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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称： 智能控制基础 一级学科：  08 工学
二级学科： 0806 电气信息类 教学层次：  本科
负责教师： 师黎 学校名称：  郑州大学
院系名称：   申报状态：  已获奖
申报级别： 国家级 申报文件下载：  无下载文件
获奖名称： 获奖年度：  2006
主页地址： http://www6.zzu.edu.cn/shili 是否交换：  否
浏览次数： 5981 网上评论：  没有相关评论
课程介绍：

4-2理论课和理论（含实践）课教学内容
4-2-1结合本校的办学定位、人才培养目标和生源情况，说明本课程在专业培养目标中的定位与课程目标
郑州大学是国家“ 211 工程”重点建设高校，是国家教育部和河南省政府共建的综合性重点大学，近几年综合排名迅速上升，2005年综合排名上升到39位。郑州大学坚持以学科建设为主线，优化结构，发展内涵，主动适应国家和地方经济建设与社会发展的需要，着力推进学校的现代化和国际化，正在实现由教学研究型大学向研究教学型大学的转变，努力把郑州大学建设成为国内一流、国际知名、具有区域示范作用的综合性大学。
本科教育要适应新世纪经济建设和社会发展需要，以“宽口径、厚基础、强能力、高素质、强能力、多模式”作为学校人才培养总体目标，强调“基本要求+特色”的具有创新精神和实践能力的高级专门人才。根据本专业特点，我院通过强化专业背景和加强基础课程，按照人才市场需求变化及个性培养的要求培养具有创新意识和工程实践能力的应用性复合人才。
电气工程学院开办自动化专业已有50多年的历史，目前是郑州大学师生最多的院系之一。近几年来的调查和统计显示自动化专业和电气工程及其自动化专业的就业率一直位居郑州大学就业率的前三名，高达 95% 以上，为河南省乃至全国的企事业单位输送了大量的自动化和电气工程及其自动化方面的人才。并且该专业是河南省重点学科，具有控制理论与控制工程二级博士点1个和控制科学与控制工程一级硕士点1个，生源非常充足，每年高考录取成绩高出一本线20分左右。
智能控制基础是自动化专业的核心专业课程，是多学科的交叉，代表着自动控制发展的新阶段，其面向复杂不确定性系统，教学的内容组织符合学科要求，以模糊逻辑控制、神经网络控制和专家系统为主，知识结构合理。通过智能控制基础课程的学习，学生完成对所学经典控制和现代控制理论与技术的综合和提升，学会综合利用先进的控制理论与技术，建立对于非模型类系统控制器的设计思想，掌握分析和设计复杂实际系统的方法。因此，本课程在毕业设计中发挥重要作用，并且对学生进一步深造和就业都具有举足轻重的作用。
总之，学习智能控制基础课程对于本科生的毕业设计、继续深造和就业等多方面均是一门很实用的课程。每年我专业的考研率在全校也名列前茅，与智能控制基础精品课程的建设有着密切关系。
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4-2-2知识模块顺序及对应的学时
智能控制基础是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成。智能控制是研究对复杂的、不确定的、非线性的、时变的被控对象（过程）采用人工智能的方法有效地克服系统的不确定性，使系统从无序到期望的有序状态转移的方法及其规律。知识模块的顺序为:
第 1 章 绪论 （ 2 学时）
教学内容：
1.1 智能控制的基本概念
1.2 智能控制系统的特点
1.3 智能控制系统的结构理论
1.4 智能控制与传统控制的关系
1.5 智能控制的研究对象
1.6 智能控制的类型
1.7 智能控制的发展概述
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第 2 章 模糊控制基础（英语） Fuzzy Control: The Basics （ 10 学时）
教学内容：
2.1 Overview
2.2 Fuzzy Control: A tutorial Introduction
2.2.1 Choosing Fuzzy Controller Inputs and Outputs
2.2.2 Putting Control Knowledge into Rule-Bases
2.2.3 Fuzzy Quantification of Knowledge
2.2.4 Matching: Determining Which Rules to Use
2.2.5 Inference Step: Determining Conclusions
2.2.6 Converting Decisions into Actions
2.2.7 Graphical Depiction of Fuzzy Decision Making
2.2.8 Visualizing the Fuzzy Controller's Dynamical Operation
2.3 General Systems
2.3.1 Linguistic Variables, Values, and Rules
2.3.2 Fuzzy Sets, Fuzzy Logic, and the Rule-Base
2.3.3 Fuzzification
2.3.4 The Inference Mechanism
2.3.5 Defuzzification
2.3.6 Mathematical Representations of Fuzzy Systems
2.3.7 Takagi-Sugeno Fuzzy Systems
2.3.8 Fuzzy Systems Are Universal Approximators
2.4 Simple Design Example: The Inverted Pendulum
2.5 Summary
?????? ?第3章 Fuzzy Identification and Estimation （ 4学时）
教学内容：
?? ?3.1 Fitting Functions to Data
3.2 Least Squares Methods
第 4 章 Adaptive Fuzzy Control （4 学时）
教学内容：
4.1 Overview
4.2 Fuzzy Model Reference Learning Control (FMRLC)
4.3 FMRLC: Design and Implementation Case Studies
??????? 第 5 章 Perspectives on Fuzzy Control （ 2 学时）
教学内容：
5.1 Overview
5.2 Fuzzy Versus Conventional Control
5.3 Neural Networks
5.4 Genetic Algorithms
5.5 Knowledge-Based Systems
5.6 Intelligent and Autonomous Control
5.7 Summary
5.8 For Further Study
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?? 第 6 章 神经网络控制 （ 8学时）
教学内容：
6.1 概述
6.2 前向神经网络
6.2.1 感知器网络
6.2.2 BP 网络
6.2.3 BP 网络学习算法的改进
6.2.4 神经网络的训练
6.3 反馈神经网络
6.3.1 离散 Hopfield 网络
6.3.2 连续 Hopfield 网络
6.3.3 Boltzmann 机
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第 7 章 专家控制（ 2 学时）
教学内容：
7.1 概述
7.2 专家控制系统的工作原理
7.2.1 专家控制系统的结构
7.2.2 专家控制系统的工作原理
7.2.3 建立专家系统的步骤
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第 8 章 智能控制的应用（ 2 学时）
教学内容：
8.1 概述
8.2 智能机器人
实践教学为14学时，学生通过实践性的教学环节，加深了对于控制理论课程的难点内容和物理现象产生机理的理解，极大地激发学生学习的兴趣，提高学生学习的主动性、自觉性。
实践教学的设计思想是将实践内容分层次，逐渐综合和创新，逐渐接近工程实际。具体为：
?实验教学
实验 1 双容水槽模糊控制（ 2 学时 ）
实验 2 玻璃窑炉温度对象的神经网络仿真实验（ 2 学时 ）
?综合设计(任选一题）（8学时）
1.汽车导航模糊控制（ Design a fuzzy controller for a vehicle cruise system ）
2.PI fuzzy controller
3.PD fuzzy controller
课外科技活动（2学时）
结合《智能控制基础》教学内容，依托学生实习基地和创新活动，组织了许多大学生课外科技活动小组，深化了教学内容，取得了突出成果。
4-2-3课程的重点、难点及解决办法
智能控制代表自动控制领域技术发展的最新方向，涵盖面非常广泛。考虑到智能控制的实际应用现状，在教学内容的组织上，我们以讲授模糊逻辑控制和神经网络控制为主，首先宏观讲解智能控制的基本分类、基本原理、构建观点，以达到对智能控制知识有总体上概念性的了解，同时充分展示智能控制研究的热点问题和发展方向，然后介绍智能控制的理论与方法。
智能控制基础课程的重点有3个：
1.??? 模糊控制的设计。要求能根据实际系统的要求，独立完成模糊控制器的设计，并用MatLab或者C语言实现；
2.??? 神经网络的原理和应用。要求在较深入掌握神经网络的工作原理基础上，了解神经网络的应用形式，并学会将其应用于实际控制工程；
3.??? 专家控制系统。要求在较深入掌握专家系统的工作原理基础上，了解专家系统的应用形式，并学会将其应用于实际控制工程；
智能控制基础课程的难点可以概括为以下 4 点：
1．智能控制理论抽象难学 。智能控制研究的对象是非线性复杂系统，大都采用非解析模型的控制，系统描述抽象，使得初学者难以把握。例如用T-S模糊系统建模时，被控对象或者系统的模型隐含在结论部分的一系列参数之中，这与传统的几种参数化模型相比，抽象和难以把握；
2. 智能控制内容多、系统性不强。 智能控制系统内容多，包括递阶控制系统、模糊控制系统、神经网络控制系统、专家控制系统和学习控制系统等，之间相互独立，并且采用不同的数学工具和分析方法，系统性不强，使学生对其重点、难点难以把握；
3. 智能控制设计综合性强。 在实际应用中，智能控制往往需要将几种方法和机制结合在一起，用于一个实际的智能控制系统或装置，例如我们在进行模糊控制器设计时，往往是依靠工程实际经验，无法实现优化设计，而神经网络恰恰具有自学习能力和优化特点，将二者有机结合，扬长避短，这就产生了模糊神经网络。由此可见，智能控制的设计要求知识面宽，要求学生具有坚实的基础知识和很强的综合应用知识的能力，而这正是目前大多数学生所欠缺的；
4. 智能控制还在不断发展中 。智能控制理论和技术还远未成熟，是在不断发展和完善中的崭新学科，还有许多课题处于探索中，这需要我们正确引导学生看待科学的发展，这也正是我们培养学生创新意识的好机会。
针对智能控制教学的重点与难点，我们采用以下解决方法：
1. 教学方法上采用多媒体课件，信息量大，形象生动，使学生对知识的重点、难点易于消化吸收。同时我们在精品课程网站上，加载丰富的教学资源；
2. 教材选用英文原版教材，保证了知识的系统性和原创性；
3. 强调实验教学，开设操作实验、演示实验和高水平选作实验等，开设课程综合设计，增强学生综合应用能力的培养；
4. 改革考试和成绩评定制度，在成绩考核方面我们采用了平时作业、随堂测验、专题论文、基础实验和自主实验、期终考试等多项内容相结合的综合评定方法，避免了只以考试定成绩的传统习惯，把学生从死读书中解放出来，把创新意识和能力的培养落在实处。
5. 增加课程的专题论文和综合设计题目，使学生更加深刻理解和掌握课程的重点和难点内容；
6. 开设学术讲座和网上论坛，鼓励学生进行探索性研究，提高学习兴趣和学习效率；
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4-2-4实践教学的设计思想与效果（不含实践教学内容的课程不填）
实践教学是智能控制基础教学体系的重要组成部分。鉴于本课程的实践性强的特点，课题组成员自始至终贯彻理论联系实际、重视实践、激发学生创新热情的指导方针，将学生创新思维和独立分析问题、解决问题能力的培养贯穿于实践教学的整个过程。我们一直在探索和实施课程相关的实践活动，采用各种措施为学生提供培养创新意识和实践能力的平台，将实践教学贯穿于整个教学过程，建立一套完善的实践教学方案。我们从以下6方面落实实践教学，并取得显著成效：
1.??? 自行开发与引进实验装置相结合，为学生创造良好的实验条件，建立开放实验室。课题组成员根据多年的科研经验积累，自行设计开发了 “ WK-I 温度控制系统实验平台 ”，该实验装置以温度为被控对象，在设计思路、技术参数和可靠性方面在国内院校中具有领先水平。学生在本课程学习中完成模糊智能控制实验，并且把模糊控制与经典 PID 控制进行比较，这不仅巩固以前经典控制理论知识，丰富了智能控制理论和实践经验，而且极大地促进了教学，使得“智能控制基础”课程教学既有理论深度，又生动新颖；
2.??? 鼓励学生自主开发智能控制系统，进行探索研究，独立完成设计和实施控制。近年我们又引进了“高级过程控制实验台”，以双容水箱和锅炉为研究对象，通过开发可以实现专家控制、神经网络控制、模糊智能控制等多变量复杂实验。学生可以根据自己的特点与爱好，针对实际对象自主开发智能控制软件，实验老师只做辅助指导，学生可以自主编写实验程序。这样对于培养工科学生的工程实际能力，提高学习兴趣起到很好的效果，因此本课程在历年教学评估中均受到学生好评。这有效地培养学生的创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。
3.??? 建立实习基地，定期组织学生参观实习。我们在武汉钢铁公司、安阳钢铁公司、河南思达高科、郑州市卷烟厂、郑州辉煌科技公司、郑州纺织机械厂、华南医电公司等建立多家实习基地。根据课程需要经常组织学生到有关基地参观实习，培养了学生工程实践能力。学生毕业后的反馈意见和问卷调查充分肯定了这种做法的效果；
4.??? 设置综合实践项目。要求学生综合应用所学知识，撰写专题报告，并作为课程考核项目之一。学生反映这种综合设计的训练对于毕业设计、实际工作和读研的继续深造都大有好处；
5.??? 鼓励学生参加课外科技活动深化理论教学内容。每学期学校或院系为学生提供科技平台，激发学生课外动手、动脑的实践能力。例如河南省挑战杯、学校开展的大学生科技竞赛、院系的电子制作活动月等。学生取得了优异成绩；
6.??? 建立综合评价体系，强化实践教学。实践教学在培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力方面有显著成效。本课程包括理论教学环节和实践教学环节，在成绩考核方面建立了以平时作业、随堂测验、专题论文、基础实验和自主实验、期终考试等多项内容相结合的新型评价机制，避免了只以考试定成绩的习惯，充分调动了学生学习的积极性，注重培养学生创造性思维方式和工程实际能力。
今后我们将继续充分发挥控制理论与控制工程省级重点学科的资源优势，进一步完善《智能控制基础》的全开放实验室，充分激励学生探索和研究的热情，进一步加强实践性环节。
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4-3教学条件（含教材使用与建设；促进学生主动学习的扩充性资料使用情况；配套实验教材的教学效果；实践性教学环境；网络教学环境）
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1.教材的使用与建设方面： 冯冬青和师黎教授结合多年的科研工作编写了 《模糊智能控制》一书，并在化学工业出版社出版。从1998年至2003年在本科生的智能控制基础课程中，我们选用此书作为主要教材。 2004年申请人从加拿大留学回国后，充分汲取了北美教学的新理念，大胆选用了 K.M.Passino 主编的英文原版教材《 Fuzzy Control 》，在我院首次实行双语教学。申请人在 2005 年在科学出版社出版了《反馈控制系统导论》一书，在第9和第10章讲述了模糊神经网络的知识和应用，在以后的教学中将选用它作为辅助教材使用。
??? 2.扩充性资料使用：除了选用的教材外，为了能够使学生跟踪和了解国际选进水平和最新发展动态，充分激发和调动学习的积极性，申请人为学生推荐了一些参考书。如：清华大学出版社出版的孙增圻主编的 《智能控制理论与技术》、蔡自兴编著的《智能控制（第二版）》、北京工业大学出版社出版的易继锴等主编的《智能控制技术》，北京航空航天大学出版社出版张化光等主编的《模糊自适应控制理论及其应用》，清华大学出版社出版周东华等主编的《现代故障诊断与容错控制》等。这些书籍对于学生拓宽视野、了解本领域的前瞻性技术、培养学生的实践能力均有很大的帮助，使其真正做到基础性、先进性和实用性的有机结合。
3.实验教材：配合智能控制基础的理论教学，编写了智能控制配套实验教材，采用实验单独开设，成绩采用实验报告和现场答辩综合评定的方法。《智能控制基础实验指导书》经过多年的使用和多次修改，取得了很好的教学效果。我们在基本实验的基础上开发了多个综合型、开放型和研究型的教学实验资料实验，为学生进行创新性综合实验设计提供必要的指导。
??? 4.实践环节：我院自行设计开发了“ WKI 温度控制系统实验平台”，在国内尚属首创。近年我们又引进了“高级过程控制实验台”，以多容水箱和锅炉装置为研究对象，通过开发可以实现专家控制、神经网络控制、模糊智能控制等多种控制算法的实验。学生可以根据自己的特点与爱好，针对实际对象自主开发智能控制软件，实验老师只做辅助指导，学生可以自主编写实验程序。这样对于培养工科学生的工程实际能力，提高学习兴趣起到很好的效果，因此本课程在历年教学评估中均受到学生好评。
本课程还以玻璃窑炉温度系统为对象，利用 MATLAB 实现实际系统仿真，实现了模糊 PID 控制；并进一步实现智能模糊控制、神经网络控制、专家系统控制等多种算法的研究。
另外，我们 完成了“智能控制基础虚拟实验系统研究开发”，丰富了实物和虚拟仿真等实践教学形式，充实了实验教学内容，为学生进行控制理论应用和科技创新活动提供了有效的实验支持。
我们希望今后能够利用控制理论与控制工程省级重点学科的资源优势，逐步建立《智能控制基础》的半开放或全开放实验室向综合型、开放型和研究型方向转变，充分激励学生探索和研究的热情，进一步加强实践性环节。
?? ?5.网络教学文件共享：作为 211 大学，郑州大学在网络建设上投入了大量的财力和物力，现为中国教育科研网河南省主节点，并建立了足够量的多媒体教室，郑州大学完全具备网络教学的硬件条件。智能控制基础理论课程组已完成了电子教案、多媒体网络课件、授课视频录像的制作，并开设了专用的网站，建立了学术论坛等，大量的资源都已上挂在郑州大学教务处网站。课题组成员均具有较高的操作教学设备硬件和软件的水平，完全能胜任网络教学的要求。
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4-4教学方法与教学手段（含多种教学方法灵活使用的形式与目的；教育技术应用与教学改革）
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我们把精品课程的建设作为一个系统工程，是一个需要长期维护、不断自我完善与发展的过程。我们始终坚持以人为本，突出学生在教学过程中的主导地位，采用灵活多样的教学方法，配合现代教育技术的教学手段，构建各类教学人员之间和教学过程的和谐体，达到知识的灌输和创新意识与能力培养的整体和谐发展。
教学方法
1. 本着因材施教的教学方针，在传统的课堂授课中，引入了灵活的教学方法，互动式、启发式和引导式教学为理论教学提供了新的思路，充分激发了学生求知的潜能和学习的主体作用。
2. 结合专业特点，选用国外知名大学英文原版教材和自己编写的智能控制基础教材相结合，在我校专业课中最早实行双语教学，采用小班分层次授课形式。
3．适当增加讨论课，增加小设计和小论文，充分激励学生探索和研究的热情，让学生学会科学研究的方法，把能力的培养落实在实处。
4．实践教学的设计思想始终贯彻理论联系实际、重视实践、激发学生创新热情的指导方针，自行开发与引进实验装置相结合，提供基础性、综合性和创新性的实验内容。为学生创造良好的实验条件，鼓励学生自主开发智能控制系统，独立完成设计、控制与研究，并验证其效果。
5．对我校自动化专业的本科生采用课堂面授教学为主，有专门辅导教师坚持定期定时答疑、批改作业；实验有专门的辅导教师全程跟踪实验，保证教学质量。
6.借鉴国外知名大学的成绩评估方法，实施教考分离，且把平时成绩、实验、考试成绩和设计成绩综合考虑，采用综合成绩评价学生，以强调实践能力、分析能力和创新能力的培养。
教学手段
1．现代教育技术与传统教学手段有机结合。
针对该课程内容难度大，信息涵盖量大，知识面广的特点，充分发挥现代教育技术的优越性，课堂授课方法以多媒体 CAI 课件为主，实现图、文、声、像并茂的视听一体化教学，并与传统教学手段有机组合，共同参与教学全过程，以多种媒体信息作用于学生，形成合理的教学过程结构，使学生在最佳的学习条件下进行学习。
2．利用网络技术提供丰富教学资源共享。
精品课程网站提供了《智能控制基础》课程丰富的教辅资源，网络多媒体课件及学术论坛为学生提供交互式学习平台，使学生能够在课堂学习、答疑、自由论坛等各个环节密切配合，达到最佳的学习效果。同时，利用多媒体课件可以做到教学资源共享 , 便于教师之间彼此交流教学经验。
3. 开发交互式学习系统，提供自评、自测学习新途径。
精品课程网站提供主讲教师的录像、教学大纲、教学日历、电子讲稿、习题及解答、参考文献、考核内容及方法等资源，并且开发出交互式学习系统，学生可以通过网络自测、自评，提供了自学的一种新途径。
4. 利用现代网络技术加强和丰富实验教学。
实验教学中辅以MATLAB为平台开发的工程实时动态演示实例，重在使学生形象和深入理解课程内容，培养学生计算机辅助分析与设计的能力；虚拟实验系统使学生开阔眼界，深入思考智能控制理论的内涵及其应用。
在网络课程教学中增加了虚拟实验室开发，形象地模拟了针对倒立摆、单容水箱、多容水箱及锅炉等实际对象的控制，开发了模糊控制器、神经网络和专家系统的智能控制器，使学生能够更形象消化与理解实际工程控制，增强工程意识。
通过上述举措的实施，进一步提高教学队伍自身的教学质量，使本专业学生从中受益，使加强素质教育落到实处。创建《智能控制基础》精品课程，为我校自动化重点学科设置一个亮点，对高校现代化教育技术的应用和教育改革做出了有益的探索。
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