模糊邏輯控制開放式實驗教學設計探討

王 剛 劉 鋒 魏宏靜 黃 彪 張文康

（貴州理工學院機械工程學院 貴州·貴陽 550003）

0 引言

隨著“新工科”及“智能制造”戰略的提出，智能技術在機械工程領域的應用將越來越廣泛，學習并掌握一門智能控制技術也是當前機械工程專業本科生急需完成的教育之一。[1]

近年來，模糊邏輯控制作為典型的智能控制技術，在家用電器、工業控制、汽車系統和其它領域取得了廣泛的應用。[2]作為機械工程專業控制工程基礎課程的延伸，模糊邏輯PID控制實驗是整個課程教學中必不可少的環節。在實驗過程中，學生可以將模糊控制理論與工業系統相結合，理解模糊邏輯控制器的設計理念，運用模糊邏輯思維解決復雜工程控制問題。應用模糊邏輯控制進行開放式實驗教學，對學生的應用能力及創新思維的提高有一定的促進作用。

1 開放式實驗教學開設的必要性

1.1 理論難度大

模糊控制的原理框圖如圖1 所示。模糊邏輯控制器設計涉及的知識點理論性強，紛繁復雜的模糊規則、模糊關系、模糊向量、模糊邏輯推理等概念較多，學生難以理解和記憶。此外，建立于模糊數學理論之上的模糊邏輯控制，對于從非應用數學專業類的學生又添了一道門檻，進一步加大了課程學習的難度。[3]由于學生缺乏模糊數學的理論基礎，模糊理論本身抽象晦澀，從而導致學生對模糊控制理論知識理解不透徹，在實際的工程應用中存在障礙。

1.2 數值仿真效果不佳

傳統的模糊邏輯控制實驗教學主要采用計算機仿真搭建PID 閉環控制系統的輸出及響應，學生通常淺嘗輒止，難以進一步得到啟發和思考。一方面學生理論基礎掌握不牢靠，導致傳統的驗證性實驗收效甚微，學生普遍反映實驗難以理解，積極性和主動性不高。另一方面理論與工程案例結合得十分松散，整體教學效果欠佳。

圖1 模糊邏輯控制原理框圖

圖2 實驗內容設計

1.3 實驗室現狀問題突出

從本院機自專業實驗室的現狀來看，普遍存在實驗室利用率低、實驗教學環節重視度不足、實驗內容單一等問題。開放式實驗教學不僅能顯著提高實驗室利用率，而且對學生積極性、實踐能力和創新思維的提高有著明顯的促進作用。[4-6]

針對以上問題，筆者提出以工程案例及科學研究為導向的開放式實驗教學模式和評價體系建設思路。將傳統的驗證性實驗教學拓展為基礎型、工程應用提升型和科研訓練型三個循序漸進的環節，以團隊為主體，學生根據自己興趣自主組隊，并預約實驗室和實驗設備、耗材等資源，完成從課程學習、查閱資料、實驗設計、動手操作、總結反思等步驟，提高學生學習的協作性和積極性。

2 開放式實驗項目設計

實驗項目設計按照由淺入深、循序漸進、因材施教的原則，將實驗劃分為三個階段。對于實踐能力較強的學生可直接進入第二階段，三個階段流程框圖如圖2 所示。

2.1 第一階段：基礎型實驗

第一階段采用基礎型的實驗來讓學生快速掌握模糊邏輯工具箱的原理和使用方法，并能夠利用模糊邏輯工具箱解決簡單的控制問題，將模糊邏輯工具箱和簡單的一階控制對象結合進行Simulink 仿真，為第二階段打下基礎。

基礎型實驗項目包含水箱水位控制、恒壓供水系統、淋浴溫度及水位調節、彈簧阻尼系統、電液位置伺服系統等。該實驗項目能夠讓學生快速將理論知識嵌套于實驗框架中，完成簡單模糊推理系統的搭建。

2.2 第二階段：工程應用型實驗

在本專業實驗室主要包含發動機、移動機器人、洗衣機、柔性轉子等試驗平臺，引入硬件回路實驗對機械工程專業的學生有重要的實踐意義。

第二階段的實驗主要側重于工程應用型模糊邏輯控制器的設計，不僅對第一階段的學習起著鞏固和深化的作用，也是開展第三階段的重要基礎。要求學生利用模糊邏輯知識實現工程對象的自動化控制，能夠進一步掌握模糊邏輯控制的理論知識和控制器的設計方法，完成初步的硬件回路實驗。老師需提供課題和設計要點，學生自主完成實驗方案的設計。第二階段需要學生理解并掌握去模糊化以及Simulink 控制仿真和硬件回路實驗等內容，極大增強了學生的自主學習性。

第一個實驗課題主要針對發動機的模糊控制系統。本實驗主要用仿真軟件進行系統的性能分析，對于仿真效果良好的學生鼓勵其進入甲醇發動機實驗室進行硬件回路實驗，以測試系統的實際控制性能，培養學生動手和實踐能力。

第二個實驗課題為基于模糊控制的機器人避障實驗。移動機器人的工作環境十分復雜且具有高度不確定性。在移動機器人的避障控制中，模糊控制憑借自身優勢已成為主流。以傳感器獲取的環境信息作為系統的輸入，主動輪轉速作為控制變量。學生在運用模糊邏輯的思維設計移動機器人的避障控制系統時，可以通過Simulink、Mobotsim、Webots 等仿真平臺進行性能測試，還可以借助我校機器人實驗室相關機器人設備完成硬件回路實驗，通過實踐操作來直觀了解控制器設計的可行性。

第三個實驗課題為模糊全自動洗衣機的設計，通過洗凈度傳感器和布量傳感器將衣物洗凈度和數量作為模糊控制的輸入，以提高控制精度為主要目的。

這三個實驗課題在理論和應用上各有側重，且難易不同。實驗室鼓勵學生自主設計課題，根據自己對于模糊控制的理解確定題目，組成2-3 人的小組或者單獨進行實驗課題，并對結果進行分析，完成相應的實驗報告。

2.3 第三階段：科研訓練型實驗

經過數十年的發展，模糊邏輯控制在旋轉運動控制系統、開放式機器人與自主控制系統、工業應用及過程控制系統等領域逐漸成為研究熱點。通過不斷優化控制方案實現對上述系統的精確控制并提升其可靠性和魯棒性是極具挑戰性的研究課題。目前多數高校不但配備有開放式架構的科研實驗設備，而且也是大多數高校教師的科研課題之一，為學生實施開放式實驗提供了必要條件。[7]

將前沿的科研訓練環節加入開放式實驗中不但能檢驗學生對專業知識掌的握程度，還能把握前沿的科研方向，提高學生科研素養和動手能力，培養創新精神。下面試驗項目進行介紹。

旋轉運動控制系統：旋轉驅動系統體現在工業自動化的各個領域，多體系統的整合和控制的新策略創新是這一領域要解決的首要問題。以其為基礎衍生出的如球桿平衡系統、旋轉柔性關節系統、旋轉倒立擺系統、兩自由度機器人系統等，都是當前科研的前沿課題。借助相應的設備可以開設如位置控制、速度控制、超前滯后校正控制、倒立擺控制、最優控制、極點配置以及非最小相位系統控制等課題。

開放式機器人與自主控制系統：開放式機器人控制平臺擁有完全開放的體系架構和極其靈活的機器人平臺，能夠讓學生不受典型的封閉控制器限制進行創新性研究。學生可借助我校機器人實驗室或者教師科研設備，如兩自由度串聯柔性關節、兩自由度串聯柔性連桿、多模塊化積木式可拆裝串聯機器人、工業機器人多功能綜合實訓系統等完成硬件回路實驗。在開放式機器人系統這一方向可以開設的課題有：跟蹤控制與調節、全狀態反饋、觀測器設計與實現、超前/滯后補償等。

工業應用及過程控制系統：實際的工業系統是十分復雜的，涵蓋控制、機械、電子、軟件計算機架構等多學科交叉的工程領域。目前前沿的工程技術和應用研究熱點集中在起重設備控制、液位控制、汽車懸架系統、磁懸浮控制等課題上。結合我院實驗室及教師科研情況主要列舉具有代表性的三個實驗設備，如多自由度起重機系統、汽車主動懸架系統和磁懸浮控制系統，在這一方向可以設計的課題有：自抗擾控制、抗擺方法、自適應控制、離散時間采樣系統、跟蹤控制和調節、振動控制等。借助設備優勢，學生可以進行硬件回路實驗和系統仿真實驗，直觀地了解模糊邏輯控制器的實驗效果，并將優秀成果推薦專利申報和論文發表。

3 評價體系建設思路

建立完善的考核體系和激勵機制是開放式實驗實施的重要一環，針對不同的課題，設置相應的考核標準。其中，基礎型實驗采用傳統的以操作表現和實驗報告為依據的考核方式，要求學生能夠自主設計簡單的模糊邏輯控制系統；工程應用型實驗著重考核學生對課題的深入了解和設計創新能力；科研訓練型實驗采用以成果為導向的考核理念，考核可以從操作、報告、答辯、成果等多個維度進行綜合考量。對學生成果指標進行量化，比如科技比賽、論文發表、專利申請等情況，并及時上報學校。設置適當的獎勵機制和經費支持，調動學生和老師的積極性。

4 總結

本文以我校模糊邏輯控制的開放式實驗教學建設為例，著重對工程應用型實驗課題和科研訓練環節進行開放式實驗教學設計，并給出了評價體系建設思路，設計完善的基于模糊邏輯控制的開放式實驗教學項目，以提高學生的創新思維和控制工程應用能力為目的，為同類院校提供借鑒。