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1、以洗衣机模糊控制为例的教学案例设计方法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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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。