《模糊控制》课程教学改革研究与实践

侯一凡+刘鼎+秦萌

摘要：《模糊控制》是自动化专业的一门重要专业课。为了适应新形势下人才培养的需要，本文针对《模糊控制》课程特性和教学中存在的若干关键问题，从教学内容、方法及实践教学环节等方面对该课程的教学改革进行了探索。实践表明，这些改革措施能提高学生的学习主动性，提升创新能力，优化教学质量。

关键词：《模糊控制》；教学改革；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）25-0177-02

一、引言

控制理论经历了经典控制和现代控制两大重大阶段后，已经相当完善。然而，当遇到系统规模庞大化、结构复杂化及参数随机性等情况，传统控制理论的纯粹数学解析结构就难以获得了。因此，无法采用常规的控制理论进行定量分析。此时，出现了某些仿人工智能的工程控制与信息处理系统，智能控制应运而生。其中，模糊控制是智能控制中适应面宽广且容易普及的一个重要分支，它在一些非线性或难以建立系统数学模型的工程控制中，发挥着重要的作用。模糊控制把模糊集合理论和模糊逻辑推理作为基础，通过模糊理论转换成数学函数，再利用计算机进行处理。伴随控制对象的复杂性、非线性、滞后性和耦合性逐步增加，人们获得精确知识量的能力相对减少了，随之运用传统精确控制的可能性也相伴减小。所以，“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解与决策。模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术，它被广泛应用于各种复杂的控制系统中，并发挥其独特的优势。模糊控制技术是一项新兴的技术，如何能在有限的教学学时内获得最好的教学效果，如何使学生熟练地掌握课程所学内容，并培养学生的工程实践和科研创新能力，是一个亟需解决的问题，其关键是在教学过程中的教学方法上要与时俱进，不断创新。笔者结合自身对《模糊控制》课程的教学实践，分析了课程特性及存在的关键问题，并从教学内容、教学方法、教学手段、实践教学研究等几方面阐述了教学改革的措施。

二、课程特性分析

1.《模糊控制》理论性强，内容抽象。模糊控制技术首要特性是其理论性强，涉及面广，尤其是运用数学的力度较大，抽象性强，逻辑运算复杂。首先，《模糊控制》主要以模糊数学为基础，课程的学习要求具备扎实的数学功底。《模糊数学》是一门新的学科分支，其理论深奥、概念抽象。所以，想要学好《模糊控制》，必须在学习前掌握模糊数学的理论知识，特别是对模糊集合论的隶属函数概念、模糊关系及其运算等的熟练掌握。此外，模糊控制是基于模糊集合理论和模糊逻辑推理，用以模拟人类思维方式的一种计算机数字控制方法，其核心是模糊规则和模糊逻辑推理。因此，必须熟练掌握模糊规则并进行模糊逻辑推理，最终才能实现自动控制。

2.隶属度与概率的概念完全不同。隶属函数反映的是模糊性，而概率反映的是随机性。“概率论”针对的现象均是随机现象，事件发生与否完全取决于条件是否充分，事件的发生结果只能有“是”或“否”两种可能性，属于一种精确逻辑。然而，模糊集合研究和处理的是模糊现象，事件的发生满足模糊逻辑。模糊逻辑认为事物在形态和类属上具有亦此亦彼、模棱两可性，相邻中介之间是相互交叉和彼此渗透的，其中介状态之间的界限也是不分明的、模糊不清的。因此，只能用从属于某概念的程度即隶属度来表示。

3.模糊控制与传统控制紧密联系、相辅相成。模糊控制虽然有它自己的特殊应用领域，但它与其他的传统控制手段也是相互依存的。所以在进行课程学习时，不能只偏重其中一种，更不能忽视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，智能控制系统是由模糊控制与专家系统、神经网络控制共同构成的，它们之间相互促进、渗透，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。

三、教学中存在的关键问题解析

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，应着重对比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。

2.模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制器的，故无须知道被控对象的内部结构及其数学模型，这对于传统控制无法实现自动化的复杂系统进行自动控制非常有利。但这并不代表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高度重视。

3.要注意理论和实际应用的均衡介绍。模糊控制中有许多的新概念、新原理，在讲授实际应用前必须有针对性地介绍相关概念、原理。也只有打好理论基础，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实验应用。但也不能只偏重于纯粹的理论教学，那样会影响学生的积极主动性，让学生反感理论学习。

4.要注意模糊控制与传统控制的相辅相成。实践表明，与传统PID控制相比，模糊控制器具有更好的动态品质，且能够克服非线性因素的影响。但由于其有限的控制等级，限制了控制精度的提高。常规的二维模糊控制器通常以误差和误差变化为输入变量，仅具有比例和微分作用，而缺少积分作用。为了更好地消除静态误差，在教学过程中，要注重模糊控制与传统控制相结合，例如采用模糊PI控制器可大大改善上述问题。

四、教学改革措施初探

1.優化教学内容，培养学生的积极主动性。教学改革的重要一环就是教学内容的优化。因此，针对《模糊控制》课程教学中存在的关键问题，对教学内容的优化是重中之重。首先，必须考虑理论教学的进度及其知识的重难点，随时关注学生对基本理论的掌握情况，对课程内容及时进行更新、充实和调整。此外，模糊控制是一项新兴的技术，在教学过程中，应适当引入模糊控制领域的最新发展方向和进展，通过大量生动的实例，讲述模糊控制的多种应用，增强学生的兴趣，加强理论与实际的紧密结合。讲授时要随时关注学生的反馈信息，对于重难点内容要重复强调，吸引学生的注意力，提高课堂的教学效率。

2.改進教学方法和教学手段，优化教学效果。深入改革教学方法，从过去“填鸭式”的教学方式逐步转化成以“启发式”为主的教学方式，并融入讨论课、专题讲座课等多形态的教学方式。课后要求查阅模糊控制应用领域的文献资料，随时记录自己学习的知识点，加深对模糊控制器实际应用的理解，这样有利于帮助学生克服“填鸭式”教学的依赖性，增加学生学习的自信。此外，充分利用现代化多媒体教学手段，发挥计算机教学的辅助优势，把多媒体教学引入课堂，优化模糊控制技术及Matlab实践的教学课件。利用Matlab仿真软件，建立《模糊控制》网络课程教学体系，优化教学效果。

3.加强实践环节，提升创新实践能力。长期以来，实践教学是培养学生动手能力、拓宽学生思路、提高学生创新能力的重要途径。但实践教学中仍然存在重知识传授而轻动手能力的现象，因此，实践教学改革势在必行。在《模糊控制》课程学习中，必须加强基本技能的训练，让学生熟练掌握Matlab/Simulink在模糊控制中的仿真与应用，着重强调模糊控制工具箱的应用。此外，增设一些综合性及设计性的实验，在掌握模糊控制器设计方法后，进一步完善基于Matlab平台的实际控制系统的模糊控制实验，逐步提升学生的操作能力、创新能力和解决实际问题的能力。

五、结语

随着自动化技术的迅猛发展，社会对高素质人才的需求日益迫切。因此，知识的更新、教学手段的更新也必须与时俱进。为了适应新时期下人才培养的需求，将《模糊控制》课程的教学改革推向新的台阶，本文积极探索《模糊控制》课程的教学内容、教学方法和教学手段的改革。笔者认为只要坚持理论与实践相结合的原则，坚持以提高学生的创新能力为基准，就一定能促进教学质量的提高，将《模糊控制》课程的教学改革推向纵深。

参考文献

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[2]余伶俐，蔡自兴，肖晓明.智能控制精品课程教学改革研究[J].计算机教育，2010，（19）：35-39.

[3]张允，张运波，侯丽华，等.应用型本科“智能控制技术”课程教学改革的研究与实践[J].电力教育，2012，（36）：52，58.

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