案例教學(xué)法在智能控制技術(shù)中的應(yīng)用

劉莉

摘 要：《智能控制技術(shù)》課程是本科電氣工程與智能控制專業(yè)開設(shè)的一門重要的必修專業(yè)課，本文針對傳統(tǒng)《智能控制技術(shù)》課程主要進(jìn)行理論教學(xué)、課堂氣氛沉悶以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問題，提出了項(xiàng)目驅(qū)動式案例教學(xué)。通過案例教學(xué)，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且提升了該課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能控制技術(shù);案例教學(xué);學(xué)習(xí)能力

《智能控制技術(shù)》作為第三代新興控制技術(shù)，是自動控制發(fā)展的高級階段，也是當(dāng)今國內(nèi)外自動化學(xué)科十分活躍而且具有很大挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，它既包括抽象的理論知識，又具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性，主要針對被控對象、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。目前國內(nèi)很多高校都已在本科教學(xué)中開設(shè)了這門課程，主要講授智能控制領(lǐng)域的幾個分支：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制、基于規(guī)則的仿人智能控制、專家控制等，旨在培養(yǎng)智能制造應(yīng)用型人才。模糊控制作為智能控制領(lǐng)域的一個重要組成部分，理論性較強(qiáng)，在課堂上主要通過理論講授完成授課，學(xué)生難以理解，很難提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。為了有效地提高教學(xué)質(zhì)量，本文以模糊控制為主要講授內(nèi)容，提出項(xiàng)目驅(qū)動式案例教學(xué)法，以加深學(xué)生基礎(chǔ)理論知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目的，以Matlab為工具，以現(xiàn)實(shí)生活中的典型案例為載體，以學(xué)生為中心，將模糊控制的教學(xué)內(nèi)容以形象生動的仿真實(shí)例展示給學(xué)生。

1 Matlab軟件及其應(yīng)用

在智能控制領(lǐng)域，Matlab具有功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、魯棒控制、優(yōu)化算法、模型預(yù)測等等，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。在《智能控制技術(shù)》課程中，可以通過Matlab軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，通過應(yīng)用理論知識來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決實(shí)際問題，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。本文將單容水箱液位控制作為實(shí)際項(xiàng)目案例，以Matlab仿真的形式，展現(xiàn)給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。

2 案例教學(xué)法在《智能控制技術(shù)》中的具體應(yīng)用

案例的選擇對于教學(xué)效果具有直接的影響。結(jié)合《智能控制技術(shù)》課程的教學(xué)模塊以及重點(diǎn)和難點(diǎn)，在選擇模糊控制的教學(xué)案例時，需要學(xué)生將理論知識應(yīng)用到實(shí)際，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。在理論授課時，適當(dāng)弱化純理論的內(nèi)容，而將其融于典型案例的分析之中，以案例組織知識點(diǎn)的講授，理論的具體應(yīng)用可幫助學(xué)生加深對智能控制基本原理的理解，并可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及積極性。本文以MATLAB/Simulink 軟件提供的水位模塊仿真系統(tǒng)進(jìn)行單容水箱液位控制為實(shí)例，講述模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法、內(nèi)容及步驟。

2.1 定義模糊控制器輸入與輸出變量

在進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)時，確定模糊邏輯控制系統(tǒng)的輸入和輸出變量是必要的。液位模糊控制系統(tǒng)是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，控制的要求是設(shè)計(jì)一個進(jìn)水口閥門的控制器，能夠根據(jù)水箱水位的實(shí)時測量結(jié)果對進(jìn)水閥門進(jìn)行相應(yīng)控制，使水位滿足特定要求。在單容水箱液位控制中，以水位高度、水位變化率作為系統(tǒng)輸入，閥門的開度量作為輸出。因此是一個二維的模糊控制器。

2.2 定義變量的模糊條件

在軟件中定義模糊邏輯控制系統(tǒng)輸入與輸出變量的模糊條件，根據(jù)實(shí)際情況確定輸入和輸出變量的作用范圍，進(jìn)一步確定每個變量的論域、語言值及其相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。在本案例中，水位誤差的論域?yàn)閇-1 1]，水位變化率的論域?yàn)閇-0.1 0.1]，閥門開度量論域?yàn)閇-1 1];兩個輸入量均設(shè)定NB、ZE、PB3個語言值，隸屬函數(shù)類型均為高斯函數(shù);輸出量設(shè)為五個等級：快關(guān)、慢關(guān)、不動、慢開、快開，隸屬函數(shù)為三角形函數(shù)，具體結(jié)果如圖1所示。

2.3 設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理

所謂設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，即用文字語言去表達(dá)專家經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)液位控制。本文采用“Mamdani”推理模塊，液位控制仿真效果圖如圖2所示。

3 結(jié)束語

本文以以 MATLAB 為工具，以單容水箱液位控制作為實(shí)際項(xiàng)目案例進(jìn)行教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了課堂教學(xué)氣氛，通過案例教學(xué)，使學(xué)生不僅進(jìn)一步掌握了Matlab這一強(qiáng)大的學(xué)習(xí)工具，而且對《智能控制技術(shù)》中模糊邏輯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、步驟和過程理解更加透徹，能夠進(jìn)一步獨(dú)立設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器。

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