以洗衣機模糊控制為例的教學案例設(shè)計方法

劉金琨

[摘要]為了突出智能控制教學發(fā)展需要，在教學方面需要加大對相關(guān)課程案例建設(shè)的研究。教師可以以洗衣機模糊控制為例，介紹模糊邏輯控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟，并通過Matlab仿真分析來加以講解，深化學生對模糊邏輯控制的理解，提升智能控制課程教學案例建設(shè)水平，使學生具備一定的工程分析能力。

[關(guān)鍵詞]洗衣機;模糊控制;案例教學;教學改革

[中圖分類號]G640 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0076-04

一、引言

案例教學是通過選擇典型的教學案例來進行教學的一種模式。該教學方法是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效途徑。在工科教育中，通過典型的工程案例介紹，可有效地引導學生進行思考和分析。目前，案例教學已成為西方教育發(fā)達國家所使用的一種重要的教學手段。在中國，傳統(tǒng)教學方法影響較大，案例教學的研究還處于起步階段。在模糊控制的課程教學中，如果將模糊邏輯控制理論與洗衣機的控制問題相結(jié)合，通過設(shè)計教學案例來展開教學，可很好地培養(yǎng)學生的理解和分析能力。

模糊洗衣機可通過傳感器自動判斷衣量和衣物的臟污程度，從而確定模糊洗衣機的洗滌時間。當處于相同水位時，隨著洗衣機內(nèi)衣物的多少和質(zhì)地不同，衣物的重量是不同的，從而可通過洗衣機內(nèi)電機慣性測量來判斷衣物的重量。通過洗衣機內(nèi)的紅外光電傳感器來測得水的透明度，從而可確定衣物的臟污程度。本文以洗衣機模糊控制為例，初步探討通過案例教學法來建構(gòu)智能控制授課的問題。

二、案例教學設(shè)計

（一）模糊控制基本知識

模糊邏輯控制是以模糊數(shù)學、模糊規(guī)則描述和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，即將工程技術(shù)人員的經(jīng)驗總結(jié)成模糊規(guī)則，通過對輸入信息的模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，通過模糊推理得到結(jié)果，將其反模糊化后的輸出量作為控制輸入。

模糊邏輯控制器的設(shè)計步驟為：1.定義模糊控制器的基本結(jié)構(gòu);2.設(shè)計輸入輸出模糊集;3.設(shè)計輸入輸出隸屬函數(shù);4.設(shè)計模糊控制規(guī)則;5.設(shè)計模糊控制表;6.設(shè)計模糊推理算法;7.設(shè)計反模糊化算法。

（二）案例的準備

組織案例分為以下步驟：（1）給出模糊邏輯控制的背景、發(fā)展歷史及研究意義，介紹國內(nèi)外相關(guān)代表性文獻;（2）洗衣機模糊控制問題分析，采用PPT講授、Matlab仿真相結(jié)合的形式;（3）隸屬函數(shù)的設(shè)計、模糊規(guī)則的設(shè)計、模糊推理算法的設(shè)計、仿真實例的設(shè)計與分析。

（三）案例分析

在案例分析中，通過介紹洗衣機模糊控制的案例背景，設(shè)計一些洗衣機的問題，如“影響衣物潔凈的因素”“影響洗衣機洗滌時間的因素”“洗衣機控制系統(tǒng)的安全問題”等，通過與理論相結(jié)合，學生對案例背景進行分析，依據(jù)模糊理論提出具體解決問題的方案。通過案例分析，可提高學生理解、運用知識的能力。

三、洗衣機的模糊控制設(shè)計實例

Matlab模糊控制工具箱為模糊控制器的設(shè)計提供了仿真分析環(huán)境，通過它可方便地實現(xiàn)輸入輸出的模糊化、模糊推理及反模糊化運算?；谀：匆聶C的模糊控制系統(tǒng)，其輸出洗滌時間的控制是開環(huán)的。根據(jù)傳統(tǒng)模糊邏輯控制器設(shè)計方法，下面介紹如何利用Matlab工具箱設(shè)計模糊控制器。

（一）選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)

采用兩個輸入一個輸出的二維模糊控制器，輸入選擇衣物的衣量和油垢（克），輸出選擇洗滌時間（分鐘）。

（二）定義輸入輸出模糊集

按衣物的重量將其分為三個模糊集，即衣量少（SD），衣量中（MD）和衣量多（LD），其取值范圍取『0，1001克。按油垢的重量將其分為三個模糊集，即油垢少（SG），油垢中（MG）和油垢多（LG），其取值范圍取『0，1001克。按洗滌時間的長短將其分為三個模糊集，即很短（vS）和短（S），中等（M），長（L）和很長（vL），其取值范圍取[0，60]分鐘。

（三）定義隸屬函數(shù)

為了對衣量模糊化，結(jié)合z型隸屬函數(shù)、S型隸屬函數(shù)和三角形隸屬函數(shù)，設(shè)計隸屬函數(shù)：

（四）模糊規(guī)則設(shè)計標準

按如下原則設(shè)計模糊規(guī)則，即“衣服的重量越重，油垢重量越重，洗衣機工作時間應(yīng)該越長”“衣服的重量適中，油垢重量適中，洗衣機工作時間應(yīng)該適中”“衣服的重量越輕，油垢重量越輕，洗衣機工作時間應(yīng)該越短”。

（五）設(shè)計模糊控制表

根據(jù)上述模糊規(guī)則設(shè)計標準，建立洗衣機洗滌時間模糊規(guī)則表，如表1所示。

五、案例分析與討論

在案例的設(shè)計與教學中，教師可讓學生針對一些具體的問題進行討論，選取多種解決方案，以使學生達到對知識的掌握和深度理解的目的，例如：1.目前國內(nèi)外的模糊洗衣機技術(shù)現(xiàn)狀和產(chǎn)品如何？2.模糊控制器由哪幾部分組成？各完成什么功能？模糊控制器設(shè)計的步驟是怎樣的？3.以水溫和衣量作為模糊控制輸入，以決定投放的洗滌劑量作為輸出，如何設(shè)計模糊邏輯控制器？4.如要提高控制性能，本文所設(shè)計的模糊規(guī)則和模糊推理算法需要哪些改進？5.洗衣機的其他控制算法如何，與模糊控制相比較，分析各類算法的優(yōu)缺點。6.如果采用其他（如C語言）語言編程，如何進行軟件實現(xiàn)？7.如將本文的算法進行工程開發(fā)，需要怎樣進行硬件和軟件實現(xiàn)？

六、結(jié)論

本文以洗衣機洗滌時間模糊控制的設(shè)計為例，介紹了模糊邏輯控制的基本設(shè)計步驟和分析方法，結(jié)合Mat-lab仿真環(huán)境，將模糊邏輯控制設(shè)計的細節(jié)問題納入各個教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的獨立思考能力和分析能力，教學效果良好。在今后的教學工作中，我們將不斷完善案例，使其更加深入地與課堂教學融合。