构建“智能控制”教学案例提高研究生实践技能

王福斌　陈至坤　张瑞成

[摘 要]为贯彻落实《教育部 国家发展改革委 财政部关于深化研究生教育改革的意见》（教研〔2013〕1号）及《教育部 人力资源社会保障部关于深入推进专业学位研究生培养模式改革的意见》（教研〔2013〕3号），在专业学位硕士研究生教学实践中引入案例教学法，提高专业学位硕士研究生的工程实践能力。课题组以煤气混合过程智能多变量解耦控制系统为研究对象，构建了智能控制课程案例教学库，并制订了案例教学效果的评价要素及保障措施；为进一步提高案例教学质量，提出了内外循环案例建设内容持续改进的循环模式。

[关键词]专业学位研究生；案例教学；效果评价；质量保证措施

[中图分类号] G643.8 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）04-0078-03

1978年恢复研究生教育以来，我国一直在研究生招生、培养、类型等方面进行着积极的探索、改革。在硕士研究生培养方面，目前已形成学术型硕士、专业学位硕士、工程硕士等类型。2016年全国硕士研究生招生考试报考人数达177万人，其中报考专业学位人数为85万人，报名人数占比为48%。随着研究生培养结构的调整，专业硕士报考人数逐年递增。

《教育部关于做好全日制硕士专业学位研究生培养工作的若干意见》（教研[2009]1号）中，突出强调全日制专业学位硕士研究生须“具有较强解决实际问题的能力”[1]。《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研[2015]1号）中，也突出强调了案例教学在专业学位硕士研究生培养过程中的重要性。面对逐年扩大的专业学位硕士研究生队伍，如何提高专业学位研究生实践能力，探索与学术型硕士研究生不同的培养模式，更好的适应解决工程实际难题，是一个值得研究的有意义的课题[2]。

一、“智能控制”课程教学案例的建设原则

《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研[20151]号）中，对案例教学给出了明确的定义：案例教学是以学生为中心，以案例为基础，通过呈现案例情境，将理论与实践紧密结合，引导学生发现问题，分析问题，解决问题，从而掌握理论，形成观点，提高能力的一种教学方式。

“智能控制”课程是控制工程专业学位硕士研究生的一门必修课。智能控制以控制理论、计算机科学、人工智能等学科为基础，采用模糊控制、神经网络、遗传算法、专家系统、自适应控制、自组织控制及自学习控制等理论方法及技术实现控制目标。为提高学生学习“智能控制”课程的效果，以“煤气混合过程智能多变量解耦控制”为主线，以模糊控制的实现过程为内容，构建了煤气混合过程智能多变量解耦控制系统教学案例。案例构建过程遵循如下原则：

（1）控制对象的真实性。目前，国内多数煤气混合加压站采用手动混合煤气生产控制，煤气混合质量难以保证。案例以煤气混合控制系统为研究对象，采用模糊控制方法，设计了混压模糊控制器及热值模糊控制器，得到混压、热值模糊控制规则表和混压、热值模糊查询表，实现多变量的解耦控制。

（2）控制对象的典型性。煤气混合加压过程具有多变量强耦合性、不确定性、时变性的特点，是典型的非线性系统，难以建立其控制数学模型。因此，选择煤气混合过程多变量解耦控制作为智能控制教学案例的典型。

（3）建设内容的充实性。引入基于内分泌生长激素双向调节机制的智能解耦控制方法，通过系统辨识技术来辨识系统模型参数。提出基于内分泌生长激素双向调节机制的解耦控制技术，解决了煤气混合过程中的热值压力严重耦合问题；同时，采用模糊控制方法，详细阐述了控制变量及被控对象的模糊逻辑实现过程。

（4）建设内容的创新性。将内分泌生长激素双向调节机制与模糊控制相结合，通过算法提出、过程实现、结果仿真、实验验证等环节，让学生切身感受案例教学的实践性成果。

二、“智能控制”课程教学案例的建设内容

以煤气混合过程智能多变量解耦控制为建设目标，首先将控制对象的工艺流程、控制变量、被控制量、执行单元及其数学模型讲解清楚，在此基础上给出煤气混合解耦控制总体设计方案。构建解耦控制算法及模糊逻辑控制模型，结合实验室实训控制平台，实现煤气解耦案例控制。学生通过案例的学习过程，可锻炼控制方案设计、算法构建、智能控制、实验验证、参数调节等能力，具体建设内容有：

（1）煤气混合系统的工艺流程。在案例教学过程中，首先让学生熟悉煤气混合系统的工艺流程，以便清楚后续控制过程中的控制对象、控制工艺参数及控制系统的特点。学生在校学习过程中的弱点往往是对被控对象的工艺流程及工艺特点掌握不足，了解不透彻，从而导致控制方案不合理或控制效果不理想。因此，加强典型环节的工艺了解，对增强实践能力是必要的。

（2）煤气混合解耦控制总体设计。在煤气混合解耦控制总体设计环节，让学生掌握系统耦合的概念以及如何实现解耦控制。耦合现象是过程控制系统中常见的典型性案例，也是较难精确控制的对象，如何准确的实现被控参量的解耦，是耦合系统控制的关键。

（3）基于内分泌生长激素双向调节机制的解耦控制。国内大部分煤气混合加壓站在进行煤气混合控制时，采用压力及热值双回路调节控制方法，通过被调量和调节量之间的适当匹配来消除耦合，但这种方法精度不高，抑制扰动能力不强。前馈补偿解耦方法以高炉煤气管道压力、焦炉煤气管道压力、加压机前混合煤气压力作为扰动，采用静态解耦的方式加以控制，控制效果也不理想。模糊解耦控制技术、神经网络解耦控制技术等智能解耦控制方法用于解耦控制较复杂。为此，提出了基于内分泌调节机制（ASA）的解耦控制方法，通过各种系统辨识技术来辨识系统模型参数，解耦算法更加符合工程实际，且容易实现，对学生观察解耦控制效果较为理想。

（4）煤气混合系统数学模型及仿真。该环节主要用于训练学生通过所学知识抽象分析控制对象，建立对象数学模型并进行仿真的能力。基于输入向量机输出向量构建双输入双输出耦合控制系统解耦框图，通过框图间的变量关系，可清晰的发现控制器的输出与系统输出之间的相互作用与影响关系。

（5）双蝶阀并联系统模型及仿真。为提高控制系统的控制精度，进一步了解系统中用到的装置性能，对系统中不同工艺环节的装置进行模型建立与分析，并对双蝶阀并联系统进行建模及仿真。

（6）模糊控制器设计。模糊控制技术的核心是模糊控制器及模糊控制规则的设计，模糊控制器的控制规则需要结合控制对象、工艺流程、工艺操作规程及操作经验进行总结、获取。在模糊控制器设计环节，锻炼学生制订论域、模糊控制规则并掌握模糊化及反模糊化的技术等。在煤气热值与压力解耦控制回路中，热值是主要调节对象，压力是次要调节对象，因此采用精调热值、粗调压力的方法。智能解耦控制通过混压模糊控制器和热值模糊控制器，获得对应于当前混压和热值的控制量。为保证具有较好的动态性能，混压模糊控制器和热值模糊控制器都是二维的控制器，其中，混压模糊控制器选择混压偏差和混压偏差的变化率为输入量，热值模糊控制器选择热值偏差和热值偏差的变化率为输入量。控制规则的设计是设计模糊控制器的关键：选择描述输入输出变量的词集与论域大小，定义各模糊变量的隶属度函数及建立模糊控制器的控制规则。

（7）煤气混合加压系统仿真实验。为验证解耦方法的可行性，对解耦控制系统进行仿真验证。分别选取热值和混压的设定初值，并在250秒时，改变热值及混压的设定值，获取仿真曲线。

三、构建案例教学的双循环反馈模式，保证教学效果

案例教学效果的评价要素及保障措施如图1所示。首先总结出案例建设质量保证的评价要素，并完善质量保证措施，从而保证案例建设质量及教学效果。在案例建设评价要素中，总结出5点评价标准：

（1）案例反映工程实际的真实程度。专业学位硕士研究生的实践技能培养十分重要，强基础、重实践是专业学位硕士研究生培养的目标之一。案例只有充分反映工程的真实性，才能使学生在学习案例的过程中把握相关工程的设计规律，更接近工程的实际，从而获得事半功倍的培养效果。

（2）案例内容及代表性。案例的内容是案例建设成功与否的关键，案例建设之初一定要精选案例题目，注重案例内容建设。结合典型控制系统的控制过程，选择具有代表性、示范性的案例，使得案例在学生学习过程中发挥启发、引导作用，并能将成功的案例解决方案自觉的应用到今后的工作中。

（3）案例理论分析的完整性及算法创新性。专业学位研究生教学既要注重学生实践能力的培养，同时也要培养学生扎实的理论基础，鼓励学生在理论、算法上进行大胆尝试、创新。没有坚实的专业知识背景及理论做支撑，学生在今后的工作、成长中就会感到后劲不足、力不从心。因此，对专业学位硕士研究生来说，在注重实践能力的同时，也要掌握坚实的理论知识。案例建设过程中，要注意理论分析的完整性、逻辑性、准确性，并具有一定的创新性。

（4）案例研究方法翔实且解决方案明确。为起到工程案例的示范效应，案例中所采用的工程问题解决方法应尽量详细，且解决方案明确、具体，没有歧义。对具体的控制问题，在构建案例时不仅要详细分析控制量、被控制量，建立被控对象的数学模型，还要给出采用的控制器选型、参数设定、控制量输出等环节的详尽过程，使得学生按照案例不仅能搭建出控制系统，实现控制方案，而且可以修改控制算法、控制参数，观察控制效果。

（5）案例實验数据充分有利于支撑学生实践能力的提高。工程案例选择最好贴近实际工程，所用实验数据也来自工程实际运行。如煤气解耦控制案例中，煤气压力、煤气热值等参数均为实际工程运行项目中采集的时间序列数据，数据具有真实性、连贯性。

为保证案例教学效果，将各项指标落到实处，制订了多项质量保证措施：在课程内容涵盖范围内精选案例建设题目；确定案例建设内容，并组织学科专家进行论证，提升案例立项水平；组建日常建设课程组，保证课程学习、课程实训的顺利进行；通过师生定期交流，反馈学生学习效果；通过持续改进，不断完善案例内容与结构；学生考核方式采用闭卷+答辩的方式，不仅考核学生的理论知识，同时考核学生的实践能力与知识运用能力[3][4][5][6]。

通过案例教学双循环考评、改进模式，不仅注重案例建设质量及内部评价效果，而且强调学生的课程学习质量及学习效果反馈。通过内外循环，对案例库进行持续改进，不断完善案例的内容，提高案例教学质量。[7][8][9][10]

四、结束语

本文参照《教育部 人力资源社会保障部关于深入推进专业学位研究生培养模式改革的意见》（教研〔2013〕3号）指导意见，结合我校专业学位硕士研究生培养方案及课程建设实际，构建了智能控制课程案例教学库，提出了案例教学效果评价要素、案例教学质量保证措施及通过内外循环对案例建设内容进行持续改进的循环模式。通过引进效果评价指标及双循环改进模式，保证了案例库建设内容的充实、案例教学过程的有效监控及案例教学的成效。本文研究内容对专业学位研究生案例库的构建及提高实际使用效果具有借鉴意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张笑燕，宋茂强.全日制专业学位硕士研究生学位论文的过程管理与质量控制[J].研究生教育研究，2011（3）：69-72.

[2] 王福斌，陈至坤，王一.专业学位硕士研究生指导过程质量控制与实践[J].大学教育，2016（10）：59-60.

[3] 张学敏，侯佛钢.全日制教育硕士研究生案例教学的桥梁作用[J].学位与研究生教育，2016（8）：43-47.

[4] 范利丹，秦刚，杨佳，等.研究生案例教学的几点思考[J].教育教学论坛，2017（30）：212-213.

[5] 刘建东，戴波，纪文刚.“卓越计划”的宏观模型及评价体系构建[J].高等工程教育研究，2012（5）：46-52.

[6] 鹿玲，吴建胜.提升应用型本科软件工程专业实验教学效果探讨[J].大学教育，2017（8）：29-31.

[7] 靳玉乐，向眉.论案例教学价值取向的变革——基于对工商管理案例教学的分析[J].西南大学学报（社会科学版），2015（1）：93-98.

[8] 刘新强，贾登娉，王金林，等.专业选修课考核方式的分析与探讨—以液压技术进展课程为例[J].大学教育，2017（8）：59-61.

[9] 石静遐.全国法律硕士专业学位研究生案例教学法研讨会综述[J].对外经济贸易大学学报，2000（1）：62-64.

[10] 吴存刚，张佳怡，李玉宏，等.医学影像学硕士研究生培养中应用案例教学法的实证研究[J].辽宁医学院学报（社会科学版），2015（1）：46-48.

[责任编辑：钟 岚]