案例教學法在智能控制技術中的應用

劉莉

摘 要：《智能控制技術》課程是本科電氣工程與智能控制專業開設的一門重要的必修專業課，本文針對傳統《智能控制技術》課程主要進行理論教學、課堂氣氛沉悶以及學生學習興趣不高等問題，提出了項目驅動式案例教學。通過案例教學，不僅加強了學生對教學內容的理解，提高了學生的自主學習能力，而且提升了該課程的教學質量。

關鍵詞：智能控制技術;案例教學;學習能力

《智能控制技術》作為第三代新興控制技術，是自動控制發展的高級階段，也是當今國內外自動化學科十分活躍而且具有很大挑戰性的領域之一，它既包括抽象的理論知識，又具有較強的工程應用性，主要針對被控對象、環境、目標和任務的不確定性和復雜性而提出來的。目前國內很多高校都已在本科教學中開設了這門課程，主要講授智能控制領域的幾個分支：模糊控制、神經網絡控制、學習控制、基于規則的仿人智能控制、專家控制等，旨在培養智能制造應用型人才。模糊控制作為智能控制領域的一個重要組成部分，理論性較強，在課堂上主要通過理論講授完成授課，學生難以理解，很難提高學生學習興趣。為了有效地提高教學質量，本文以模糊控制為主要講授內容，提出項目驅動式案例教學法，以加深學生基礎理論知識、培養學生實踐能力為目的，以Matlab為工具，以現實生活中的典型案例為載體，以學生為中心，將模糊控制的教學內容以形象生動的仿真實例展示給學生。

1 Matlab軟件及其應用

在智能控制領域，Matlab具有功能強大的模塊集和工具箱，例如：神經網絡、模糊邏輯、魯棒控制、優化算法、模型預測等等，它們都是由特定領域的專家開發的，用戶可以直接使用工具箱學習、應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》課程中，可以通過Matlab軟件進行輔助教學，通過應用理論知識來實現系統的設計，解決實際問題，加深學生對理論知識的理解，提高教學質量。本文將單容水箱液位控制作為實際項目案例，以Matlab仿真的形式，展現給學生，實現理論教學和實際應用相結合。

2 案例教學法在《智能控制技術》中的具體應用

案例的選擇對于教學效果具有直接的影響。結合《智能控制技術》課程的教學模塊以及重點和難點，在選擇模糊控制的教學案例時，需要學生將理論知識應用到實際，提高學生分析和解決問題的能力。在理論授課時，適當弱化純理論的內容，而將其融于典型案例的分析之中，以案例組織知識點的講授，理論的具體應用可幫助學生加深對智能控制基本原理的理解，并可激發學生的學習興趣及積極性。本文以MATLAB/Simulink 軟件提供的水位模塊仿真系統進行單容水箱液位控制為實例，講述模糊邏輯控制器的設計方法、內容及步驟。

2.1 定義模糊控制器輸入與輸出變量

在進行模糊控制器設計時，確定模糊邏輯控制系統的輸入和輸出變量是必要的。液位模糊控制系統是一個單輸入單輸出系統，控制的要求是設計一個進水口閥門的控制器，能夠根據水箱水位的實時測量結果對進水閥門進行相應控制，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輸入與輸出變量的模糊條件，根據實際情況確定輸入和輸出變量的作用范圍，進一步確定每個變量的論域、語言值及其相應的隸屬度函數。在本案例中，水位誤差的論域為[-1 1]，水位變化率的論域為[-0.1 0.1]，閥門開度量論域為[-1 1];兩個輸入量均設定NB、ZE、PB3個語言值，隸屬函數類型均為高斯函數;輸出量設為五個等級：快關、慢關、不動、慢開、快開，隸屬函數為三角形函數，具體結果如圖1所示。

2.3 設計模糊控制規則，進行模糊推理

所謂設計模糊控制規則，即用文字語言去表達專家經驗，最終實現液位控制。本文采用“Mamdani”推理模塊，液位控制仿真效果圖如圖2所示。

3 結束語

本文以以 MATLAB 為工具，以單容水箱液位控制作為實際項目案例進行教學，實現理論教學和實際應用相結合，提高了學生的學習興趣，改善了課堂教學氣氛，通過案例教學，使學生不僅進一步掌握了Matlab這一強大的學習工具，而且對《智能控制技術》中模糊邏輯控制系統的設計方法、步驟和過程理解更加透徹，能夠進一步獨立設計模糊邏輯控制器。

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