《模糊控制》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

《模糊控制》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐?含糊控制》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1674-9324〔2022〕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)控制理論的純正數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)就難以獲得了。因此，無法采用常規(guī)的控制理論進(jìn)行定量分析。此時，出現(xiàn)了某些仿人工智能的項目控制與信息處理系統(tǒng)，智能控制應(yīng)運(yùn)而生。其中，含糊控制是智能控制中適應(yīng)面寬廣且容易遍及的一個重要分支，它在一些非線性或難以建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的項目控制中，發(fā)揮著重要的作用。含糊控制把含糊匯合理論和含糊邏輯推理作為根底，通過含糊理論轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)，再利用計算機(jī)進(jìn)行處理。伴隨控制對象的復(fù)雜性、非線性、滯后性和耦合性逐步增加，人們獲得精確知識量的能力相對減少了，隨之運(yùn)用傳統(tǒng)精確控制的可能性也相伴減小。所以，“含糊概念〞更適合于人們的察看、思維、理解與決策。含糊控制是一種基于語言規(guī)那么與含糊推理的高級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。含糊控制技術(shù)是一項新興的技術(shù)，如何能在有限的教學(xué)學(xué)時內(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)生的項目實(shí)踐和科研創(chuàng)新能力，是一個亟需解決的問題，其關(guān)鍵是在教學(xué)過程中的教學(xué)辦法上要與時俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。筆者結(jié)合自身對?含糊控制》課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了課程特性及存在的關(guān)鍵問題，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)辦法、教學(xué)伎倆、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.?含糊控制》理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象。含糊控制技術(shù)首要特性是其理論性強(qiáng)，波及面廣，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，?含糊控制》主要以含糊數(shù)學(xué)為根底，課程的學(xué)習(xí)要求具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底。?含糊數(shù)學(xué)》是一門新的學(xué)科分支，其理論深奧、概念抽象。所以，想要學(xué)好?含糊控制》，必須在學(xué)習(xí)前掌握含糊數(shù)學(xué)的理論知識，特別是對含糊匯合論的隸屬函數(shù)概念、含糊關(guān)系及其運(yùn)算等的熟練掌握。此外，含糊控制是基于含糊匯合理論和含糊邏輯推理，用以模擬人類思維方式的一種計算機(jī)數(shù)字控制辦法，其核心是含糊規(guī)那么和含糊邏輯推理。因此，必須熟練掌握含糊規(guī)那么并進(jìn)行含糊邏輯推理，最終才能實(shí)現(xiàn)自動控制。

2.隸屬度與概率的概念完全不同。隸屬函數(shù)反映的是含糊性，而概率反映的是隨機(jī)性。“概率論〞針對的現(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沛，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，含糊匯合研究和處理的是含糊現(xiàn)象，事件的發(fā)生滿足含糊邏輯。含糊邏輯認(rèn)為事物在形態(tài)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(tài)之間的界限也是不清楚的、含糊不清的。因此，只能用附屬于某概念的程度即隸屬度來表示。

3.含糊控制與傳統(tǒng)控制緊密聯(lián)系、相輔相成。含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)控制伎倆也是相互依存的。所以在進(jìn)行課程學(xué)習(xí)時，不能只偏重其中一種，更不能無視經(jīng)典控制理論的學(xué)習(xí)，比方含糊PID控制器的應(yīng)用就比擬廣泛。另外，智能控制系統(tǒng)是由含糊控制與專家系統(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)時容易被本門課程外表的繁雜所迷惑，甚至感到無所適從，而且本門課程實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時應(yīng)將所學(xué)知識與實(shí)踐相結(jié)合。

三、教學(xué)中存在的關(guān)鍵問題解析

1.由于含糊控制與常規(guī)控制理論的數(shù)學(xué)根底不同，所以在講述含糊控制時，應(yīng)著重比照普通匯合與含糊匯合的異同、特征函數(shù)與隸屬度函數(shù)的異同、普通二元關(guān)系與含糊二元關(guān)系的區(qū)別等。

2.含糊控制是以人對被控對象的操作經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計控制器的，故無須知道被控對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型，這對于傳統(tǒng)控制無法實(shí)現(xiàn)自動化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行自動控制非常有利。但這并不代表運(yùn)用含糊控制就可以不論被控對象如何。在運(yùn)用含糊控制之前，必須采用含糊統(tǒng)計法、專家經(jīng)驗法或典型函數(shù)法等來確定隸屬函數(shù)；正確構(gòu)造隸屬函數(shù)是能否用好含糊匯合的關(guān)鍵，這一點(diǎn)在教學(xué)時必須引起高度重視。

3.要注意理論和實(shí)際應(yīng)用的均衡介紹。含糊控制中有許多的新概念、新原理，在講授實(shí)際應(yīng)用前必須有針對性地介紹相關(guān)概念、原理。也只有打好理論根底，才能深入學(xué)習(xí)和研究控制的辦法和伎倆，否那么無法進(jìn)行設(shè)計和實(shí)驗應(yīng)用。但也不能只偏重于純正的理論教學(xué)，那樣會影響學(xué)生的積極主動性，讓學(xué)生惡感理論學(xué)習(xí)。

4.要注意含糊控制與傳統(tǒng)控制的相輔相成。實(shí)踐說明，與傳統(tǒng)PID控制相比，含糊控制器具有更好的動態(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，限制了控制精度的提高。常規(guī)的二維含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，而短少積分作用。為了更好地打消靜態(tài)誤差，在教學(xué)過程中，要注重含糊控制與傳統(tǒng)控制相結(jié)合，示例采用含糊PI控制器可大大改善上述問題。

四、教學(xué)改革措施初探

1.《《化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的積極主動性。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?含糊控制》課程教學(xué)中存在的關(guān)鍵問題，對教學(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)度及其知識的重難點(diǎn)，隨時關(guān)注學(xué)生對根本理論的掌握情況，對課程內(nèi)容及時進(jìn)行更新、充實(shí)和調(diào)整。此外，含糊控制是一項新興的技術(shù)，在教學(xué)過程中，應(yīng)適當(dāng)引入含糊控制領(lǐng)域的最新開展方向和進(jìn)展，通過大量生動的實(shí)例，講述含糊控制的多種應(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。講授時要隨時關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)信息，對于重難點(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《M教學(xué)辦法和教學(xué)伎倆，優(yōu)化教學(xué)效果。深入改革教學(xué)辦法，從過去“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、專題講座課等多形態(tài)的教學(xué)方式。課后要求查閱含糊控制應(yīng)用領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，隨時記錄自己學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)，加深對含糊控制器實(shí)際應(yīng)用的理解，這樣有利于幫忙學(xué)生克服“填鴨式〞教學(xué)的依賴性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的自信。此外，充沛利用現(xiàn)代化多媒體教學(xué)伎倆，發(fā)揮計算機(jī)教學(xué)的輔助優(yōu)勢，把多媒體教學(xué)引入課堂，優(yōu)化含糊控制技術(shù)及Matlab實(shí)踐的教學(xué)課件。利用Matlab仿真軟件，建立?含糊控制》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。長期以來，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、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)中仍然存在重知識傳授而輕動手能力的現(xiàn)象，因此，實(shí)踐教學(xué)改革勢在必行。在?含糊控制》課程學(xué)習(xí)中，必須加強(qiáng)根本技能的訓(xùn)練，讓學(xué)生熟練掌握Matlab/Simulink在含糊控制中的仿真與應(yīng)用，著重強(qiáng)調(diào)含糊控制工具箱的應(yīng)用。此外，增設(shè)一些綜合性及設(shè)計性的實(shí)驗，在掌握含糊控制器設(shè)計辦法后，進(jìn)一步完善基于Matlab平臺的實(shí)際控制系統(tǒng)的含糊控制實(shí)驗，逐步提升學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。

五、結(jié)語

隨著自動化技術(shù)的迅猛開展，社會對高素質(zhì)人才的需求日益迫切。因此，知識的更新、教學(xué)伎