模糊逻辑控制开放式实验教学设计探讨

2020-06-12魏宏静张文康

科教导刊 2020年12期

王刚刘锋魏宏静黄彪张文康

（贵州理工学院机械工程学院贵州·贵阳 550003）

0 引言

随着“新工科”及“智能制造”战略的提出，智能技术在机械工程领域的应用将越来越广泛，学习并掌握一门智能控制技术也是当前机械工程专业本科生急需完成的教育之一。[1]

近年来，模糊逻辑控制作为典型的智能控制技术，在家用电器、工业控制、汽车系统和其它领域取得了广泛的应用。[2]作为机械工程专业控制工程基础课程的延伸，模糊逻辑PID控制实验是整个课程教学中必不可少的环节。在实验过程中，学生可以将模糊控制理论与工业系统相结合，理解模糊逻辑控制器的设计理念，运用模糊逻辑思维解决复杂工程控制问题。应用模糊逻辑控制进行开放式实验教学，对学生的应用能力及创新思维的提高有一定的促进作用。

1 开放式实验教学开设的必要性

1.1 理论难度大

模糊控制的原理框图如图1 所示。模糊逻辑控制器设计涉及的知识点理论性强，纷繁复杂的模糊规则、模糊关系、模糊向量、模糊逻辑推理等概念较多，学生难以理解和记忆。此外，建立于模糊数学理论之上的模糊逻辑控制，对于从非应用数学专业类的学生又添了一道门槛，进一步加大了课程学习的难度。[3]由于学生缺乏模糊数学的理论基础，模糊理论本身抽象晦涩，从而导致学生对模糊控制理论知识理解不透彻，在实际的工程应用中存在障碍。

1.2 数值仿真效果不佳

传统的模糊逻辑控制实验教学主要采用计算机仿真搭建PID 闭环控制系统的输出及响应，学生通常浅尝辄止，难以进一步得到启发和思考。一方面学生理论基础掌握不牢靠，导致传统的验证性实验收效甚微，学生普遍反映实验难以理解，积极性和主动性不高。另一方面理论与工程案例结合得十分松散，整体教学效果欠佳。

图1 模糊逻辑控制原理框图

图2 实验内容设计

1.3 实验室现状问题突出

从本院机自专业实验室的现状来看，普遍存在实验室利用率低、实验教学环节重视度不足、实验内容单一等问题。开放式实验教学不仅能显著提高实验室利用率，而且对学生积极性、实践能力和创新思维的提高有着明显的促进作用。[4-6]

针对以上问题，笔者提出以工程案例及科学研究为导向的开放式实验教学模式和评价体系建设思路。将传统的验证性实验教学拓展为基础型、工程应用提升型和科研训练型三个循序渐进的环节，以团队为主体，学生根据自己兴趣自主组队，并预约实验室和实验设备、耗材等资源，完成从课程学习、查阅资料、实验设计、动手操作、总结反思等步骤，提高学生学习的协作性和积极性。

2 开放式实验项目设计

实验项目设计按照由浅入深、循序渐进、因材施教的原则，将实验划分为三个阶段。对于实践能力较强的学生可直接进入第二阶段，三个阶段流程框图如图2 所示。

2.1 第一阶段：基础型实验

第一阶段采用基础型的实验来让学生快速掌握模糊逻辑工具箱的原理和使用方法，并能够利用模糊逻辑工具箱解决简单的控制问题，将模糊逻辑工具箱和简单的一阶控制对象结合进行Simulink 仿真，为第二阶段打下基础。

基础型实验项目包含水箱水位控制、恒压供水系统、淋浴温度及水位调节、弹簧阻尼系统、电液位置伺服系统等。该实验项目能够让学生快速将理论知识嵌套于实验框架中，完成简单模糊推理系统的搭建。

2.2 第二阶段：工程应用型实验

在本专业实验室主要包含发动机、移动机器人、洗衣机、柔性转子等试验平台，引入硬件回路实验对机械工程专业的学生有重要的实践意义。

第二阶段的实验主要侧重于工程应用型模糊逻辑控制器的设计，不仅对第一阶段的学习起着巩固和深化的作用，也是开展第三阶段的重要基础。要求学生利用模糊逻辑知识实现工程对象的自动化控制，能够进一步掌握模糊逻辑控制的理论知识和控制器的设计方法，完成初步的硬件回路实验。老师需提供课题和设计要点，学生自主完成实验方案的设计。第二阶段需要学生理解并掌握去模糊化以及Simulink 控制仿真和硬件回路实验等内容，极大增强了学生的自主学习性。

第一个实验课题主要针对发动机的模糊控制系统。本实验主要用仿真软件进行系统的性能分析，对于仿真效果良好的学生鼓励其进入甲醇发动机实验室进行硬件回路实验，以测试系统的实际控制性能，培养学生动手和实践能力。

第二个实验课题为基于模糊控制的机器人避障实验。移动机器人的工作环境十分复杂且具有高度不确定性。在移动机器人的避障控制中，模糊控制凭借自身优势已成为主流。以传感器获取的环境信息作为系统的输入，主动轮转速作为控制变量。学生在运用模糊逻辑的思维设计移动机器人的避障控制系统时，可以通过Simulink、Mobotsim、Webots 等仿真平台进行性能测试，还可以借助我校机器人实验室相关机器人设备完成硬件回路实验，通过实践操作来直观了解控制器设计的可行性。

第三个实验课题为模糊全自动洗衣机的设计，通过洗净度传感器和布量传感器将衣物洗净度和数量作为模糊控制的输入，以提高控制精度为主要目的。

这三个实验课题在理论和应用上各有侧重，且难易不同。实验室鼓励学生自主设计课题，根据自己对于模糊控制的理解确定题目，组成2-3 人的小组或者单独进行实验课题，并对结果进行分析，完成相应的实验报告。

2.3 第三阶段：科研训练型实验

经过数十年的发展，模糊逻辑控制在旋转运动控制系统、开放式机器人与自主控制系统、工业应用及过程控制系统等领域逐渐成为研究热点。通过不断优化控制方案实现对上述系统的精确控制并提升其可靠性和鲁棒性是极具挑战性的研究课题。目前多数高校不但配备有开放式架构的科研实验设备，而且也是大多数高校教师的科研课题之一，为学生实施开放式实验提供了必要条件。[7]

将前沿的科研训练环节加入开放式实验中不但能检验学生对专业知识掌的握程度，还能把握前沿的科研方向，提高学生科研素养和动手能力，培养创新精神。下面试验项目进行介绍。

旋转运动控制系统：旋转驱动系统体现在工业自动化的各个领域，多体系统的整合和控制的新策略创新是这一领域要解决的首要问题。以其为基础衍生出的如球杆平衡系统、旋转柔性关节系统、旋转倒立摆系统、两自由度机器人系统等，都是当前科研的前沿课题。借助相应的设备可以开设如位置控制、速度控制、超前滞后校正控制、倒立摆控制、最优控制、极点配置以及非最小相位系统控制等课题。

开放式机器人与自主控制系统：开放式机器人控制平台拥有完全开放的体系架构和极其灵活的机器人平台，能够让学生不受典型的封闭控制器限制进行创新性研究。学生可借助我校机器人实验室或者教师科研设备，如两自由度串联柔性关节、两自由度串联柔性连杆、多模块化积木式可拆装串联机器人、工业机器人多功能综合实训系统等完成硬件回路实验。在开放式机器人系统这一方向可以开设的课题有：跟踪控制与调节、全状态反馈、观测器设计与实现、超前/滞后补偿等。

工业应用及过程控制系统：实际的工业系统是十分复杂的，涵盖控制、机械、电子、软件计算机架构等多学科交叉的工程领域。目前前沿的工程技术和应用研究热点集中在起重设备控制、液位控制、汽车悬架系统、磁悬浮控制等课题上。结合我院实验室及教师科研情况主要列举具有代表性的三个实验设备，如多自由度起重机系统、汽车主动悬架系统和磁悬浮控制系统，在这一方向可以设计的课题有：自抗扰控制、抗摆方法、自适应控制、离散时间采样系统、跟踪控制和调节、振动控制等。借助设备优势，学生可以进行硬件回路实验和系统仿真实验，直观地了解模糊逻辑控制器的实验效果，并将优秀成果推荐专利申报和论文发表。

3 评价体系建设思路

建立完善的考核体系和激励机制是开放式实验实施的重要一环，针对不同的课题，设置相应的考核标准。其中，基础型实验采用传统的以操作表现和实验报告为依据的考核方式，要求学生能够自主设计简单的模糊逻辑控制系统；工程应用型实验着重考核学生对课题的深入了解和设计创新能力；科研训练型实验采用以成果为导向的考核理念，考核可以从操作、报告、答辩、成果等多个维度进行综合考量。对学生成果指标进行量化，比如科技比赛、论文发表、专利申请等情况，并及时上报学校。设置适当的奖励机制和经费支持，调动学生和老师的积极性。