模糊控制技術的課程教學改革初探

摘 要：模糊控制技術在自動控制領域具有重要地位。在教學實踐過程中，模糊控制技術這門課存在開課設置不合理、缺乏優質的教材、缺少相關實驗教學設備等問題。可行的解決方法有：調整培養方案以使微機原理與接口技術、單片機原理和自動控制原理課程開設在模糊控制技術之前;針對地方院校的本科生編寫一本有針對性的教材;加大經費投入，適量增加便于模糊控制算法研究的實驗器材。

關鍵詞：模糊控制技術;課程教學改革;方案

一、模糊控制技術的重要性

模糊控制技術是現代智能控制技術的一個重要分支，它是一種建立在模糊集體理論、模糊推理方法和專家語言規則的智能控制技術。美國加州大學查德教授最先提出了模糊集合論，英國科學家馬丹尼首次利用模糊控制技術成功地實現蒸汽機的控制，自80年代中期開始，模糊控制技術在日本得到蓬勃發展，從而使這種技術得到全世界的控制專家的重視，現在已經成了控制工程中的一種常規控制方法。模糊控制技術為什么能夠得到如此迅速的發展呢？隨著科學技術的進步，工程界對自動控制系統的輸出精度、響應快慢、系統的穩定性與魯棒性以及自適應與學習能力的要求越來越高，對于一些大慣性、強非線性的被控對象，如果采用傳統的控制方法，則很難收到理想的控制效果。然而，模糊控制技術容納了專家的控制經驗，具有不依賴被控制對象的數學模型，設計簡易，應用方便，抗干擾能力強，響應速度快，對設計人員的理論知識基礎要求不高、對現成環境的參數變化有很強的魯棒性，因而得到了廣大控制工程師的重視與歡迎。

相對地，系統控制技術建立在被控對象的精確數學模型的基礎之上，但是，真正的現場被控對象往往很難建立一個準確的數學模型。其原因在于，許多現場的被控對象的輸入輸出關系難以用物理機理法或者化學分析法導出，各種因素相互交叉影響交叉耦合，需要估計的參數眾多，求解這些參數往往缺乏足夠的信息，簡化的模型不能準確描述原有被控對象。傳統的控制方法很難處理這類大慣性、強非線性、時變得復雜系統。模糊控制技術恰好可能彌補傳統控制技術在這方面的不足。基于上述各種優勢，許多高校向本科生以選修形式開設了模糊控制技術這門課程。

二、模糊控制技術的教學問題

模糊控制技術這門課程受到學生的歡迎，學生的學習興趣濃厚，對于解決生活中的常見控制問題的欲望很強烈。但是，在教學過程中我們發現存在一些不容忽視的問題。

1.在培養方案中這門課程開設的時間不合理。例如：開設模糊控制技術的先決條件是學生已經完成微機原理與接口技術、單片機技術、自動控制原理等相關課程的學習。其中自動控制原理課程是否已經完成學習以及學習質量的好壞對模糊控制技術的影響最大。這是因為，只有學生完成了自動控制原理的學習，才可能了解傳統控制的基礎知識與常用方法。具備了傳統控制理論的基礎，在學習模糊控制技術時才有可能建立控制系統的框架，才有可能對照各種方法的優劣性。教學實踐顯示，一些學校在制定培養方案時，沒有考慮到這些因素，從而給教學活動制造了很大的壓力與困擾。

2.缺乏優質的模糊控制技術教材。模糊控制原理相關的各種教材多數是主要針對研究生編寫，而針對高年級本科生編寫的不多。由于本科生的知識基礎比研究生相對較弱，因此對教材的要求應該是知識結構簡單明了、語言通俗精煉、概念說明清晰、舉例簡潔且代表性強。我們閱讀了一些相關教材，內容安排太多太雜，幾乎羅列了與模糊控制技術的學術研究方向與研究熱點，一些教材還存在沒有得到國際學術界公認的概念與知識表達方式。還有一部分教材的章節之間重復的知識點多、語言表達較差，本來能夠采用簡單語言方式表達的概念卻偏要采用迂回復雜的表達方式，令一些初學者不知所云。

3.缺乏開展模糊控制技術的硬件實驗設備。要學習模糊控制技術的初始階段，我們可以通過MATLAB的模糊邏輯工具箱進行控制器的設計，并利用SIMULINK平臺進行控制系統的仿真，以加強學生對模糊控制理論的認識和培養初步的設計能力。在此基礎上，非常有必要開展一些實物系統設計，如設計一個模糊控制器以控制某個烤箱的溫度。為了能夠開展這方面的實驗，我們調研了一些相關實驗設備，不是因綜合性實驗系統價格貴導致購買困難，就是因設備的設計與調試不方便而放棄采購。例如：某教學儀器公司的過程控制系統，水位控制系統可以使用模糊控制器來調節水位，并且可以方便地對比模糊控制器與PID控制器的效果。但是，這類設備價格昂貴，許多地方高校因經費緊張，很難為了一門選修課采購這類昂貴的實驗教學儀器。目前，我們可行的方法是，通過學生自己使用單片機作為主要硬件、模糊控制算法作為軟件開發一個控制器，然后自己制作一個簡易的烤箱作為溫度控制對象。此方法確實是訓練學生實際開發能力的一個好途徑。然而，它僅局限于基礎較強的學生。這是因為，要實現這樣一個控制任務，學生必須具備良好的單片機系統設計能力、功率電子開關元器件應用能力、軟件開發能力等基礎。大多數本科學生不能夠完全滿足這樣的要求，特別是電子系統的硬件設計與調試能力不能達到應有的要求。

三、解決方案

首先，學校在制定培養計劃時，加強與任課教師的溝通。在課程的開課順序、開課課時量等方面，教師應積極參與培養計劃的制定，同時對一些課程教學內容與往屆的學生聯系，聆聽他們的反饋意見，盡量做到滿足學生的知識基礎、學習能力與學習習慣。同時，應與單片機原理和自動控制原理的任課教師多交流，把課程之間的前后關系、需要加強的內容做到相互了解，在相關的課程之間形成一個課程鏈，以促進各門課程的知識能夠做到相互應用相互鞏固。這樣既提高了教學效果，也提高了學生的學習興趣與實踐能力。

其次，根據本校學生的實際情況編寫教材。已有的教材很難滿足本科學生的教學要求，學校內部編寫教材就是一種可行有效的方式。最好的方式，是由任課教師聯合兄弟院校的相關教師聯合編寫。教材的內容應該著重闡述模糊集合的概念、模糊規則的構成方法以及馬丹尼型模糊控制器的推理方法。在此基礎上，提供大量的模糊控制器的設計實例，實例中應附有實現控制目標的實物圖形、控制系統結構框圖與電路原理圖。考慮到TS型模糊控制器主要存在于理論研究中，在編寫教材時只需要把它作為次要內容列出，以便學有余力的學生自習。對于本科生，在課堂上教師沒有必要講解TS型模糊控制器。

最后，對于實驗教學設備，則主要向學校申請相關經費，陳述該課程對學生就業的重要意義，爭取購買一些既便于模糊控制器設計又便于PID控制器設計的典型過程控制系統設備。

四、總結

模糊控制技術已經在許多領域內得到了應用，對于難于建立精確數學模型的控制對象具有較好的效果，學好這門課對于提高學生的動手能力和提升學生的就業競爭力具有重要意義。模糊控制技術的課程安排有一定的先決條件，必須首先完成微機原理、單片機原理、自動控制原理等課程的學習。對于本科生，模糊控制技術的課程教學缺乏優質的教材，編寫一本具有針對性的教材勢在必行。同時，模糊控制技術的實驗設備應該引起學校各方的重視，購置一些必要的實驗器材，為提高模糊控制技術的教學效果提供硬件保障。

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基金項目：湖南省普通高校光電課程組教學團隊項目，湖南省電子信息類專業人才校企合作培養基地項目，衡陽師范學院科學基金青年項目（12A23），光電信息技術湖南省應用基礎研究基地開放基金項目（GD15K05）。

作者簡介：龍祖強（1974— ），副教授，主要研究方向：模糊控制理論與智能系統的應用開發。