熱工自動(dòng)化本科專業(yè)“智能控制”教學(xué)方法研究

劉立衡+劉久斌

【摘要】“智能控制”是熱工自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專業(yè)課。在授課過(guò)程中通常存在課程內(nèi)容繁雜、實(shí)例較少、學(xué)生重視不夠、以及考核成績(jī)比例不合理等問(wèn)題。本文針對(duì)這些問(wèn)題探討了相應(yīng)的解決方法。

【關(guān)鍵詞】智能控制 熱工自動(dòng)化 教學(xué)研究

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）49-0239-01

1.智能控制課程特點(diǎn)

智能控制是一門(mén)新興學(xué)科。它將控制理論的方法和人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，適用于控制復(fù)雜和不確定的被控對(duì)象[1]。涉及到具體內(nèi)容又包含有如下幾個(gè)分支：專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)路控制以及遺傳算法等。其中，每個(gè)分支又是一門(mén)獨(dú)立學(xué)科?？傊悄芸刂剖且婚T(mén)，包含內(nèi)容較多，難度較大，實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。

2.智能控制當(dāng)前教學(xué)中存在的問(wèn)題

（1）學(xué)生重視不夠，學(xué)習(xí)效果不佳。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例較少，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)偏理論。

（3）課程內(nèi)容復(fù)雜，學(xué)習(xí)過(guò)程難以把握重點(diǎn)，學(xué)生興趣不高。

（4）考試成績(jī)組成比例不合理。

3.對(duì)于當(dāng)前熱自專業(yè)教學(xué)過(guò)程中相關(guān)問(wèn)題的解決辦法

（1）針對(duì)學(xué)生重視程度不夠的問(wèn)題，可考慮將課程安排提前。本課程通常安排在大四上學(xué)期進(jìn)行，在本學(xué)期，學(xué)生為畢業(yè)工作、復(fù)習(xí)考研等問(wèn)題所占精力較多，對(duì)課程重視不夠，從而學(xué)習(xí)效果不佳。因此，可以考慮將本課程安排在大三下學(xué)期進(jìn)行。從而使學(xué)生能把更多精力放在本課程的學(xué)習(xí)上。此外，在授課過(guò)程中，要采取相應(yīng)手段，讓學(xué)生增加對(duì)課程的認(rèn)識(shí)和興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（2）增加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，提升實(shí)例講解在課程中所占比重。對(duì)于熱工過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)盡可能多的加入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，針對(duì)具體實(shí)例，對(duì)比原來(lái)傳統(tǒng)的控制策略和智能控制方法的優(yōu)劣，讓學(xué)生真實(shí)體會(huì)到智能控制方法的優(yōu)勢(shì)所在，從而增加學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)例選擇過(guò)程中，應(yīng)盡可能選擇具有代表性的，簡(jiǎn)明清晰的例子，而對(duì)過(guò)于復(fù)雜的實(shí)例應(yīng)予以舍棄。

（3）針對(duì)具體內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)做到注重概念，條理清晰，流程明確。對(duì)于本課程來(lái)說(shuō)，主要內(nèi)容包含如下幾部分：緒論、專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等幾部分。

①針對(duì)緒論部分的講解，應(yīng)首先讓學(xué)生了解智能控制的概念，應(yīng)用范圍，和傳統(tǒng)控制相比的優(yōu)勢(shì)所在，以及智能控制的組成和發(fā)展等，最后簡(jiǎn)單概述智能控制的幾個(gè)分支。在此部分，通過(guò)動(dòng)畫(huà)、圖片等多媒體方式，讓學(xué)生感性了解智能控制在現(xiàn)代科技中的一些應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于本專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，還應(yīng)通過(guò)一些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，讓學(xué)生了解傳統(tǒng)控制在電廠應(yīng)用中的不足之處，增加其學(xué)習(xí)動(dòng)力。

②針對(duì)專家控制系統(tǒng)部分，首先應(yīng)該使學(xué)生明確一些概念：如，專家系統(tǒng)、專家控制、直接型專家控制器、間接型專家控制器等。通過(guò)具體實(shí)例講解，從而能夠使學(xué)生了解這些概念的異同。其次，引導(dǎo)學(xué)生掌握專家控制的一般流程，如知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)，推理的過(guò)程等。最后，通過(guò)講授引導(dǎo)學(xué)生能掌握專家PID控制的一個(gè)實(shí)例，了解專家規(guī)則在控制中的實(shí)際應(yīng)用，并能夠通過(guò)Matlab程序?qū)ζ渲械囊?guī)則針對(duì)不同的被控對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化。

③針對(duì)模糊控制部分的教學(xué)，首先應(yīng)當(dāng)使學(xué)生掌握模糊數(shù)學(xué)的基本內(nèi)容，主要有如下幾方面：模糊集合的相關(guān)概念以及運(yùn)算，隸屬函數(shù)，模糊關(guān)系運(yùn)算以及模糊推理。在模糊集合的講授過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意加強(qiáng)對(duì)比，使學(xué)生明確模糊集合和普通集合之間的差別，從而掌握模糊集合的概念。在隸屬度函數(shù)的講授過(guò)程中，讓學(xué)生明確模糊隸屬度函數(shù)的種類及特點(diǎn)，以及如何用Matlab函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在模糊關(guān)系運(yùn)算和模糊推理講授過(guò)程中，明確模糊關(guān)系合成規(guī)則以及模糊推理的種類后，應(yīng)通過(guò)合成的方法和削頂法的對(duì)比，讓學(xué)生充分體會(huì)到削頂法的優(yōu)勢(shì)所在。對(duì)于模糊關(guān)系方程求解部分來(lái)說(shuō)，在學(xué)會(huì)模糊關(guān)系合成基礎(chǔ)上，可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)列舉法掌握。

其次，在掌握模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)部分后，即進(jìn)入模糊控制部分的講授。對(duì)于模糊控制部分來(lái)說(shuō)，應(yīng)通過(guò)一維、二維模糊控制器的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生理解模糊控制的一般設(shè)計(jì)流程，并能通過(guò)Matlab編程實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)過(guò)程中通常應(yīng)遵從由簡(jiǎn)入難的一個(gè)過(guò)程，從而掌握觀測(cè)量與控制量的選擇、定義模糊集、設(shè)定模糊規(guī)則、建立模糊控制表、模糊推理以及反模糊化等這樣一個(gè)模糊控制設(shè)計(jì)的一般流程。此部分難點(diǎn)是模糊論域確定、模糊規(guī)則建立以及模糊推理和解模糊。模糊論域的確定和模糊規(guī)則的建立通常需要具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定合適的參數(shù)和規(guī)則。對(duì)于模糊推理和解模糊的過(guò)程，通過(guò)板書(shū)講解效果較好。之后通過(guò)模糊洗衣機(jī)以及模糊PID的兩個(gè)實(shí)例，讓學(xué)生加深對(duì)模糊控制認(rèn)識(shí)。在講述兩個(gè)實(shí)例時(shí)，模糊洗衣機(jī)為開(kāi)環(huán)控制，側(cè)重于讓學(xué)生鞏固模糊控制的設(shè)計(jì)流程，特別是模糊規(guī)則建立、推理及解模糊的內(nèi)容；而模糊PID控制則為閉環(huán)控制，在講述時(shí)，應(yīng)讓學(xué)生明白模糊控制的本質(zhì)，以及和模糊PID控制的區(qū)別所在。

最后，簡(jiǎn)單介紹模糊控制的發(fā)展方向如自適應(yīng)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制等即可。

④對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分的教學(xué)，首先應(yīng)讓學(xué)生建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般概念。在這個(gè)過(guò)程中，主要包含：明確神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的意義，了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理、分類及學(xué)習(xí)算法，以及典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)詳解，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)講解過(guò)程中，通過(guò)逼近、模式識(shí)別的例子，讓學(xué)生掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、初始參數(shù)設(shè)置、梯度下降法權(quán)值調(diào)整策略，以及BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)兩者的區(qū)別。

其次，學(xué)生建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般概念后，即可進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分的講授。本部分內(nèi)容主要包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂啤⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)評(píng)判控制等。授課過(guò)程中，控制器設(shè)計(jì)推導(dǎo)部分用板書(shū)講解效果較好，而對(duì)于程序?qū)崿F(xiàn)及仿真建議采用多媒體技術(shù)，從而使學(xué)生在掌握理論部分內(nèi)容后，能對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果建立直觀認(rèn)識(shí)，增加學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

最后，本部分內(nèi)容的作業(yè)形式應(yīng)以Matlab程序編制為主，通過(guò)參考課本實(shí)例，能夠獨(dú)立修改相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定對(duì)象的控制。

（4）本課程相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)踐性較強(qiáng)，對(duì)于期末考核來(lái)說(shuō)，若將考試筆試部分所占比例過(guò)高不甚合理，無(wú)法客觀反映出學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握。因此，應(yīng)提高平時(shí)成績(jī)所占比例，特別是作業(yè)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)所占比例。

4.結(jié)語(yǔ)

智能控制是一門(mén)較新的、實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科。在我校熱自專業(yè)實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，通常存在內(nèi)容繁雜、實(shí)例少、學(xué)生重視不夠以及考試方式不合理等問(wèn)題。我校作為一所工科學(xué)校，側(cè)重于對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，因此，教師應(yīng)當(dāng)在授課過(guò)程中，降低過(guò)于復(fù)雜的理論所占比重。課程講授重點(diǎn)應(yīng)放在智能控制算法的設(shè)計(jì)流程、和傳統(tǒng)控制效果對(duì)比上。授課時(shí)還應(yīng)協(xié)助學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)，并盡可能多的搜集具有代表性的現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)實(shí)例進(jìn)行講解。在此過(guò)程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握Matlab這一強(qiáng)有力的輔助軟件。在實(shí)際授課過(guò)程中，教師還應(yīng)當(dāng)善于將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，尊重學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，增加學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)，從而增強(qiáng)其實(shí)踐能力，讓學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中獲得成就感，從而獲得較好的授課效果。針對(duì)學(xué)生重視不夠的問(wèn)題，建議將課程安排提前。在期末考試時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加平時(shí)成績(jī)，特別是實(shí)踐作業(yè)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)所占比例，降低期末筆試考試所占比例，從而更能從客觀上掌握學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的接受程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金琨.智能控制.北京： 電子工業(yè)出版社，2014.endprint