“Matlab與系統(tǒng)仿真”課程探究性實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

林　峰， 姚　維， 陳　欣， 韓　濤， 馬　皓

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

0　引言

“Matlab與系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)改革已經(jīng)取得了很好的效果，通過對教學(xué)內(nèi)容、教輔方式、探索性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和課程考核方式等方面的改革與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體、探究性教學(xué)為重點(diǎn)的教改目標(biāo)[1]。但如何設(shè)計(jì)課程的探究性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生既能對本專業(yè)的相關(guān)理論知識進(jìn)行深入理解、應(yīng)用，又能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新研究能力，仍然是一個(gè)值得思考的問題。

傳統(tǒng)的自動(dòng)化類專業(yè)的系統(tǒng)仿真類課程的教學(xué)與實(shí)踐往往以“控制理論”、“信號與系統(tǒng)”、“最優(yōu)化”及“運(yùn)動(dòng)控制”等課程的內(nèi)容及原理方法為基礎(chǔ)，隨著Matlab/Simunink的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在這類課程的教學(xué)都與Matlab等仿真軟件結(jié)合得比較緊密，而且這些課程往往都設(shè)置了與Matlab相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[2-5]，這使得課程的部分教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生重疊，上課及實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常有學(xué)生反映“已經(jīng)學(xué)過了”、“已經(jīng)做過了”，因此迫切需要對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容及方式、方法進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

1　探究性實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

我們在總結(jié)多年來本課程實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，通過結(jié)合當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)方向，在兼顧原有“控制理論”等課程實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，融入決策方法中關(guān)于大數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘的策略，構(gòu)建了基于決策和控制方法的系統(tǒng)仿真探究性實(shí)驗(yàn)平臺。

1.1　探究性實(shí)驗(yàn)平臺總體規(guī)劃

本實(shí)驗(yàn)平臺涉及到的相關(guān)課程門類較多，綜合性強(qiáng)，對編程能力要求高，實(shí)踐環(huán)節(jié)覆蓋的范圍很寬，幾乎包括了本專業(yè)所有的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)。根據(jù)多年來的教學(xué)實(shí)踐，我們確定了對該實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行改革的初步方向，具體有如下幾點(diǎn)：

首先要堅(jiān)持自動(dòng)化類專業(yè)的特色[6-7]，以控制理論(包括線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、PID控制器及自適應(yīng)與智能控制系統(tǒng)等)為基礎(chǔ)，本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)而不是簡單的驗(yàn)證，更注重軟件編程實(shí)現(xiàn)及深入應(yīng)用，要求學(xué)生自己能提出創(chuàng)新性的思想并將其實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是簡單的學(xué)習(xí)與理解。

其次，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，研究對象由機(jī)械、控制、液壓等不同領(lǐng)域子系統(tǒng)組合而成的情況迅速增加，采用單一的分析方法已經(jīng)難以適應(yīng)研究對象發(fā)展的需要，隨著各學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合不斷深入，如動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)仿真同時(shí)希望考慮柔性體的變形，動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的仿真與控制程序的開發(fā)同時(shí)進(jìn)行等，需要采用多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真[8]，這也是當(dāng)前系統(tǒng)仿真發(fā)展趨勢之一。機(jī)電系統(tǒng)的混合仿真部分，強(qiáng)調(diào)學(xué)生進(jìn)行案例學(xué)習(xí)，同時(shí)教師根據(jù)自己的體會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)與學(xué)生在線進(jìn)行交流。

再次，在大數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)挖掘方面，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用的六種決策支持方法，如關(guān)聯(lián)分析、時(shí)序模式、聚類、分類、偏差檢測、預(yù)測等，都可以在該實(shí)驗(yàn)?zāi)K中得到體現(xiàn)。值得注意的是要重點(diǎn)介紹與學(xué)生將來就業(yè)緊密相關(guān)的行業(yè)，如銀行業(yè)、證券業(yè)、電力業(yè)、通信業(yè)及汽車行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用案例，一方面可以使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的決策方法和策略，同時(shí)也可以為將來的就業(yè)打下較好的基礎(chǔ)。這些方法并不與原來的控制理論相違背，有不少是優(yōu)化理論、智能策略在經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域的應(yīng)用，對該內(nèi)容的學(xué)習(xí)會(huì)大大擴(kuò)展學(xué)生的知識視野。

另外，有數(shù)量不少的學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)游戲的編制很感興趣，其中用到了很多諸如圖像識別、目標(biāo)搜索等熟悉的方法跟策略，通過編制軟件加深了對專業(yè)知識和游戲編程的理解。有個(gè)別學(xué)生甚至因此從沉溺游戲到開始熱衷于游戲設(shè)計(jì)。

1.2　探究性實(shí)驗(yàn)平臺的模塊劃分

基于以上的分析及與其他課程的關(guān)聯(lián)性，將“Matlab與系統(tǒng)仿真”課程的實(shí)驗(yàn)平臺分成四個(gè)模塊的內(nèi)容，依次說明如下：

1)基于控制策略的系統(tǒng)仿真部分

該模塊與控制理論相關(guān)內(nèi)容銜接，具體包含如下內(nèi)容：①線性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；②非線性系統(tǒng)建模與仿真；③PID控制器設(shè)計(jì)；④自適應(yīng)與智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。該模塊更注重對核心算法本身進(jìn)行創(chuàng)新調(diào)整，這些內(nèi)容之間并不是絕對獨(dú)立，相互之間往往有較強(qiáng)的交叉，根據(jù)學(xué)生各自特點(diǎn)進(jìn)行融合優(yōu)化。

2)機(jī)電系統(tǒng)的混合仿真部分

該模塊與運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)與拖動(dòng)、機(jī)器人及機(jī)電一體化等內(nèi)容相關(guān)，尤為注重人工智能與機(jī)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，與其他專業(yè)領(lǐng)域的軟件如ADAMS、Matlab/Simunink、AMESim等軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。

3)基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的決策部分

大數(shù)據(jù)技術(shù)在金融、證券及信用評價(jià)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，因此該模塊引起學(xué)生越來越多的興趣，其主要內(nèi)容包括：① Matlab 數(shù)據(jù)分析工具箱；②數(shù)據(jù)挖掘建模；③數(shù)據(jù)挖掘在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用仿真。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握了基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的決策方法和策略，擴(kuò)展了知識視野，再結(jié)合優(yōu)化理論、運(yùn)籌學(xué)等智能策略，將相關(guān)知識能力應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

4)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

本模塊更強(qiáng)調(diào)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，如游戲軟件等；比如：“Flappy Bird”游戲，就用到了圖像識別算法等專業(yè)知識，學(xué)生編制軟件后感覺收獲很大，也給教師很多啟發(fā)。

2　探究性實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)踐及案例

本實(shí)驗(yàn)平臺經(jīng)過設(shè)計(jì)規(guī)劃后已經(jīng)進(jìn)行了多年的教學(xué)實(shí)踐。

2.1　探究性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

本探究性實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括平時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。

平時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)一方面是為了讓學(xué)生充分掌握Matlab/Simulink的編程及系統(tǒng)仿真基本技能，另外一方面是為了讓學(xué)生掌握控制理論某項(xiàng)內(nèi)容的編程實(shí)現(xiàn)，如PID控制器，模糊算法等的Matlab實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，便于學(xué)生理解和熟練掌握具體的編程及算法，為下一步的綜合實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。學(xué)生完成后上交書面或數(shù)字版作業(yè)報(bào)告，以供評閱。

綜合實(shí)驗(yàn)則是要求學(xué)生綜合應(yīng)用已經(jīng)學(xué)過的專業(yè)知識及編程技巧，提出創(chuàng)新性的改進(jìn)并自主完成實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)既可以是對原有算法的某些參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，也可以是將算法應(yīng)用到一個(gè)新的領(lǐng)域等。教師只提供實(shí)驗(yàn)要求和必要的指導(dǎo)性意見，同時(shí)為便于學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師給出供大家選擇的題目及自立題目的內(nèi)容范圍。經(jīng)過多年的實(shí)踐，我們已經(jīng)積累數(shù)量眾多的題目供學(xué)生選擇，并且根據(jù)當(dāng)前科學(xué)研究及教學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展不斷擴(kuò)充和調(diào)整實(shí)驗(yàn)選題，期望每個(gè)學(xué)生都能選到自己真正感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，使實(shí)踐教學(xué)達(dá)到最佳的效果。同時(shí)對于少數(shù)有需求的學(xué)生會(huì)提供相應(yīng)的參考文獻(xiàn)，并提供相關(guān)的指導(dǎo)。這些實(shí)驗(yàn)需要綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及融合、控制理論、運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)控制等多門課程的知識。對于質(zhì)量高的課程報(bào)告，鼓勵(lì)學(xué)生在課程報(bào)告的基礎(chǔ)上撰寫相關(guān)學(xué)術(shù)論文及專利等。

2.2　實(shí)施效果及部分案例

經(jīng)過幾年的實(shí)踐，本實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)獲得了初步的效果，年輕學(xué)生思想活躍、敢于嘗試，在自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)提出與眾不同的一些方案，學(xué)生們也從中感受到極大的學(xué)習(xí)興趣，而教師通過整個(gè)過程也可以獲得不少啟發(fā)。以今年學(xué)生的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為例：

實(shí)驗(yàn)之一、網(wǎng)球拾取無人機(jī)—基于Matlab的最優(yōu)路徑規(guī)劃

主要通過Matlab的圖像處理功能以及目前較為流行的蟻群算法，對無人機(jī)撿球的路徑進(jìn)行規(guī)劃，從而提高無人機(jī)的運(yùn)作效率，使其與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用能更為緊密的結(jié)合。

該實(shí)驗(yàn)屬于第一模塊(基于控制策略的系統(tǒng)仿真部分)，有學(xué)生用蟻群算法來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

實(shí)驗(yàn)之二、用Matlab仿真股票投資

通過Matlab仿真，將相應(yīng)的股票投資策略代入近年來的股票走勢，來驗(yàn)證投資策略的收益情況，從而改進(jìn)和完善股票投資的策略。

圖1　網(wǎng)球拾取無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該實(shí)驗(yàn)屬于第三模塊(基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的決策方法部分)，有學(xué)生采用的股票數(shù)據(jù)，全部是近年來股市的真實(shí)走勢和行情，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以非常有說服力的驗(yàn)證股票投資方案是否可行，所模擬出的收益也是用具體的數(shù)字表現(xiàn)出的，因?yàn)檫@次實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容非常真實(shí)，非常貼近日常生活，所以探究的積極性非常高，收獲非常大。

實(shí)驗(yàn)之三、“打地鼠”游戲的Matlab實(shí)現(xiàn)

“打地鼠”是一個(gè)大家比較熟悉的有趣的小游戲，本實(shí)驗(yàn)通過Matlab來實(shí)現(xiàn)這個(gè)游戲的功能。主要通過Matlab的GUI設(shè)計(jì)模塊，并編寫相應(yīng)的M文件來實(shí)現(xiàn)。

該實(shí)驗(yàn)屬于第四模塊(在其它領(lǐng)域的應(yīng)用，如游戲軟件等)，某學(xué)生在軟件編制過程中，用到了圖像識別等相關(guān)知識。圖2、圖3為該實(shí)驗(yàn)的背景圖及流程圖。

圖2　游戲背景圖

3　結(jié)語

通過探究性實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，使“Matlab與系統(tǒng)仿真”課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到整合，使學(xué)生對課程及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生更大的興趣，對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)更加積極主動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期效果，下一步我們還會(huì)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)物仿真等方面根據(jù)需要作出及時(shí)調(diào)整。(林峰等文)

圖3　游戲過程流程圖

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