電機模糊控制課程學生實踐能力培養方法探索

史敬灼河南科技大學 河南洛陽 471023

?

電機模糊控制課程學生實踐能力培養方法探索

史敬灼
河南科技大學 河南洛陽 471023

摘 要：以電機智能控制課程中模糊控制部分的教學為例，通過將以理論知識為主的授課內容，改變為以講授實際應用例子為主，加強對學生實踐創新能力的培養。該方法的實際應用表明，教學效果良好。

關鍵詞：創新能力；實踐能力；教學方法

如何在課程教學過程中加強學生創新實踐能力培養，是關系到創新型國家建設的重要課題。課程教學包括課堂教學與實驗教學兩部分。實驗教學是直接針對學生動手能力培養而設置的教學環節，在培養學生創新實踐能力的過程中起到重要作用。而課堂教學在培養學生創新實踐能力方面的重要作用往往被低估。事實上，課堂教學的教學內容組織與講授過程設計，會顯著影響學生實踐創新能力培養的效果。

本文以電機智能控制課程中“模糊控制”部分的課堂教學為例，從教學內容組織、講授過程等方面，闡述了改革課堂教學方法，通過課堂講授內容與方式的轉變，助力學生實踐創新能力培養的具體做法。

1 課程教學內容組織

電機智能控制是電力電子與電力傳動學科研究生的專業課程，主要講授智能控制在電機控制領域的應用，內容涵蓋專家系統、模糊邏輯、人工神經網絡，理論授課40學時。模糊邏輯是電機智能控制課程講授的主要內容之一。經過幾十年的發展，模糊邏輯及其應用形成的模糊推理、模糊控制，知識量大，涵蓋范圍廣，需要根據課程教學目的篩選講授內容。

1.1 選擇基礎知識講授內容

考慮模糊邏輯的應用現狀，選定電機智能控制課程中模糊邏輯部分的基礎知識講授內容(見表1)。

表1 模糊邏輯部分的基礎知識講授內容

1.2 選定實際應用例子

模糊邏輯部分講授的應用例子如表2所示。表中前3個例子，原是一篇文獻中給出的一個實際系統，其中3處用到模糊邏輯分別完成不同的功能。為了分散問題、突出重點，便于學生逐步接受、漸進理解，將這一個系統拆分、改編成了3個例子。3個例子各自完成一個模糊調節器的設計，解決一個問題，先后銜接，依次遞進，最終形成一個完整的風力發電系統。同時，每個例子又自成系統，設計結果可以單獨應用于實際。其中，第一個例子對應于模糊控制的最基本也是最廣泛的應用形式，該例不僅給出了詳細的設計步驟和細節分析，而且其設計結果可直接移用于其他系統中，從而為學生提供了一個開始動手做電機模糊控制的起點。相對于第一個例子而言，后3個例子中模糊邏輯的應用方式則較為少見，但表明了幾個有前途的潛在方向，為學生自己課題的研究工作提供了良好參考。

表2 模糊邏輯部分講授的實際應用例子

2 課程講授過程

2.1 基礎知識講授過程

模糊邏輯部分講授模糊推理系統時，在介紹模糊推理系統的概念、給出5個步驟之后，馬上舉例“餐館小費模糊推理系統”，用這個例子為載體講授模糊推理系統設計和推理的過程。在講授中，以在場某學生工作掙錢了出國旅游為背景，講明設計這個推理系統的意義，主要指出中西方文化差異、不差錢、不花冤枉錢。然后，嚴格按照規范的設計流程，逐步設計該推理系統：確定輸入/輸出模糊變量，為輸入/輸出模糊變量設定語言值，為輸入/輸出模糊變量設定論域，為輸入/輸出模糊變量的各個語言值設定隸屬函數，設計模糊規則。到此為止，給出模糊推理系統推理過程的圖形表述。上述已完成的設計，對應于模糊推理系統5個推理步驟中的第一、二步，后三步(從前提到結論的推理、所有規則作用結果的合成、解模糊)留待隨后講授。上述設計中，設計模糊規則是講授的重點難點。為突出重點，簡化表象敘述，本例僅用了3條模糊規則。講授中，強調模糊規則的設計不需要模型，根據經驗可完成設計。強調設計者的經驗、設計習慣等不同，設計結果也會不同。再提問評判設計好壞的依據是什么，借以指出應用效果是評判設計好壞的核心因素。進一步追問，如何評判這個推理系統的應用效果，給出餐館出口調查等可行方法，并指明這些方法事實上是在對所考慮問題進行建模，是建模方式的一類。模糊推理系統的設計不依賴于對象模型，但其測評通常用到模型。同時，在設計過程中，對對象了解得越深入細致，即指導設計“經驗”越豐富、準確、全面，設計就越有效；而作為對象行為的數學表述，對象模型往往是獲取“經驗”的一種有效途徑和載體。進一步引出，根據對推理系統應用效果的評判結果，修正設計。講授過程中，不斷提問不斷互動，適當停頓，引導學生思路，使學生在用中學、在學中用。

對應于表1所示基礎知識，講授過程中舉例內容列出如表3。

表3 模糊邏輯部分的基礎知識講授過程舉例內容

2.2 實際應用例子講授過程

模糊邏輯部分的第一個例子是介紹基本的標準模糊邏輯閉環控制器設計流程和設計理念，為學生的實際應用打基礎。模糊規則是模糊控制器的核心，也是設計中的最大難點。因而，實際講授中也應以模糊規則表的由來為重點。為便于學生理解，首先基于二階系統階躍響應曲線，給出制定閉環控制器模糊規則的3條原則，逐條解釋并要求學生據此設計出幾條模糊規則，具體形式最好是提問、討論。切實理解這3條原則之后，給出完整的模糊規則表，任意選擇表中幾條規則提問，要求學生解釋為什么規則的結論部分是這樣的，來加深學生的理解。然后，指出模糊規則表中的規律，便于學生記憶、應用。

此例除規則表外，變量所取的語言值個數、同一變量語言值隸屬函數在論域上的分布特點，同樣需要提請注意并認真解釋為什么，事先解決學生應用中可能遇到的問題。在例子講授的最后，給出真實系統的實驗結果(不同情況下的轉速控制響應曲線)，說明前述設計的有效性。這里要特別強調如何自行設計實驗表明設計的有效性，逐步培養學生自主實踐創新活動應有的科學嚴謹。

在這個例子基礎上，模糊邏輯部分的第二個例子在該系統中增加了一個模糊效率優化控制器，構成了帶效率優化的異步電動機轉速閉環控制系統。該例講授的核心是如何采用模糊推理方式實現在線優化。首先，鑒于多數學生之前沒有學習過最優化理論，需要先簡單講述該例用到的最優化基本知識，包括最優化的概念、尋找極值的基本思路、梯度下降法。然后，結合異步電機知識，講明調節磁鏈實現效率優化的可行性。因為這一點不是此例的重點內容，講述時要盡量簡化。實踐表明，直接采用系統各種損耗的實驗結果曲線來講授，而不是一堆公式，更易在較短時間內被學生理解。

隨后，講授基于梯度下降法的模糊優化。第一個難點是確定輸入變量。通過與梯度下降法類比，確定輸入變量為直流側功率變化量、前次勵磁電流增量，輸出變量為勵磁電流增量。第二個難點是設計模糊規則要遵循的原則。這里設計的模糊推理系統用于優化而不是閉環控制器，需要遵循不同于第一個例子的原則。講授方法與第一個例子相同。完成模糊優化調節器的設計之后，要講述效率優化與系統原有轉速閉環模糊控制器如何協調工作，并講解實驗響應曲線說明有效性。第三個例子是在前兩例基礎上，再增加一個模糊優化調節器，構建完整的風力發電系統。因第二例已講授模糊優化知識，此例講授時，專注于兩個細節，一是如何在調節器中增加擾動量來避免局部極小，二是設計量化因子的模糊自適應調節器，以改善模糊優化的性能。

3 結束語

學生實踐動手能力的培養，學生創新意識、創新能力的培養，是涉及教育過程方方面面的系統工程，同時也需要與時俱進、不斷革新。本文所述只是筆者在課堂教學方面做的一點嘗試，尚有很多不成熟、不完善之處，仍需不斷努力、不斷提高。

參考文獻

[1] 王玉昆,張勇,徐少川,謝磊.過程控制及儀表課程案例教學方法的實踐與反思[J].中國現代教育裝備,2015(15):94-96.

[2] 馮紀南,劉晶,楊德俊,趙麗萍,鄧斌.項目驅動式實踐教學模式的探索[J].中國現代教育裝備,2015(15):88-90.

[3] 高妍,靳寶全,張紅娟.提高大學生創新創業能力的培養模式研究[J].中國現代教育裝備,2015(15):37-39.

[4] 桑紅石.以討論和應用為主的微機原理教學探索[J].中國現代教育裝備,2015(15):67-69

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

作者簡介：史敬灼，博士，教授，院長。

基金項目：河南省高等教育教學改革項目(編號：2014SJGLX200)；河南科技大學重大教育教學改革項目(編號：2014ZD-012)；河南科技大學研究生教學改革項目(編號：2014YJG-006)。