《模糊控制》課程教學改革研究與實踐

侯一凡+劉鼎+秦萌

摘要：《模糊控制》是自動化專業的一門重要專業課。為了適應新形勢下人才培養的需要，本文針對《模糊控制》課程特性和教學中存在的若干關鍵問題，從教學內容、方法及實踐教學環節等方面對該課程的教學改革進行了探索。實踐表明，這些改革措施能提高學生的學習主動性，提升創新能力，優化教學質量。

關鍵詞：《模糊控制》；教學改革；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0177-02

一、引言

控制理論經歷了經典控制和現代控制兩大重大階段后，已經相當完善。然而，當遇到系統規模龐大化、結構復雜化及參數隨機性等情況，傳統控制理論的純粹數學解析結構就難以獲得了。因此，無法采用常規的控制理論進行定量分析。此時，出現了某些仿人工智能的工程控制與信息處理系統，智能控制應運而生。其中，模糊控制是智能控制中適應面寬廣且容易普及的一個重要分支，它在一些非線性或難以建立系統數學模型的工程控制中，發揮著重要的作用。模糊控制把模糊集合理論和模糊邏輯推理作為基礎，通過模糊理論轉換成數學函數，再利用計算機進行處理。伴隨控制對象的復雜性、非線性、滯后性和耦合性逐步增加，人們獲得精確知識量的能力相對減少了，隨之運用傳統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言規則與模糊推理的高級控制策略和新穎技術，它被廣泛應用于各種復雜的控制系統中，并發揮其獨特的優勢。模糊控制技術是一項新興的技術，如何能在有限的教學學時內獲得最好的教學效果，如何使學生熟練地掌握課程所學內容，并培養學生的工程實踐和科研創新能力，是一個亟需解決的問題，其關鍵是在教學過程中的教學方法上要與時俱進，不斷創新。筆者結合自身對《模糊控制》課程的教學實踐，分析了課程特性及存在的關鍵問題，并從教學內容、教學方法、教學手段、實踐教學研究等幾方面闡述了教學改革的措施。

二、課程特性分析

1.《模糊控制》理論性強，內容抽象。模糊控制技術首要特性是其理論性強，涉及面廣，尤其是運用數學的力度較大，抽象性強，邏輯運算復雜。首先，《模糊控制》主要以模糊數學為基礎，課程的學習要求具備扎實的數學功底。《模糊數學》是一門新的學科分支，其理論深奧、概念抽象。所以，想要學好《模糊控制》，必須在學習前掌握模糊數學的理論知識，特別是對模糊集合論的隸屬函數概念、模糊關系及其運算等的熟練掌握。此外，模糊控制是基于模糊集合理論和模糊邏輯推理，用以模擬人類思維方式的一種計算機數字控制方法，其核心是模糊規則和模糊邏輯推理。因此，必須熟練掌握模糊規則并進行模糊邏輯推理，最終才能實現自動控制。

2.隸屬度與概率的概念完全不同。隸屬函數反映的是模糊性，而概率反映的是隨機性。“概率論”針對的現象均是隨機現象，事件發生與否完全取決于條件是否充分，事件的發生結果只能有“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象，事件的發生滿足模糊邏輯。模糊邏輯認為事物在形態和類屬上具有亦此亦彼、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表示。

3.模糊控制與傳統控制緊密聯系、相輔相成。模糊控制雖然有它自己的特殊應用領域，但它與其他的傳統控制手段也是相互依存的。所以在進行課程學習時，不能只偏重其中一種，更不能忽視經典控制理論的學習，比如模糊PID控制器的應用就比較廣泛。另外，智能控制系統是由模糊控制與專家系統、神經網絡控制共同構成的，它們之間相互促進、滲透，但學生學習時容易被本門課程表面的繁雜所迷惑，甚至感到無所適從，而且本門課程實踐性很強，學生在課程學習時應將所學知識與實踐相結合。

三、教學中存在的關鍵問題解析

1.由于模糊控制與常規控制理論的數學基礎不同，所以在講述模糊控制時，應著重對比普通集合與模糊集合的異同、特征函數與隸屬度函數的異同、普通二元關系與模糊二元關系的區別等。

2.模糊控制是以人對被控對象的操作經驗為依據而設計控制器的，故無須知道被控對象的內部結構及其數學模型，這對于傳統控制無法實現自動化的復雜系統進行自動控制非常有利。但這并不代表運用模糊控制就可以不管被控對象如何。在運用模糊控制之前，必須采用模糊統計法、專家經驗法或典型函數法等來確定隸屬函數；正確構造隸屬函數是能否用好模糊集合的關鍵，這一點在教學時必須引起高度重視。

3.要注意理論和實際應用的均衡介紹。模糊控制中有許多的新概念、新原理，在講授實際應用前必須有針對性地介紹相關概念、原理。也只有打好理論基礎，才能深入學習和研究控制的方法和手段，否則無法進行設計和實驗應用。但也不能只偏重于純粹的理論教學，那樣會影響學生的積極主動性，讓學生反感理論學習。

4.要注意模糊控制與傳統控制的相輔相成。實踐表明，與傳統PID控制相比，模糊控制器具有更好的動態品質，且能夠克服非線性因素的影響。但由于其有限的控制等級，限制了控制精度的提高。常規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誤差，在教學過程中，要注重模糊控制與傳統控制相結合，例如采用模糊PI控制器可大大改善上述問題。

四、教學改革措施初探

1.優化教學內容，培養學生的積極主動性。教學改革的重要一環就是教學內容的優化。因此，針對《模糊控制》課程教學中存在的關鍵問題，對教學內容的優化是重中之重。首先，必須考慮理論教學的進度及其知識的重難點，隨時關注學生對基本理論的掌握情況，對課程內容及時進行更新、充實和調整。此外，模糊控制是一項新興的技術，在教學過程中，應適當引入模糊控制領域的最新發展方向和進展，通過大量生動的實例，講述模糊控制的多種應用，增強學生的興趣，加強理論與實際的緊密結合。講授時要隨時關注學生的反饋信息，對于重難點內容要重復強調，吸引學生的注意力，提高課堂的教學效率。

2.改進教學方法和教學手段，優化教學效果。深入改革教學方法，從過去“填鴨式”的教學方式逐步轉化成以“啟發式”為主的教學方式，并融入討論課、專題講座課等多形態的教學方式。課后要求查閱模糊控制應用領域的文獻資料，隨時記錄自己學習的知識點，加深對模糊控制器實際應用的理解，這樣有利于幫助學生克服“填鴨式”教學的依賴性，增加學生學習的自信。此外，充分利用現代化多媒體教學手段，發揮計算機教學的輔助優勢，把多媒體教學引入課堂，優化模糊控制技術及Matlab實踐的教學課件。利用Matlab仿真軟件，建立《模糊控制》網絡課程教學體系，優化教學效果。

3.加強實踐環節，提升創新實踐能力。長期以來，實踐教學是培養學生動手能力、拓寬學生思路、提高學生創新能力的重要途徑。但實踐教學中仍然存在重知識傳授而輕動手能力的現象，因此，實踐教學改革勢在必行。在《模糊控制》課程學習中，必須加強基本技能的訓練，讓學生熟練掌握Matlab/Simulink在模糊控制中的仿真與應用，著重強調模糊控制工具箱的應用。此外，增設一些綜合性及設計性的實驗，在掌握模糊控制器設計方法后，進一步完善基于Matlab平臺的實際控制系統的模糊控制實驗，逐步提升學生的操作能力、創新能力和解決實際問題的能力。

五、結語

隨著自動化技術的迅猛發展，社會對高素質人才的需求日益迫切。因此，知識的更新、教學手段的更新也必須與時俱進。為了適應新時期下人才培養的需求，將《模糊控制》課程的教學改革推向新的臺階，本文積極探索《模糊控制》課程的教學內容、教學方法和教學手段的改革。筆者認為只要堅持理論與實踐相結合的原則，堅持以提高學生的創新能力為基準，就一定能促進教學質量的提高，將《模糊控制》課程的教學改革推向縱深。

參考文獻

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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