以洗衣机模糊控制为例的教学案例设计方法
来源:用户上传
作者:刘金琨
[摘要]为了突出智能控制教学发展需要，在教学方面需要加大对相关课程案例建设的研究。教师可以以洗衣机模糊控制为例，介绍模糊逻辑控制系统的设计步骤，并通过Matlab仿真分析来加以讲解，深化学生对模糊逻辑控制的理解，提升智能控制课程教学案例建设水平，使学生具备一定的工程分析能力。
[关键词]洗衣机;模糊控制;案例教学;教学改革
[中图分类号]G640 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2020）05-0076-04
一、引言
案例教学是通过选择典型的教学案例来进行教学的一种模式。该教学方法是培养应用型人才的有效途径。在工科教育中，通过典型的工程案例介绍，可有效地引导学生进行思考和分析。目前，案例教学已成为西方教育发达国家所使用的一种重要的教学手段。在中国，传统教学方法影响较大，案例教学的研究还处于起步阶段。在模糊控制的课程教学中，如果将模糊逻辑控制理论与洗衣机的控制问题相结合，通过设计教学案例来展开教学，可很好地培养学生的理解和分析能力。
模糊洗衣机可通过传感器自动判断衣量和衣物的脏污程度，从而确定模糊洗衣机的洗涤时间。当处于相同水位时，随着洗衣机内衣物的多少和质地不同，衣物的重量是不同的，从而可通过洗衣机内电机惯性测量来判断衣物的重量。通过洗衣机内的紅外光电传感器来测得水的透明度，从而可确定衣物的脏污程度。本文以洗衣机模糊控制为例，初步探讨通过案例教学法来建构智能控制授课的问题。
二、案例教学设计
（一）模糊控制基本知识
模糊逻辑控制是以模糊数学、模糊规则描述和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，即将工程技术人员的经验总结成模糊规则，通过对输入信息的模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，通过模糊推理得到结果，将其反模糊化后的输出量作为控制输入。
模糊逻辑控制器的设计步骤为：1.定义模糊控制器的基本结构;2.设计输入输出模糊集;3.设计输入输出隶属函数;4.设计模糊控制规则;5.设计模糊控制表;6.设计模糊推理算法;7.设计反模糊化算法。
（二）案例的准备
组织案例分为以下步骤：（1）给出模糊逻辑控制的背景、发展历史及研究意义，介绍国内外相关代表性文献;（2）洗衣机模糊控制问题分析，采用PPT讲授、Matlab仿真相结合的形式;（3）隶属函数的设计、模糊规则的设计、模糊推理算法的设计、仿真实例的设计与分析。
（三）案例分析
在案例分析中，通过介绍洗衣机模糊控制的案例背景，设计一些洗衣机的问题，如“影响衣物洁净的因素”“影响洗衣机洗涤时间的因素”“洗衣机控制系统的安全问题”等，通过与理论相结合，学生对案例背景进行分析，依据模糊理论提出具体解决问题的方案。通过案例分析，可提高学生理解、运用知识的能力。
三、洗衣机的模糊控制设计实例
Matlab模糊控制工具箱为模糊控制器的设计提供了仿真分析环境，通过它可方便地实现输入输出的模糊化、模糊推理及反模糊化运算。基于模糊洗衣机的模糊控制系统，其输出洗涤时间的控制是开环的。根据传统模糊逻辑控制器设计方法，下面介绍如何利用Matlab工具箱设计模糊控制器。
（一）选择模糊控制器的结构
采用两个输入一个输出的二维模糊控制器，输入选择衣物的衣量和油垢（克），输出选择洗涤时间（分钟）。
（二）定义输入输出模糊集
按衣物的重量将其分为三个模糊集，即衣量少（SD），衣量中（MD）和衣量多（LD），其取值范围取『0，1001克。按油垢的重量将其分为三个模糊集，即油垢少（SG），油垢中（MG）和油垢多（LG），其取值范围取『0，1001克。按洗涤时间的长短将其分为三个模糊集，即很短（vS）和短（S），中等（M），长（L）和很长（vL），其取值范围取[0，60]分钟。
（三）定义隶属函数
为了对衣量模糊化，结合z型隶属函数、S型隶属函数和三角形隶属函数，设计隶属函数：
（四）模糊规则设计标准
按如下原则设计模糊规则，即“衣服的重量越重，油垢重量越重，洗衣机工作时间应该越长”“衣服的重量适中，油垢重量适中，洗衣机工作时间应该适中”“衣服的重量越轻，油垢重量越轻，洗衣机工作时间应该越短”。
（五）设计模糊控制表
根据上述模糊规则设计标准，建立洗衣机洗涤时间模糊规则表，如表1所示。
五、案例分析与讨论
在案例的设计与教学中，教师可让学生针对一些具体的问题进行讨论，选取多种解决方案，以使学生达到对知识的掌握和深度理解的目的，例如：1.目前国内外的模糊洗衣机技术现状和产品如何？2.模糊控制器由哪几部分组成？各完成什么功能？模糊控制器设计的步骤是怎样的？3.以水温和衣量作为模糊控制输入，以决定投放的洗涤剂量作为输出，如何设计模糊逻辑控制器？4.如要提高控制性能，本文所设计的模糊规则和模糊推理算法需要哪些改进？5.洗衣机的其他控制算法如何，与模糊控制相比较，分析各类算法的优缺点。6.如果采用其他（如C语言）语言编程，如何进行软件实现？7.如将本文的算法进行工程开发，需要怎样进行硬件和软件实现？
六、结论
本文以洗衣机洗涤时间模糊控制的设计为例，介绍了模糊逻辑控制的基本设计步骤和分析方法，结合Mat-lab仿真环境，将模糊逻辑控制设计的细节问题纳入各个教学环节，培养学生的独立思考能力和分析能力，教学效果良好。在今后的教学工作中，我们将不断完善案例，使其更加深入地与课堂教学融合。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15185691.htm
