MATLAB在智能控制技术案例教学中的应用

王龙 梅建伟 陈志楚

基于传统《智能控制技术》课程教学主要依靠理论宣讲，课堂气氛较差，学生兴趣不高等问题。设计了项目驱动式案例教学法，依托MATLAB载体，将单容水箱液位控制作为实际项目案例，将《智能控制技术》课程的模糊控制教学内容以形象生动的仿真实例展示给学生提高学生的可操作性，加深学生对教学内容的理解，有助于提高该课程的教学质量。

智能控制技术作为新型控制技术，主要是针对控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的。随着中国制造2025的提出，大多高校已在本科教学中开设了这门课程，旨在培养具有智能制造应用型技术人才。模糊控制作为智能控制的重要组成部分，目前该课程教学主要依靠理论宣讲实现，鉴于该课程难度较大、实践性较强、学时较少、缺少实验课程等特点，这种教学模式很难提起学生的学习兴趣。例如在学习模糊控制设计时，首先需要设计模糊控制器和模糊推理结构，确定隶属度函数、模糊控制策略、模糊等级、模糊化和解模糊化（逆模糊）的方法等。这些过程仅仅依靠理论授课来让学生掌握，很难让学生获得形象生动的教学效果，因此学生反馈较差。本文分析上述模糊控制课程教学过程中存在的问题，提出一个从MATLAB仿真软件工具箱-模糊逻辑工具箱，仿真单容水箱液位控制系统，使的学生学习该课程的可操作性强，学生通过实际动手操作，对各种控制方法的原理进行演示和分析，可大大提高教学效果。

1 MATLAB软件及其在《智能控制技术》教学中的应用

在自动控制领域，MATLAB有各种控制工具箱：控制系统、模糊逻辑、模型预测控制、神经网络、鲁棒控制工具箱等。目前大多智能控制教材，都通过MATLAB软件来辅助教学来提高教学效果和质量。本文通过将具体的项目案例以MATLAB仿真的形式来展现给学生，提高了学生的学习效果和教学质量。

2 项目驱动式案例教学在《智能控制技术》课程教学中的具体应用

项目与案例的选取直接影响到教学效果。选择具体的项目与案例以培养学生理解应用知识，提高分析问题、解决问题的能力为根本出发点。在组织教学时，根据项目精心选取循序渐进的若干案例，以每个案例组织知识点的讲授。根据《智能控制技术》课程的特点，本文选择学生比较熟悉的单容水箱液位控制，以MATLAB/Simulink软件提供的水位模块仿真系统为实例，讲述模糊逻辑控制器的设计方法、内容及步骤：

2.1定义输入输出变量

定义模糊逻辑控制系统的输入和输出变量，确定哪些输入、输出量是必需的。在本文单容水箱液位控制中必需的输入、输出量是液位高度、液位高度的误差变化率、阀门的开度量。由此。单容水箱液位模糊控制器必须定义系统液位高度为输入量，液位变化率为输入量，而把阀门的开度量作为输出变量。

2.2定义所有变量的模糊条件

定义模糊逻辑控制系统所有变量的模糊條件，根据实际情况确定输入变量的测量范围和输出变量的控制作用范围，以进一步确定每个变量的论域;然后再确定每个变量的语言值及其相对应的隶属度函数。就课堂演示效果而言，确定液位高度的论域为，高斯型隶属度函数;液位高度误差变化率的论域为，高斯型隶属度函数;阀门的开度量的论域为，三角型隶属度函数。

2.3设计控制规则库好而模糊推理结构

把专家知识和熟练操作工的经验转换为用语言表达的模糊控制规则过程。本文模糊推理结构选用“mamdani”推理模块。实际仿真运行效果图如下

图1实际仿真演示效果

3 结束语

将具体项目案例以MATLAB为载体进行仿真设计，以单容水箱液位高度模糊逻辑控制系统仿真进行项目驱动式案例教学，更改了传统《智能控制技术》授课，课堂氛围不高，学生接受程度低，教学质量不高等问题。通过实际教学反馈，学生们对智能控制中模糊逻辑控制系统的设计方法掌握程度深、理解透彻，可以独立完整的设计模糊逻辑控制器。

（作者单位：湖北汽车工业学院电气与信息工程学院）