《模糊控制技术》教学改革实践

《模糊控制技术》教学改革实践

孙霞

《模糊控制技术》教学改革实践

孙霞山东科技大学机电工程系

张新忠山东省泰安供电公司

【摘要】模糊控制技术是自动化专业重要的基础课，根据模糊控制技术课程的特点，结合自身教学实践，从教学内容，教学方法和手段，实践环节等方面对该课程的教学改革进行了探索和实践，这些措施在培养学生的兴趣和实践能力方面取得了较好的效果。

【关键词】模糊控制教学改革实践

【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2009）06－0129－02

【Abstract】Fuzzycontroltechnologyistheautomationofessentialbasicclasses,accordingtofuzzycontroltechnologycurriculumcharacteristics,combinedwithmyownteachingpractice,fromtheteachingcontent,teachingmethodsandmeans,inpracticeareassuchasaspectofthecurriculumofteachingreformcarriedoutexplorationandpractice,thesemeasurescultivatestudentinterestinandpracticalabilitytoachievegoodresults.

【Keywords】FuzzyControlTeachingReformPractice

模糊理论的提出至今虽只有30多年，但发展迅速。尤其是近10年来，模糊控制的成功应用实例层出不穷。“模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大。人类的思维是极其粗略的，语言表达是暖昧的，它的逻辑是定性的，所以，“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解与决策。

模糊控制技术是自动化专业的一门重要的专业必修课。该课程总学时36学时，其中上机实验6学时。模糊控制技术是一项新兴的技术，如何在有限学时内获得最好的教学效果，使学生较好地掌握课程内容，并培养学生的工程实践能力和创新精神，增强学生的学习兴趣，是一项急需解决的问题。课程及其教材建设是学科教育中的一个重要内容，另一个重要内容就是在教学过程中的教学方法上要与时俱进，不断创新。

在教学过程中，教师和学生一样都是教学过程的主体，教师担负着教学过程的组织者、引导者、咨询者和促进者的职责，教师“闻道在先”。本人从教学内容、教学方法、教学手段、实践环节、教学研究等几方面对该课程的教学改革进行了探索。

一、课程的特点

1．模糊控制与常规控制理论的数学基础不同

模糊控制是以模糊理论为基础的。模糊控制理论和方法的提出，归功于美国加利福尼亚大学的自动控制教授L.A.Zadeh于1965年在他的《FuzzySets》等著作中提出，70年代中期以英国E.H.Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，标志着模糊控制的正式诞生。而常规的控制理论（经典或现代控制理论）是建立在精确数学的基础上。所以，在进行模糊控制学习前，必须学习模糊集理论，特别是模糊集合的隶属函数概念、模糊关系等。

2．隶属函数与概率不同

隶属函数反映的是模糊性，而概率反映的是随机性。“概率论”所处理的是随机现象，事件发生与否取决于条件是否充分，因而在某一次已完成的试验中，试验的结果或事件的发生与否是完全确定的，即要么发生，要么不发生，“非此即彼”，二者必居其一，绝不会有第三种情况出现。然而，模糊集合研究和处理的是模糊现象，即所研究的对象是否属于某个概念难以确定，因而

只能用从属于某概念的程度即隶属度来表示。隶属函数的值越接近于1，表示元素隶属于模糊集合的程度越高，否则就低一些。但是与“概率”不同的是“隶属度小”的对象是不可能真正属于的。例如“热”这是一个温度的模糊集合，对于40℃来说，其隶属度就比10℃的隶属度大，因而10℃属于“热”的程度就差一些，或者认为隶属度就为0。

3．模糊控制与常规控制不是相互独立的，而是相辅相成的。

模糊控制虽有它自己的特殊应用领域，但与其它控制手段相互并存。所以在教学时，不可过分偏重于一种，而忽视了其它控制手段的学习，特别是经典控制理论的学习，比如模糊PID控制器的应用就比较广泛。另外，模糊控制与专家系统、神经网络控制共同构成智能控制系统，它们之间也是相互渗透、相互促进的。但学生学习时容易被本门课程表面的繁杂所迷惑，甚至感到无所适从。而且本门课程实践性很强，学生在课程学习时应将所学知识与实践相结合。

二、教学体会

1．由于模糊控制与常规控制理论的数学基础不同，所以在讲述模糊控制时，可对比讲授相关理论如清晰集合，即普通集合与模糊集合的异同，特征函数与隶属度函数的异同，普通二元关系与模糊二元关系的区别等等。

2．模糊控制与传统的控制方法相比，更接近于人的思维方法和推理习惯。它不需要知道被控对象的精确数学模型，对于多变量、非线性、时变的大系统来说，建立数学模型是非常困难的，或者是根本不可能的。但对于这些控制对象，即使不知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能够根据长期的实践观察和操作经验进行有效的控制，这就是模糊控制的重要特征。但这并不是说，运用模糊控制就可以不管被控对象如何。在运用模糊控制之前，必须采用模糊统计法、专家经验法或典型函数法等等来确定隶属函数，正确构造隶属函数是能否用好模糊集合的关键，这一点在教学时必须引起学生的高度重视。

3．模糊控制是一项新兴的技术，在教学过程中，应适当介绍当今模糊控制领域的最新进展、最新方向。在这一方面，日本和欧美相对领先。特别是日本，将模糊控制推进了实用化时期，如家用电器中的模糊空调机、洗衣机、吸尘器和电饭煲等等。

4．要注意理论和实际应用的均衡介绍。模糊控制中有许多新的概念、新的原理，在讲授实际应用前必须有针对性地介绍相关概念、原理。也只有在打好理论基础上，才能深入学习和研究控制的方法和手段，否则无法进行设计和应用。但也不要过多偏重于纯粹理论的教学，否则很难引起工科学生的学习兴趣。

5．模糊控制虽然有很多优势，但不是万能的，还需要在许多方面深入研究，如在非线性复杂系统应用中，模糊规则的建立和推理算法的研究、复杂模糊规则的相互作用、模糊控制系统的稳定性探讨等等。

6．要注意模糊控制与常规控制的取长补短。实践证明，与传统的调节器相比，模糊控制器有更快的响应和更小的超调对过程参数的变化很不敏感，即具有很强的鲁棒性，能够克服非线性因素的影响。虽然模糊控制具有这些优良的动态品质，但由于受到计算机存储量的限制，只能取有限的控制等级，限制了控制精度的提高，被认为是“粗糙的”控制器。所以，如何提高模糊控制器的精度已成为从事模糊控制工作者的一大课题。常规的二维模糊控制器以误差和误差变化为输入变量，因此具有比例和微分作用，而缺少积分作用。加之模糊控制器特有的量化过程，模糊控制系统不能消除静态误差。为此，可采用Fuzzy-PI控制器等等。

三、改进教学方法和手段

1．培养学生的主动性，提高学习兴趣。

从第一节课开始，通过大量生动的例子，讲述了模糊控制的多种应用，包括模糊控制洗衣机、空调、电饭煲、手机充电器等。通过这些生动的实例，使学生明白模糊控制其实就在身边。这门课的内容不是空洞的理论，而是与实际紧密结合的。课堂上要随时注意学生的反应，引导学生带着问题听课，对于重点、难点内容要重复强调，与学生进行交流，吸引学生的注意力，提高课堂效率。并精选一部分内容留给学生去自学，写读书报告，然后开展课堂讨论。

在讲授完模糊控制器的原理及应用之后，让学生自己从网络、图书馆、期刊查阅模糊控制应用的文章，并精选几篇文章，这些文章从理论分析、控制系统设计到仿真和实验验证都比较完整，内容具备典型性，课堂上采用学生自己讲解，老师补充的方式，这样学生加深了对模糊控制器实际应用的理解。实践证明，自学讨论课的教学方法是切实可行的。这样有利于帮助学生克服依赖性，培养和发展自学能力、思维能力以及学生的勇气和自信。

2．加强实践环节，改善教学效果。

实践性教学环节是在课程讲授过程中需要通过实践活动来加深对理论的理解，验证所学理论的正确性，运用所学理论知识进行基本技能训练，培养学生的操作能力、创新能力和解决实际问题的能力。长期以来，实验教学依附于理论教学、重视知识传授、轻动手能力培养的现象仍然不同程度的存在，实验教学改革势在必行。

本课程专门开设了实验上机课，让学生熟悉了Matlab在模糊控制及神经网络中的仿真与应用。Matlab中的演示例子还不能吸引学生。如何有效地将枯燥的理论变得生动，也是该课程教学中一个棘手的问题。调整上机的内容，保证实验的先进性、代表性和方向性实验内容，首先要考虑理论教学的进度及其知识的难点和重点，以利于学生对基本理论、基本原理的掌握；其次要对原有的实验内容进行筛选、补充、综合，减少验证性实验，多开一些综合性、设计性实验。具体对于模糊控制技术课程，Matlab/Simulink软件中有完善的模糊控制工具箱FuzzyLogicToolbox及神经网络工具包NeuralNetworkBlockset，也可利用Matlab命令行的形式对函数、算法及系统进行仿真。在课堂上演示给学生，且可以方便地修改参数，上机时由学生自行设定系统参数，进而完成实验，培养学生分析问题，解决问题的能力。采用这些方法后，大大提高了课堂讲授效果。

四、结束语

模糊控制技术课程的教学也是一门艺术，要上好这门课是不容易的。除了要把抽象的理论讲的生动有趣外，下一步的工作是开发出仿真实验平台，提供更多的虚拟实验项目，为学生的自主学习提供一个宽松的环境。

为把大学生培养成为基础厚、知识博、能力强、口径宽和适应性强的高素质人才。我们要积极探索教学内容、教学方法和教学手段的改革，以适应21世纪对人才培养的需要。

参考文献

1韩峻峰、李玉惠等.模糊控制技术［M］.重庆大学出版社，2003

2石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.清华大学出版社，2008

3廉小亲.模糊控制技术［M］.中国电力出版社，2003.8