史敬灼河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471023

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電機(jī)模糊控制課程學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)方法探索

史敬灼
河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471023

摘 要：以電機(jī)智能控制課程中模糊控制部分的教學(xué)為例，通過將以理論知識(shí)為主的授課內(nèi)容，改變?yōu)橐灾v授實(shí)際應(yīng)用例子為主，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該方法的實(shí)際應(yīng)用表明，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力；教學(xué)方法

如何在課程教學(xué)過程中加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，是關(guān)系到創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的重要課題。課程教學(xué)包括課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是直接針對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)而設(shè)置的教學(xué)環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的過程中起到重要作用。而課堂教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面的重要作用往往被低估。事實(shí)上，課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容組織與講授過程設(shè)計(jì)，會(huì)顯著影響學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。

本文以電機(jī)智能控制課程中“模糊控制”部分的課堂教學(xué)為例，從教學(xué)內(nèi)容組織、講授過程等方面，闡述了改革課堂教學(xué)方法，通過課堂講授內(nèi)容與方式的轉(zhuǎn)變，助力學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體做法。

1 課程教學(xué)內(nèi)容組織

電機(jī)智能控制是電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科研究生的專業(yè)課程，主要講授智能控制在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，內(nèi)容涵蓋專家系統(tǒng)、模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理論授課40學(xué)時(shí)。模糊邏輯是電機(jī)智能控制課程講授的主要內(nèi)容之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，模糊邏輯及其應(yīng)用形成的模糊推理、模糊控制，知識(shí)量大，涵蓋范圍廣，需要根據(jù)課程教學(xué)目的篩選講授內(nèi)容。

1.1 選擇基礎(chǔ)知識(shí)講授內(nèi)容

考慮模糊邏輯的應(yīng)用現(xiàn)狀，選定電機(jī)智能控制課程中模糊邏輯部分的基礎(chǔ)知識(shí)講授內(nèi)容(見表1)。

表1 模糊邏輯部分的基礎(chǔ)知識(shí)講授內(nèi)容

1.2 選定實(shí)際應(yīng)用例子

模糊邏輯部分講授的應(yīng)用例子如表2所示。表中前3個(gè)例子，原是一篇文獻(xiàn)中給出的一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，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(diǎn)，便于學(xué)生逐步接受、漸進(jìn)理解，將這一個(gè)系統(tǒng)拆分、改編成了3個(gè)例子。3個(gè)例子各自完成一個(gè)模糊調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，解決一個(gè)問題，先后銜接，依次遞進(jìn)，最終形成一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。同時(shí)，每個(gè)例子又自成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)結(jié)果可以單獨(dú)應(yīng)用于實(shí)際。其中，第一個(gè)例子對(duì)應(yīng)于模糊控制的最基本也是最廣泛的應(yīng)用形式，該例不僅給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟和細(xì)節(jié)分析，而且其設(shè)計(jì)結(jié)果可直接移用于其他系統(tǒng)中，從而為學(xué)生提供了一個(gè)開始動(dòng)手做電機(jī)模糊控制的起點(diǎn)。相對(duì)于第一個(gè)例子而言，后3個(gè)例子中模糊邏輯的應(yīng)用方式則較為少見，但表明了幾個(gè)有前途的潛在方向，為學(xué)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(shí)際應(yīng)用例子

2 課程講授過程

2.1 基礎(chǔ)知識(shí)講授過程

模糊邏輯部分講授模糊推理系統(tǒng)時(shí)，在介紹模糊推理系統(tǒng)的概念、給出5個(gè)步驟之后，馬上舉例“餐館小費(fèi)模糊推理系統(tǒng)”，用這個(gè)例子為載體講授模糊推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和推理的過程。在講授中，以在場(chǎng)某學(xué)生工作掙錢了出國(guó)旅游為背景，講明設(shè)計(jì)這個(gè)推理系統(tǒng)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(yán)格按照規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，逐步設(shè)計(jì)該推理系統(tǒng)：確定輸入/輸出模糊變量，為輸入/輸出模糊變量設(shè)定語言值，為輸入/輸出模糊變量設(shè)定論域，為輸入/輸出模糊變量的各個(gè)語言值設(shè)定隸屬函數(shù)，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則。到此為止，給出模糊推理系統(tǒng)推理過程的圖形表述。上述已完成的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)于模糊推理系統(tǒng)5個(gè)推理步驟中的第一、二步，后三步(從前提到結(jié)論的推理、所有規(guī)則作用結(jié)果的合成、解模糊)留待隨后講授。上述設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則是講授的重點(diǎn)難點(diǎn)。為突出重點(diǎn)，簡(jiǎn)化表象敘述，本例僅用了3條模糊規(guī)則。講授中，強(qiáng)調(diào)模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)不需要模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可完成設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)習(xí)慣等不同，設(shè)計(jì)結(jié)果也會(huì)不同。再提問評(píng)判設(shè)計(jì)好壞的依據(jù)是什么，借以指出應(yīng)用效果是評(píng)判設(shè)計(jì)好壞的核心因素。進(jìn)一步追問，如何評(píng)判這個(gè)推理系統(tǒng)的應(yīng)用效果，給出餐館出口調(diào)查等可行方法，并指明這些方法事實(shí)上是在對(duì)所考慮問題進(jìn)行建模，是建模方式的一類。模糊推理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不依賴于對(duì)象模型，但其測(cè)評(píng)通常用到模型。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)對(duì)象了解得越深入細(xì)致，即指導(dǎo)設(shè)計(jì)“經(jīng)驗(yàn)”越豐富、準(zhǔn)確、全面，設(shè)計(jì)就越有效；而作為對(duì)象行為的數(shù)學(xué)表述，對(duì)象模型往往是獲取“經(jīng)驗(yàn)”的一種有效途徑和載體。進(jìn)一步引出，根據(jù)對(duì)推理系統(tǒng)應(yīng)用效果的評(píng)判結(jié)果，修正設(shè)計(jì)。講授過程中，不斷提問不斷互動(dòng)，適當(dāng)停頓，引導(dǎo)學(xué)生思路，使學(xué)生在用中學(xué)、在學(xué)中用。

對(duì)應(yīng)于表1所示基礎(chǔ)知識(shí)，講授過程中舉例內(nèi)容列出如表3。

表3 模糊邏輯部分的基礎(chǔ)知識(shí)講授過程舉例內(nèi)容

2.2 實(shí)際應(yīng)用例子講授過程

模糊邏輯部分的第一個(gè)例子是介紹基本的標(biāo)準(zhǔn)模糊邏輯閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)理念，為學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用打基礎(chǔ)。模糊規(guī)則是模糊控制器的核心，也是設(shè)計(jì)中的最大難點(diǎn)。因而，實(shí)際講授中也應(yīng)以模糊規(guī)則表的由來為重點(diǎn)。為便于學(xué)生理解，首先基于二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，給出制定閉環(huán)控制器模糊規(guī)則的3條原則，逐條解釋并要求學(xué)生據(jù)此設(shè)計(jì)出幾條模糊規(guī)則，具體形式最好是提問、討論。切實(shí)理解這3條原則之后，給出完整的模糊規(guī)則表，任意選擇表中幾條規(guī)則提問，要求學(xué)生解釋為什么規(guī)則的結(jié)論部分是這樣的，來加深學(xué)生的理解。然后，指出模糊規(guī)則表中的規(guī)律，便于學(xué)生記憶、應(yīng)用。

此例除規(guī)則表外，變量所取的語言值個(gè)數(shù)、同一變量語言值隸屬函數(shù)在論域上的分布特點(diǎn)，同樣需要提請(qǐng)注意并認(rèn)真解釋為什么，事先解決學(xué)生應(yīng)用中可能遇到的問題。在例子講授的最后，給出真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(不同情況下的轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)曲線)，說明前述設(shè)計(jì)的有效性。這里要特別強(qiáng)調(diào)如何自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的有效性，逐步培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)應(yīng)有的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

在這個(gè)例子基礎(chǔ)上，模糊邏輯部分的第二個(gè)例子在該系統(tǒng)中增加了一個(gè)模糊效率優(yōu)化控制器，構(gòu)成了帶效率優(yōu)化的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。該例講授的核心是如何采用模糊推理方式實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化。首先，鑒于多數(shù)學(xué)生之前沒有學(xué)習(xí)過最優(yōu)化理論，需要先簡(jiǎn)單講述該例用到的最優(yōu)化基本知識(shí)，包括最優(yōu)化的概念、尋找極值的基本思路、梯度下降法。然后，結(jié)合異步電機(jī)知識(shí)，講明調(diào)節(jié)磁鏈實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化的可行性。因?yàn)檫@一點(diǎn)不是此例的重點(diǎn)內(nèi)容，講述時(shí)要盡量簡(jiǎn)化。實(shí)踐表明，直接采用系統(tǒng)各種損耗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線來講授，而不是一堆公式，更易在較短時(shí)間內(nèi)被學(xué)生理解。

隨后，講授基于梯度下降法的模糊優(yōu)化。第一個(gè)難點(diǎn)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(cè)功率變化量、前次勵(lì)磁電流增量，輸出變量為勵(lì)磁電流增量。第二個(gè)難點(diǎn)是設(shè)計(jì)模糊規(guī)則要遵循的原則。這里設(shè)計(jì)的模糊推理系統(tǒng)用于優(yōu)化而不是閉環(huán)控制器，需要遵循不同于第一個(gè)例子的原則。講授方法與第一個(gè)例子相同。完成模糊優(yōu)化調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)之后，要講述效率優(yōu)化與系統(tǒng)原有轉(zhuǎn)速閉環(huán)模糊控制器如何協(xié)調(diào)工作，并講解實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線說明有效性。第三個(gè)例子是在前兩例基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)模糊優(yōu)化調(diào)節(jié)器，構(gòu)建完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。因第二例已講授模糊優(yōu)化知識(shí)，此例講授時(shí)，專注于兩個(gè)細(xì)節(jié)，一是如何在調(diào)節(jié)器中增加擾動(dòng)量來避免局部極小，二是設(shè)計(jì)量化因子的模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，以改善模糊優(yōu)化的性能。

3 結(jié)束語

學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是涉及教育過程方方面面的系統(tǒng)工程，同時(shí)也需要與時(shí)俱進(jìn)、不斷革新。本文所述只是筆者在課堂教學(xué)方面做的一點(diǎn)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(xiàn)

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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

作者簡(jiǎn)介：史敬灼，博士，教授，院長(zhǎng)。

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