智能控制课程实验教学探讨

魏世勇　蔡自兴

摘 要 本文探讨中南大学智能控制课程教学，尤其是其实验教学问题。首先阐述该课程的特色，包括创新教学模式、更新教材内容和优化教学手段等方面的理念与做法。然后着重讨论该课程实验教学的思路和方法，涉及注重理论与实践结合、开发与应用网络课程、采用多媒体与虚拟实验以及进行先进实验系统观摩等。最后，介绍一个智能控制实验的实例，即单神经元自适应闭环控制，比较分析了实验结果，说明实验方法的有效性。

关键词 智能控制 课程 实验教学 探讨

中图分类号：G424 文献标识码：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

智能控制學科是智能科学的一个重要组成部分和典型的交叉学科；①智能控制课程是自动化专业的一门特色课程和智能科学与技术专业的一门重要课程。全国讲授该课程的高校估计在百家以上，然而在该课程中开设实验教学的学校却为数不多。本文试图就我校智能控制课程实验教学的某些问题进行探讨，以期与兄弟院校同行交流，得到有关师生的批评指正。

1 课程特色

1988年我校开始讲授“智能控制”课程，是国内最早开设智能控制课程的院校之一。经过20多年建设与改革，该课程已取得突出的教学和教改成果，已成为国内同类课程中的优秀课程。②本课程具有如下特色：

1.1 创新教学模式

经过长期探索与实践，逐步形成“以趣导课、以疑启思、以法解惑、以律求知”的教学模式和教学方法。③该课程主讲教师的讲授过程生动形象，富有启发性，能够激励学生的学习主动性，发挥独立思考和创新思维，进而多方位培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

1.2 更新教材内容

本课程与时俱进，不断更新教材内容。在20年（1988-2007年）间出版了5部智能控制教材，具有系统性、新颖性、实用性和可读性等特色。④⑤⑥⑦这些教材及时地反映国内外智能控制学科理论和应用的最新进展，处于国内领先地位，曾获全国电子类优秀教材一等奖等项奖励。因此，能够保证教学内容适时满足新的教学要求。

1.3 优化教学手段

为提高智能控制课程的教学质量，于2004年开发了智能控制网络课程，2010年又对其进行修订。该网络课程采用智能技术和现代辅助教学方法实现编程、实验和答疑，多媒体教学与智能化网络教学优势突出，极大地调动了学生的学习兴趣和积极性。⑧

基于我校智能控制课程的诸多特色及其在国内高校的广泛影响，本课程于2006年被评为国家级精品课程；这是智能控制类的第一门国家级精品课程。

2 实验教学

本课程原先只进行课堂讲授，没有包含实验教学内容，至多也是给学生进行一些集中演示，或安排他们参观实验室控制系统。近十年来，为了加大教学改革力度与建设精品课程，增加了实验教学环节，把实验教学当作智能控制课程不可或缺的教学内容，让实验教学为提高教学质量服务。具体说来，智能控制课程的实验教学采用下列理念和方法。

2.1 注重理论与实践结合

要在思想上重视实验教学，在教学内容安排上注意理论联系实际，适时布置一些实验供学生进行课外练习。通过参与实验教学，有助于学生增加学习兴趣，加深对智能控制基本概念和难点的理解，更好掌握智能控制的基本方法和技术，为从事智能系统开发打下基础。

2.2 开发与应用网络课程

网络课程实质上也是一种实验教学手段，而且是一种更高层次的实验教学手段。通过网络课程学习，能够培养学生的自学能力和动手能力。智能控制网络课程实现了交互式教学和情景化学习过程。在交互性方面，采用向导学习，通过网络课程的课堂练习，对学生的学习情况进行评价，为他们提出学习建议。在情景化方面，采用了智能答疑和学习伙伴Agent，增添学习过程的趣味性。

2.3 采用多媒体与虚拟实验

虚拟实验使得智能控制中一些抽象的知識形象化，减少学生的理解难度。学生通过虚拟实验，能够深入算法内部对算法运行过程进行主动干预，验证自己提出的假设，达到理解知识难点和重点的效果。例如，通过自适应神经控制的虚拟实验，学生对该控制能够有较深刻的理解。

2.4 进行先进实验系统观摩

利用已取得的科研成果，有针对性地对学生进行演示和新型智能机器人表演，使学生知道智能控制知识不但学了有用，而且很有趣，很有意义，从而进一步诱导学生的学习主动精神，提高教学效果。

3 实验示例

下面举例介绍一个智能控制实验。⑨

单神经元自适应闭环控制。单神经元是神经网络的最基本单元，具有自学习和自适应等能力，由其构成的控制器结构简单，易于实现实时控制，因而得到广泛应用。

3.1 实验目的

（1）掌握单神经元控制器的设计方法。

（2）观测单神经元控制器对时变系统的自适应控制能力。

3.2 实验设备

（1）PC机一台。

（2）TD-ACC系列教学实验系统一套。

3.3 实验内容

（1）构建单神经元数学模型。单神经元的数学模型由加权加法器、线性动态系统和非线性函数发生器3个部分组成，如图1所示。通过本实验，加深学生对单神经元模型和神经元学习过程的理解。

图1 单神经元数学模型

（2）单神经元控制器设计。单神经元控制器的框图见图2。要求学生熟悉闭环控制器的工作原理和各环节各参量的作用。

通过设计使得：

其中，X1（k）为系统误差，X2（k）为误差的一阶差分，X3（k） 为误差的二阶差分。因此，本控制器具有PID特性。控制量U（k）为：

（3）实验线路设计。学生可根据单神经元控制器框图设计出实验电路原理图和接线图（省略）。

（4）参考流程图设计。学生可参照单神经元控制器线路原理图，设计出程序参考流程图，包括主程序和中断程序。控制器参数可遵循调节规律选定（省略）。

3.4 实验步骤

含单神经元闭环控制器实验和常规数字PID闭环控制器实验（省略）。

3.5 实验结果

通过虚拟实验，得到单神经元自适应控制响应曲线和数字PID闭环控制响应曲线（省略）。分析比较实验结果可得出“单神经元自适应控制比和数字PID控制器具有更好的鲁棒性和自适应性”的结论，并表明本单神经元闭环控制实验的有效性。

4 结语

本文对我校智能控制课程及其实验教学问题进行了初步探讨。该课程注重引入实验教学，对该课程实验教学的思路和方法进行了一些探索，并把网络课程和虚拟实验看作一种更高层次的实验教学手段。引入实验教学是智能控制课程教学改革迈出的重要一步，但改革的道路还很长，需要继续探索，不断前进。

注释

① 蔡自兴，贺汉根.智能科学发展的若干问题[J].自动化学报，2002.28（12S）：142-150.

② 中国高等教育学会编.中国高校国家精品课程，工学类，（上册），2003-2007[M].北京：北京大学出版社，2008：426-429.

③ 陈爱斌，肖晓明，魏世勇，等.智能控制的学科发展与学科教育[J].现代大学教育，2006（3）：102-105.

④ 蔡自兴.智能控制[M].北京：电子工业出版社，1990.

⑤ Cai Zixing. Intelligent Control： Principles， Techniques and Applications [M]. Singapore-New Jersey： World Scientific Publishers，1997.

⑥ 蔡自兴.智能控制，第二版[M].北京：电子工业出版社，2003.

⑦ 蔡自兴.智能控制原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

⑧ 余伶俐，蔡自兴，肖晓明.智能控制精品课程教学改革研究[J].计算机教育，2010（19）：35-39，

⑨ 中南大学信息科学与工程学院自动化系编.智能控制技术实验教程[M].中南大学教材科，2008.