程已取得突出的教學(xué)和教改成果，已成為國內(nèi)同類課程中的優(yōu)秀課程。②本課程具有如下特色：

1.1 創(chuàng)新教學(xué)模式

經(jīng)過長期探索與實踐，逐步形成“以趣導(dǎo)課、以疑啟思、以法解惑、以律求知”的教學(xué)模式和教學(xué)方法。③該課程主講教師的講授過程生動形象，富有啟發(fā)性，能夠激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，發(fā)揮獨立思考和創(chuàng)新思維，進而多方位培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

1.2 更新教材內(nèi)容

本課程與時俱進，不斷更新教材內(nèi)容。在20年（1988-2007年）間出版了5部智能控制教材，具有系統(tǒng)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(nèi)外智能控制學(xué)科理論和應(yīng)用的最新進展，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，曾獲全國電子類優(yōu)秀教材一等獎等項獎勵。因此，能夠保證教學(xué)內(nèi)容適時滿足新的教學(xué)要求。

1.3 優(yōu)化教學(xué)手段

為提高智能控制課程的教學(xué)質(zhì)量，于2004年開發(fā)了智能控制網(wǎng)絡(luò)課程，2010年又對其進行修訂。該網(wǎng)絡(luò)課程采用智能技術(shù)和現(xiàn)代輔助教學(xué)方法實現(xiàn)編程、實驗和答疑，多媒體教學(xué)與智能化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢突出，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(nèi)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(xué)

本課程原先只進行課堂講授，沒有包含實驗教學(xué)內(nèi)容，至多也是給學(xué)生進行一些集中演示，或安排他們參觀實驗室控制系統(tǒng)。近十年來，為了加大教學(xué)改革力度與建設(shè)精品課程，增加了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，把實驗教學(xué)當(dāng)作智能控制課程不可或缺的教學(xué)內(nèi)容，讓實驗教學(xué)為提高教學(xué)質(zhì)量服務(wù)。具體說來，智能控制課程的實驗教學(xué)采用下列理念和方法。

2.1 注重理論與實踐結(jié)合

要在思想上重視實驗教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容安排上注意理論聯(lián)系實際，適時布置一些實驗供學(xué)生進行課外練習(xí)。通過參與實驗教學(xué)，有助于學(xué)生增加學(xué)習(xí)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(shù)，為從事智能系統(tǒng)開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2.2 開發(fā)與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)課程

網(wǎng)絡(luò)課程實質(zhì)上也是一種實驗教學(xué)手段，而且是一種更高層次的實驗教學(xué)手段。通過網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和動手能力。智能控制網(wǎng)絡(luò)課程實現(xiàn)了交互式教學(xué)和情景化學(xué)習(xí)過程。在交互性方面，采用向?qū)W(xué)習(xí)，通過網(wǎng)絡(luò)課程的課堂練習(xí)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行評價，為他們提出學(xué)習(xí)建議。在情景化方面，采用了智能答疑和學(xué)習(xí)伙伴Agent，增添學(xué)習(xí)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(xué)生的理解難度。學(xué)生通過虛擬實驗，能夠深入算法內(nèi)部對算法運行過程進行主動干預(yù)，驗證自己提出的假設(shè)，達到理解知識難點和重點的效果。例如，通過自適應(yīng)神經(jīng)控制的虛擬實驗，學(xué)生對該控制能夠有較深刻的理解。

2.4 進行先進實驗系統(tǒng)觀摩

利用已取得的科研成果，有針對性地對學(xué)生進行演示和新型智能機器人表演，使學(xué)生知道智能控制知識不但學(xué)了有用，而且很有趣，很有意義，從而進一步誘導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動精神，提高教學(xué)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(jīng)元自適應(yīng)閉環(huán)控制。單神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最基本單元，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等能力，由其構(gòu)成的控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)實時控制，因而得到廣泛應(yīng)用。

3.1 實驗?zāi)康?/p>

（1）掌握單神經(jīng)元控制器的設(shè)計方法。

（2）觀測單神經(jīng)元控制器對時變系統(tǒng)的自適應(yīng)控制能力。

3.2 實驗設(shè)備

（1）PC機一臺。

（2）TD-ACC系列教學(xué)實驗系統(tǒng)一套。

3.3 實驗內(nèi)容

（1）構(gòu)建單神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型。單神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型由加權(quán)加法器、線性動態(tài)系統(tǒng)和非線性函數(shù)發(fā)生器3個部分組成，如圖1所示。通過本實驗，加深學(xué)生對單神經(jīng)元模型和神經(jīng)元學(xué)習(xí)過程的理解。

圖1 單神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型

（2）單神經(jīng)元控制器設(shè)計。單神經(jīng)元控制器的框圖見圖2。要求學(xué)生熟悉閉環(huán)控制器的工作原理和各環(huán)節(jié)各參量的作用。

通過設(shè)計使得：

其中，X1（k）為系統(tǒng)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(shè)計。學(xué)生可根據(jù)單神經(jīng)元控制器框圖設(shè)計出實驗電路原理圖和接線圖（省略）。

（4）參考流程圖設(shè)計。學(xué)生可參照單神經(jīng)元控制器線路原理圖，設(shè)計出程序參考流程圖，包括主程序和中斷程序?？刂破鲄?shù)可遵循調(diào)節(jié)規(guī)律選定（省略）。

3.4 實驗步驟

含單神經(jīng)元閉環(huán)控制器實驗和常規(guī)數(shù)字PID閉環(huán)控制器實驗（省略）。

3.5 實驗結(jié)果

通過虛擬實驗，得到單神經(jīng)元自適應(yīng)控制響應(yīng)曲線和數(shù)字PID閉環(huán)控制響應(yīng)曲線（省略）。分析比較實驗結(jié)果可得出“單神經(jīng)元自適應(yīng)控制比和數(shù)字PID控制器具有更好的魯棒性和自適應(yīng)性”的結(jié)論，并表明本單神經(jīng)元閉環(huán)控制實驗的有效性。

4 結(jié)語

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

注釋

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

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

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

④ 蔡自興.智能控制[M].北京：電子工業(yè)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(yè)出版社，2003.

⑦ 蔡自興.智能控制原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

⑧ 余伶俐，蔡自興，肖曉明.智能控制精品課程教學(xué)改革研究[J].計算機教育，2010（19）：35-39，

⑨ 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院自動化系編.智能控制技術(shù)實驗教程[M].中南大學(xué)教材科，2008.