电机模糊控制课程学生实践能力培养方法探索

史敬灼河南科技大学 河南洛阳 471023



电机模糊控制课程学生实践能力培养方法探索

史敬灼
河南科技大学 河南洛阳 471023

摘 要：以电机智能控制课程中模糊控制部分的教学为例，通过将以理论知识为主的授课内容，改变为以讲授实际应用例子为主，加强对学生实践创新能力的培养。该方法的实际应用表明，教学效果良好。

关键词：创新能力；实践能力；教学方法

如何在课程教学过程中加强学生创新实践能力培养，是关系到创新型国家建设的重要课题。课程教学包括课堂教学与实验教学两部分。实验教学是直接针对学生动手能力培养而设置的教学环节，在培养学生创新实践能力的过程中起到重要作用。而课堂教学在培养学生创新实践能力方面的重要作用往往被低估。事实上，课堂教学的教学内容组织与讲授过程设计，会显著影响学生实践创新能力培养的效果。

本文以电机智能控制课程中“模糊控制”部分的课堂教学为例，从教学内容组织、讲授过程等方面，阐述了改革课堂教学方法，通过课堂讲授内容与方式的转变，助力学生实践创新能力培养的具体做法。

1 课程教学内容组织

电机智能控制是电力电子与电力传动学科研究生的专业课程，主要讲授智能控制在电机控制领域的应用，内容涵盖专家系统、模糊逻辑、人工神经网络，理论授课40学时。模糊逻辑是电机智能控制课程讲授的主要内容之一。经过几十年的发展，模糊逻辑及其应用形成的模糊推理、模糊控制，知识量大，涵盖范围广，需要根据课程教学目的筛选讲授内容。

1.1 选择基础知识讲授内容

考虑模糊逻辑的应用现状，选定电机智能控制课程中模糊逻辑部分的基础知识讲授内容(见表1)。

表1 模糊逻辑部分的基础知识讲授内容

1.2 选定实际应用例子

模糊逻辑部分讲授的应用例子如表2所示。表中前3个例子，原是一篇文献中给出的一个实际系统，其中3处用到模糊逻辑分别完成不同的功能。为了分散问题、突出重点，便于学生逐步接受、渐进理解，将这一个系统拆分、改编成了3个例子。3个例子各自完成一个模糊调节器的设计，解决一个问题，先后衔接，依次递进，最终形成一个完整的风力发电系统。同时，每个例子又自成系统，设计结果可以单独应用于实际。其中，第一个例子对应于模糊控制的最基本也是最广泛的应用形式，该例不仅给出了详细的设计步骤和细节分析，而且其设计结果可直接移用于其他系统中，从而为学生提供了一个开始动手做电机模糊控制的起点。相对于第一个例子而言，后3个例子中模糊逻辑的应用方式则较为少见，但表明了几个有前途的潜在方向，为学生自己课题的研究工作提供了良好参考。

表2 模糊逻辑部分讲授的实际应用例子

2 课程讲授过程

2.1 基础知识讲授过程

模糊逻辑部分讲授模糊推理系统时，在介绍模糊推理系统的概念、给出5个步骤之后，马上举例“餐馆小费模糊推理系统”，用这个例子为载体讲授模糊推理系统设计和推理的过程。在讲授中，以在场某学生工作挣钱了出国旅游为背景，讲明设计这个推理系统的意义，主要指出中西方文化差异、不差钱、不花冤枉钱。然后，严格按照规范的设计流程，逐步设计该推理系统：确定输入/输出模糊变量，为输入/输出模糊变量设定语言值，为输入/输出模糊变量设定论域，为输入/输出模糊变量的各个语言值设定隶属函数，设计模糊规则。到此为止，给出模糊推理系统推理过程的图形表述。上述已完成的设计，对应于模糊推理系统5个推理步骤中的第一、二步，后三步(从前提到结论的推理、所有规则作用结果的合成、解模糊)留待随后讲授。上述设计中，设计模糊规则是讲授的重点难点。为突出重点，简化表象叙述，本例仅用了3条模糊规则。讲授中，强调模糊规则的设计不需要模型，根据经验可完成设计。强调设计者的经验、设计习惯等不同，设计结果也会不同。再提问评判设计好坏的依据是什么，借以指出应用效果是评判设计好坏的核心因素。进一步追问，如何评判这个推理系统的应用效果，给出餐馆出口调查等可行方法，并指明这些方法事实上是在对所考虑问题进行建模，是建模方式的一类。模糊推理系统的设计不依赖于对象模型，但其测评通常用到模型。同时，在设计过程中，对对象了解得越深入细致，即指导设计“经验”越丰富、准确、全面，设计就越有效；而作为对象行为的数学表述，对象模型往往是获取“经验”的一种有效途径和载体。进一步引出，根据对推理系统应用效果的评判结果，修正设计。讲授过程中，不断提问不断互动，适当停顿，引导学生思路，使学生在用中学、在学中用。

对应于表1所示基础知识，讲授过程中举例内容列出如表3。

表3 模糊逻辑部分的基础知识讲授过程举例内容

2.2 实际应用例子讲授过程

模糊逻辑部分的第一个例子是介绍基本的标准模糊逻辑闭环控制器设计流程和设计理念，为学生的实际应用打基础。模糊规则是模糊控制器的核心，也是设计中的最大难点。因而，实际讲授中也应以模糊规则表的由来为重点。为便于学生理解，首先基于二阶系统阶跃响应曲线，给出制定闭环控制器模糊规则的3条原则，逐条解释并要求学生据此设计出几条模糊规则，具体形式最好是提问、讨论。切实理解这3条原则之后，给出完整的模糊规则表，任意选择表中几条规则提问，要求学生解释为什么规则的结论部分是这样的，来加深学生的理解。然后，指出模糊规则表中的规律，便于学生记忆、应用。

此例除规则表外，变量所取的语言值个数、同一变量语言值隶属函数在论域上的分布特点，同样需要提请注意并认真解释为什么，事先解决学生应用中可能遇到的问题。在例子讲授的最后，给出真实系统的实验结果(不同情况下的转速控制响应曲线)，说明前述设计的有效性。这里要特别强调如何自行设计实验表明设计的有效性，逐步培养学生自主实践创新活动应有的科学严谨。

在这个例子基础上，模糊逻辑部分的第二个例子在该系统中增加了一个模糊效率优化控制器，构成了带效率优化的异步电动机转速闭环控制系统。该例讲授的核心是如何采用模糊推理方式实现在线优化。首先，鉴于多数学生之前没有学习过最优化理论，需要先简单讲述该例用到的最优化基本知识，包括最优化的概念、寻找极值的基本思路、梯度下降法。然后，结合异步电机知识，讲明调节磁链实现效率优化的可行性。因为这一点不是此例的重点内容，讲述时要尽量简化。实践表明，直接采用系统各种损耗的实验结果曲线来讲授，而不是一堆公式，更易在较短时间内被学生理解。

随后，讲授基于梯度下降法的模糊优化。第一个难点是确定输入变量。通过与梯度下降法类比，确定输入变量为直流侧功率变化量、前次励磁电流增量，输出变量为励磁电流增量。第二个难点是设计模糊规则要遵循的原则。这里设计的模糊推理系统用于优化而不是闭环控制器，需要遵循不同于第一个例子的原则。讲授方法与第一个例子相同。完成模糊优化调节器的设计之后，要讲述效率优化与系统原有转速闭环模糊控制器如何协调工作，并讲解实验响应曲线说明有效性。第三个例子是在前两例基础上，再增加一个模糊优化调节器，构建完整的风力发电系统。因第二例已讲授模糊优化知识，此例讲授时，专注于两个细节，一是如何在调节器中增加扰动量来避免局部极小，二是设计量化因子的模糊自适应调节器，以改善模糊优化的性能。

3 结束语

学生实践动手能力的培养，学生创新意识、创新能力的培养，是涉及教育过程方方面面的系统工程，同时也需要与时俱进、不断革新。本文所述只是笔者在课堂教学方面做的一点尝试，尚有很多不成熟、不完善之处，仍需不断努力、不断提高。

参考文献

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Exploration in Training Method of Students' Practice Ability in The Course of Motor's Fuzzy Control

Shi Jingzhuo
Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471023, China

Abstract:In this paper, the course of motor’s fuzzy control is used as an example to discuss the training method. The main content of the lecture is changed from the theory into the actual application of the knowledge. The application of the training method indicates its validity.

Key words:innovation ability; practice ability; teaching method

收稿日期：2015-09-27

作者简介：史敬灼，博士，教授，院长。

基金项目：河南省高等教育教学改革项目(编号：2014SJGLX200)；河南科技大学重大教育教学改革项目(编号：2014ZD-012)；河南科技大学研究生教学改革项目(编号：2014YJG-006)。