《模糊控制》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

侯一凡+劉鼎+秦萌

摘要：《模糊控制》是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課。為了適應(yīng)新形勢(shì)下人才培養(yǎng)的需要，本文針對(duì)《模糊控制》課程特性和教學(xué)中存在的若干關(guān)鍵問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、方法及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索。實(shí)踐表明，這些改革措施能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升創(chuàng)新能力，優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：《模糊控制》；教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）25-0177-02

一、引言

控制理論經(jīng)歷了經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制兩大重大階段后，已經(jīng)相當(dāng)完善。然而，當(dāng)遇到系統(tǒng)規(guī)模龐大化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及參數(shù)隨機(jī)性等情況，傳統(tǒng)控制理論的純粹數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)就難以獲得了。因此，無(wú)法采用常規(guī)的控制理論進(jìn)行定量分析。此時(shí)，出現(xiàn)了某些仿人工智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，智能控制應(yīng)運(yùn)而生。其中，模糊控制是智能控制中適應(yīng)面寬廣且容易普及的一個(gè)重要分支，它在一些非線性或難以建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的工程控制中，發(fā)揮著重要的作用。模糊控制把模糊集合理論和模糊邏輯推理作為基礎(chǔ)，通過(guò)模糊理論轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。伴隨控制對(duì)象的復(fù)雜性、非線性、滯后性和耦合性逐步增加，人們獲得精確知識(shí)量的能力相對(duì)減少了，隨之運(yùn)用傳統(tǒng)精確控制的可能性也相伴減小。所以，“模糊概念”更適合于人們的觀察、思維、理解與決策。模糊控制是一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的高級(jí)控制策略和新穎技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，并發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。模糊控制技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，如何能在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)獲得最好的教學(xué)效果，如何使學(xué)生熟練地掌握課程所學(xué)內(nèi)容，并培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐和科研創(chuàng)新能力，是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，其關(guān)鍵是在教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)方法上要與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。筆者結(jié)合自身對(duì)《模糊控制》課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了課程特性及存在的關(guān)鍵問(wèn)題，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)研究等幾方面闡述了教學(xué)改革的措施。

二、課程特性分析

1.《模糊控制》理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象。模糊控制技術(shù)首要特性是其理論性強(qiáng)，涉及面廣，尤其是運(yùn)用數(shù)學(xué)的力度較大，抽象性強(qiáng)，邏輯運(yùn)算復(fù)雜。首先，《模糊控制》主要以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，課程的學(xué)習(xí)要求具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底?！赌：龜?shù)學(xué)》是一門(mén)新的學(xué)科分支，其理論深?yuàn)W、概念抽象。所以，想要學(xué)好《模糊控制》，必須在學(xué)習(xí)前掌握模糊數(shù)學(xué)的理論知識(shí)，特別是對(duì)模糊集合論的隸屬函數(shù)概念、模糊關(guān)系及其運(yùn)算等的熟練掌握。此外，模糊控制是基于模糊集合理論和模糊邏輯推理，用以模擬人類(lèi)思維方式的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法，其核心是模糊規(guī)則和模糊邏輯推理。因此，必須熟練掌握模糊規(guī)則并進(jìn)行模糊邏輯推理，最終才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.隸屬度與概率的概念完全不同。隸屬函數(shù)反映的是模糊性，而概率反映的是隨機(jī)性?！案怕收摗贬槍?duì)的現(xiàn)象均是隨機(jī)現(xiàn)象，事件發(fā)生與否完全取決于條件是否充分，事件的發(fā)生結(jié)果只能有“是”或“否”兩種可能性，屬于一種精確邏輯。然而，模糊集合研究和處理的是模糊現(xiàn)象，事件的發(fā)生滿(mǎn)足模糊邏輯。模糊邏輯認(rèn)為事物在形態(tài)和類(lèi)屬上具有亦此亦彼、模棱兩可性，相鄰中介之間是相互交叉和彼此滲透的，其中介狀態(tài)之間的界限也是不分明的、模糊不清的。因此，只能用從屬于某概念的程度即隸屬度來(lái)表示。

3.模糊控制與傳統(tǒng)控制緊密聯(lián)系、相輔相成。模糊控制雖然有它自己的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，但它與其他的傳統(tǒng)控制手段也是相互依存的。所以在進(jìn)行課程學(xué)習(xí)時(shí)，不能只偏重其中一種，更不能忽視經(jīng)典控制理論的學(xué)習(xí)，比如模糊PID控制器的應(yīng)用就比較廣泛。另外，智能控制系統(tǒng)是由模糊控制與專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制共同構(gòu)成的，它們之間相互促進(jìn)、滲透，但學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)容易被本門(mén)課程表面的繁雜所迷惑，甚至感到無(wú)所適從，而且本門(mén)課程實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)將所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。

三、教學(xué)中存在的關(guān)鍵問(wèn)題解析

1.由于模糊控制與常規(guī)控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同，所以在講述模糊控制時(shí)，應(yīng)著重對(duì)比普通集合與模糊集合的異同、特征函數(shù)與隸屬度函數(shù)的異同、普通二元關(guān)系與模糊二元關(guān)系的區(qū)別等。

2.模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的操作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)控制器的，故無(wú)須知道被控對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型，這對(duì)于傳統(tǒng)控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制非常有利。但這并不代表運(yùn)用模糊控制就可以不管被控對(duì)象如何。在運(yùn)用模糊控制之前，必須采用模糊統(tǒng)計(jì)法、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法或典型函數(shù)法等來(lái)確定隸屬函數(shù)；正確構(gòu)造隸屬函數(shù)是能否用好模糊集合的關(guān)鍵，這一點(diǎn)在教學(xué)時(shí)必須引起高度重視。

3.要注意理論和實(shí)際應(yīng)用的均衡介紹。模糊控制中有許多的新概念、新原理，在講授實(shí)際應(yīng)用前必須有針對(duì)性地介紹相關(guān)概念、原理。也只有打好理論基礎(chǔ)，才能深入學(xué)習(xí)和研究控制的方法和手段，否則無(wú)法進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。但也不能只偏重于純粹的理論教學(xué)，那樣會(huì)影響學(xué)生的積極主動(dòng)性，讓學(xué)生反感理論學(xué)習(xí)。

4.要注意模糊控制與傳統(tǒng)控制的相輔相成。實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊控制器具有更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，且能夠克服非線性因素的影響。但由于其有限的控制等級(jí)，限制了控制精度的提高。常規(guī)的二維模糊控制器通常以誤差和誤差變化為輸入變量，僅具有比例和微分作用，而缺少積分作用。為了更好地消除靜態(tài)誤差，在教學(xué)過(guò)程中，要注重模糊控制與傳統(tǒng)控制相結(jié)合，例如采用模糊PI控制器可大大改善上述問(wèn)題。

四、教學(xué)改革措施初探

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的積極主動(dòng)性。教學(xué)改革的重要一環(huán)就是教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。因此，針對(duì)《模糊控制》課程教學(xué)中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化是重中之重。首先，必須考慮理論教學(xué)的進(jìn)度及其知識(shí)的重難點(diǎn)，隨時(shí)關(guān)注學(xué)生對(duì)基本理論的掌握情況，對(duì)課程內(nèi)容及時(shí)進(jìn)行更新、充實(shí)和調(diào)整。此外，模糊控制是一項(xiàng)新興的技術(shù)，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)引入模糊控制領(lǐng)域的最新發(fā)展方向和進(jìn)展，通過(guò)大量生動(dòng)的實(shí)例，講述模糊控制的多種應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生的興趣，加強(qiáng)理論與實(shí)際的緊密結(jié)合。講授時(shí)要隨時(shí)關(guān)注學(xué)生的反饋信息，對(duì)于重難點(diǎn)內(nèi)容要重復(fù)強(qiáng)調(diào)，吸引學(xué)生的注意力，提高課堂的教學(xué)效率。

2.改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，優(yōu)化教學(xué)效果。深入改革教學(xué)方法，從過(guò)去“填鴨式”的教學(xué)方式逐步轉(zhuǎn)化成以“啟發(fā)式”為主的教學(xué)方式，并融入討論課、專(zhuān)題講座課等多形態(tài)的教學(xué)方式。課后要求查閱模糊控制應(yīng)用領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，隨時(shí)記錄自己學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，加深對(duì)模糊控制器實(shí)際應(yīng)用的理解，這樣有利于幫助學(xué)生克服“填鴨式”教學(xué)的依賴(lài)性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的自信。此外，充分利用現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段，發(fā)揮計(jì)算機(jī)教學(xué)的輔助優(yōu)勢(shì)，把多媒體教學(xué)引入課堂，優(yōu)化模糊控制技術(shù)及Matlab實(shí)踐的教學(xué)課件。利用Matlab仿真軟件，建立《模糊控制》網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)體系，優(yōu)化教學(xué)效果。

3.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、拓寬學(xué)生思路、提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。但實(shí)踐教學(xué)中仍然存在重知識(shí)傳授而輕動(dòng)手能力的現(xiàn)象，因此，實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行。在《模糊控制》課程學(xué)習(xí)中，必須加強(qiáng)基本技能的訓(xùn)練，讓學(xué)生熟練掌握Matlab/Simulink在模糊控制中的仿真與應(yīng)用，著重強(qiáng)調(diào)模糊控制工具箱的應(yīng)用。此外，增設(shè)一些綜合性及設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，在掌握模糊控制器設(shè)計(jì)方法后，進(jìn)一步完善基于Matlab平臺(tái)的實(shí)際控制系統(tǒng)的模糊控制實(shí)驗(yàn)，逐步提升學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)高素質(zhì)人才的需求日益迫切。因此，知識(shí)的更新、教學(xué)手段的更新也必須與時(shí)俱進(jìn)。為了適應(yīng)新時(shí)期下人才培養(yǎng)的需求，將《模糊控制》課程的教學(xué)改革推向新的臺(tái)階，本文積極探索《模糊控制》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革。筆者認(rèn)為只要堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，堅(jiān)持以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力為基準(zhǔn)，就一定能促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，將《模糊控制》課程的教學(xué)改革推向縱深。

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Education Reform and Practice on "Fuzzy Control"

HOU Yi-fan，LIU Ding，Qin Meng

（School of Mechano-Electronics Engineering， Xidian University， Xi'an，Shaanxi 710071，China）

Abstract："Fuzzy Control" is an important professional course of the automation specialty. In order to adapt the requirements of talent cultivation in new situation，aiming at the character of "Fuzzy Control" and some key issues in teaching，this article explores the teaching reform of the curriculum from teaching contents，teaching methods and practical teaching. The practice indicates that these reform measures can facilitate learning initiative of students，promote the innovative capacity，and optimizes the quality of teaching.

Key words："Fuzzy Control"；teaching reform；practice teaching