智能控制理論案例教學(xué)在車輛工程專業(yè)中的應(yīng)用

石沛林，鄭遼東，趙玉帥，王牧天

（1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博； 2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博）

一 引言

智能控制技術(shù)是目前控制理論的最高形式，代表著現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的全面發(fā)展，能夠高效解決更復(fù)雜的控制和管理問(wèn)題，智能控制技術(shù)全方位廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人控制、過(guò)程控制（石油化工、冶金建材、輕工紡織、生物制藥）、車輛工程、路橋隧道、交通運(yùn)輸、智慧農(nóng)業(yè)、家用電器、企業(yè)管理和金融服務(wù)等領(lǐng)域[1-7]。

智能控制理論課程理論和實(shí)踐并重，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐水平以及創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)具有非常重要的作用。課程內(nèi)容涵蓋：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、故障診斷和專家系統(tǒng)。當(dāng)前課程講授過(guò)程中的主要問(wèn)題為：首先，以往的老師講課學(xué)生聽(tīng)講是一種單一方向的信息傳遞，這種教學(xué)模式難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；其次，教學(xué)與具體實(shí)踐存在一定脫節(jié)現(xiàn)象，因而從智能控制學(xué)科的發(fā)展特點(diǎn)和該學(xué)科目前呈現(xiàn)的課程教學(xué)效果來(lái)看，很有必要引入創(chuàng)新教學(xué)理念，對(duì)課程教學(xué)手段進(jìn)行改革。

二 案例教學(xué)的提出與建設(shè)的緊迫性

案例教學(xué)法是一種創(chuàng)新形式的教學(xué)方法，起源于二十世紀(jì)八十年代，由美國(guó)教育研究組織卡內(nèi)基小組（Carnegie Task Force）最早提出了這一方法并進(jìn)行了深入的教學(xué)研究，他們倡導(dǎo)教師在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中加入案例討論環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)教師根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容，課前準(zhǔn)備各種現(xiàn)實(shí)案例，以便于課堂上展示并引導(dǎo)學(xué)生積極參與，組織引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合案例勤于思考、敢于爭(zhēng)鳴、善于討論、清晰表達(dá)自己的思想，以期培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)、分析和解決問(wèn)題的綜合能力[8-10]。

智能控制的研究和實(shí)踐應(yīng)用相對(duì)豐富，但將科研和實(shí)踐應(yīng)用的成果反哺到教學(xué)上，尚存在挖掘不足、總結(jié)不夠的問(wèn)題，教學(xué)上表現(xiàn)為案例資源匱乏、供給不足，特別是與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)密切聯(lián)系具有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義且與時(shí)俱進(jìn)的新案例較少。智能化是目前全球研究的熱點(diǎn)之一，案例教學(xué)能極大促進(jìn)師生交流互動(dòng)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量，教師可以構(gòu)建案例庫(kù)，根據(jù)自己教學(xué)需求從案例資源中選取相應(yīng)案例；案例教學(xué)法也可以作為其他各種教學(xué)模式的補(bǔ)充，從不同方面、以不同角度加以應(yīng)用，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。案例能夠傳遞最新消息，同時(shí)有利于研究生特別是專業(yè)學(xué)位研究生提高理論知識(shí)的綜合工程應(yīng)用能力。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)日益繁榮和人民生活水平蒸蒸日上，為了減輕勞動(dòng)者負(fù)擔(dān)和提高生活質(zhì)量，智能控制可以說(shuō)已應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是基于人民生命財(cái)產(chǎn)安全考慮的許多不適合人員現(xiàn)場(chǎng)工作的惡劣環(huán)境或危險(xiǎn)場(chǎng)所，是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，但我國(guó)的教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)水平相對(duì)較落后，為了響應(yīng)“新工科”服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、滿足工程教育認(rèn)證要求、體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)前沿和以學(xué)生為中心的教育教學(xué)理念，針對(duì)教育部對(duì)車輛工程類各相關(guān)專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)要求，教學(xué)中提出了一些車輛工程專業(yè)領(lǐng)域智能控制理論課程案例庫(kù)建設(shè)值得思考的一些想法，對(duì)課程案例庫(kù)建設(shè)及其相應(yīng)的教學(xué)方法進(jìn)行了初步探索。具體案例教學(xué)應(yīng)用摘選如下。

三 案例教學(xué)應(yīng)用選例

（一） 基于誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制策略案例

誤差反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在智能控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，它的主要的優(yōu)點(diǎn)在于其信號(hào)正向傳播，誤差反向傳播，因?yàn)檫@種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次較多，所以它被定義為多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)可以分為輸入層、隱含層、輸出層（以下分別簡(jiǎn)稱I 層、H 層、O 層）,同一層又可分為左層（L 層）和右層（R 層）。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是神經(jīng)元，在同一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，L 層與R 層的各個(gè)神經(jīng)元之間均有連接，但其不同層次的神經(jīng)元之間又相互獨(dú)立。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以按照一定的方式進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接收到用于練習(xí)的信息后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的I 層會(huì)發(fā)出神經(jīng)元的激活值，并通過(guò)各H 層進(jìn)行傳遞，最后在O 層輸出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)；為了減小信號(hào)傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，誤差會(huì)從O 層發(fā)出，經(jīng)過(guò)H 層返回I 層（同層從R 層到L 層），逐層修正每層的連接權(quán)。由于這個(gè)減小誤差過(guò)程是從O 層到I 層一層一層傳遞的，所以被稱為“誤差反向傳播算法”。 通過(guò)這種誤差逆向傳播訓(xùn)練的不斷修正后，從而提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)對(duì)輸入模式的準(zhǔn)確性。

在制動(dòng)距離模型中，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分析駕駛員駕駛狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)，并修正車輛安全距離，記錄駕駛員反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛工況，對(duì)不同工況的沖擊度進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行分析計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，基于當(dāng)時(shí)的道路情況，確定和駕駛狀況有關(guān)的一系列信息，最后得到自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制（Automatic Emergency Braking，AEB）參數(shù)，最后，在系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，以提高自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)的控制效果，該系統(tǒng)的控制流程如圖1 所示。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)控制流程

（二） 轎車ABS 故障診斷案例

車輛制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Braking System，縮寫(xiě)：ABS），由其內(nèi)部的電子控制器（electronic control unit，ECU）控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、速度監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力等功能。該系統(tǒng)能有效防止車輛在緊急情況下的車輪側(cè)滑和方向失控，即保障車輛剎車時(shí)車輪不被鎖死，使汽車在剎車狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向。汽車ABS可保證汽車制動(dòng)方向穩(wěn)定，它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的汽車安全保障系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)原理是輪速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車車輪轉(zhuǎn)速，獲取的速度信號(hào)傳送到汽車ECU 內(nèi)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輪即將要抱死時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)向制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器傳遞信號(hào)，由制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)-保壓-減壓-再增壓等一系列調(diào)整，從而防止制動(dòng)過(guò)程中輪胎鎖死。總之，在車輛緊急制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，防止車輪被鎖死，保證車輪和地面具有附著最大力。最大限度保證車輛和人員在突發(fā)情況下的安全。

教學(xué)中利用故障樹(shù)技術(shù)理論，建立ABS 故障樹(shù)模型，通過(guò)引用模糊評(píng)價(jià)矩陣對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合成評(píng)判，進(jìn)一步優(yōu)化 ABS 故障樹(shù)，并將故障樹(shù)頂事件和底事件的相關(guān)結(jié)果應(yīng)用到專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從而提高故障診斷的準(zhǔn)確性。根據(jù)故障信息實(shí)現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的建立與訓(xùn)練，得到所需的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與故障樹(shù)專家系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，完成基于兩種機(jī)制的轎車ABS 故障診斷專家系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和各個(gè)模塊設(shè)計(jì)，轎車ABS 故障診斷系統(tǒng)功能模塊圖如圖2 所示， 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與故障樹(shù)專家系統(tǒng)的診斷流程圖如圖3 所示。

圖2 轎車ABS 故障診斷系統(tǒng)功能模塊

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與故障樹(shù)專家系統(tǒng)的診斷流程圖

在智能控制理論教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)理論講解和分析，幫助學(xué)生們了解智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，通過(guò)案例圖解項(xiàng)目分析和討論，理清了智能機(jī)模糊控制系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)方法和手段，為同學(xué)們未來(lái)的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總之，在教學(xué)過(guò)程中引領(lǐng)學(xué)生理解各種智能控制算法的特點(diǎn)和各自的應(yīng)用領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)研究[8]，并提出算法優(yōu)化的思路和方向。比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法教學(xué)中，不僅讓學(xué)生明白神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有強(qiáng)大的非線性學(xué)習(xí)能力，在模式識(shí)別、數(shù)據(jù)分析和挖掘等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，還要讓學(xué)生知道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法自身也存在局限，即雖然其來(lái)源于神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，但并不意味著可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接取代人類腦神經(jīng)系統(tǒng)，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型普遍采用的激勵(lì)函數(shù)，激勵(lì)方式和人類腦神經(jīng)系統(tǒng)相比，相去甚遠(yuǎn)，未來(lái)發(fā)展之路遙遠(yuǎn)，由此激發(fā)學(xué)生積極思考和探索。

智能控制理論與技術(shù)應(yīng)用廣泛，教學(xué)過(guò)程中還要注重學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)[9-10]，我們知道工程設(shè)計(jì)能力是由設(shè)計(jì)者體現(xiàn)出來(lái)的，所以要求學(xué)生按照一定的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)典型的具體代表性的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制器理論及實(shí)際應(yīng)用，再運(yùn)用MATLAB 語(yǔ)言編程并進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，理解和掌握智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，形成理論聯(lián)系實(shí)際的貫通式掌握，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程原理清晰，方法明確，應(yīng)用得當(dāng)，從而極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和自覺(jué)性。

四 結(jié)語(yǔ)

課程所選案例反映的教學(xué)目標(biāo)明確，案例和生產(chǎn)生活實(shí)際緊密結(jié)合，組建了有利于研究生課堂質(zhì)量提升與培養(yǎng)研究生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的車輛工程及交通工程的智能控制系統(tǒng)教學(xué)案例庫(kù)，建立多學(xué)科知識(shí)與案例的融合與統(tǒng)一。在建設(shè)過(guò)程中根據(jù)教師教學(xué)需要編寫(xiě)教學(xué)案例，在每個(gè)教學(xué)案例中詳細(xì)給出案例問(wèn)題的提出和原理分析，對(duì)于具體的案例問(wèn)題進(jìn)行仿真、故障診斷和控制，并能綜合對(duì)比分析結(jié)果。不僅使學(xué)生能熟悉工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也培養(yǎng)了研究生需要具備的科研思維，有利于研究生自主進(jìn)行智能控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與調(diào)試，形成了一套系統(tǒng)的、完整的、具有行業(yè)特色的車輛工程智能控制系統(tǒng)教學(xué)案例庫(kù)。

智能控制理論案例化教學(xué)過(guò)程的探索和應(yīng)用，拓寬了專業(yè)知識(shí)面，理論與實(shí)踐聯(lián)系更加緊密，加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的掌握，提高了學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)質(zhì)量，值得在類似課程的教學(xué)過(guò)程中加以推廣和應(yīng)用，對(duì)于車輛工程領(lǐng)域案例教學(xué)的推廣應(yīng)用及倡導(dǎo)新工科教學(xué)理念具有一定的借鑒和參考價(jià)值，案例教學(xué)的應(yīng)用推廣前景十分廣闊。