融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真的汽車?yán)碚摻虒W(xué)方法探討

程準(zhǔn)

摘 要：傳統(tǒng)的《汽車?yán)碚摗氛n程教學(xué)方法以講授法為主，而課程具有一定的理論深度且重難點(diǎn)多，學(xué)生在缺乏對汽車實(shí)體、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、測量信號等直接感知的情況下相關(guān)知識和能力的增進(jìn)效果有限。本文圍繞融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真的《汽車?yán)碚摗氛n程新型教學(xué)方法進(jìn)行了分析和探討。以汽車的制動(dòng)性為例進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，通過Matlab調(diào)節(jié)汽車參數(shù)及觀測信號，通過Carsim觀察汽車運(yùn)行狀態(tài)，以直接感知、實(shí)際訓(xùn)練和自主探究等多方面出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生工程綜合能力。

關(guān)鍵詞：汽車?yán)碚?聯(lián)合仿真 教學(xué)方法 直接感知

Discussion on automobile theory teaching method combining Matlab and Carsim co-simulation

Cheng Zhun

Abstract：The method of lecture is a main traditional teaching method of "Automobile Theory". But the course has a certain theoretical depth and many difficulties. The improvement effect of relevant knowledge and ability of students is limited in the absence of direct perception of automobile entity， system dynamics state， measurement signal and so on. This paper analyzes and discusses the new teaching method of "Automobile Theory" course integrated with Matlab and Carsim co-simulation. The teaching design is carried out by taking the vehicle braking as an example. The parameters are adjusted and signals are observed of the vehicle by Matlab， and the running state of the vehicle is observed by Carsim. The comprehensive engineering ability of students is cultivated by direct perception， practical training， and independent inquiry.

Key words：Automobile theory; Co-simulation; Teaching method; Direct perception

1 引言

《汽車?yán)碚摗分饕婕芭c汽車動(dòng)力學(xué)有關(guān)的汽車使用性能（主要包括動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通過性）[1]，是車輛相關(guān)專業(yè)的核心課程。其各章節(jié)的知識內(nèi)容包含了一定數(shù)量的動(dòng)力學(xué)方程，知識點(diǎn)表征時(shí)多借助簡圖進(jìn)行受力分析并且文字性描述較多。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以課堂講授為主并輔之以課后練習(xí)（主要采用習(xí)題的方式）。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)面對純粹的理論公式、數(shù)據(jù)圖表、受力簡圖和文字分析難以提高對知識的理解和應(yīng)用程度。在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下《汽車?yán)碚摗肥擒囕v相關(guān)專業(yè)“畢業(yè)要求”的關(guān)鍵課程支撐[2]。這使得《汽車?yán)碚摗氛n程有了更高的目標(biāo)[3]，例如學(xué)生通過對這門課程需掌握車輛工程專業(yè)知識，并將相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于車輛工程專業(yè)問題解決方案的比較與綜合;學(xué)生能基于相關(guān)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)建模方法正確表達(dá)車輛工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題;學(xué)生能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，通過信息綜合解決復(fù)雜工程問題，并得到合理有效的結(jié)論等。

借助于仿真技術(shù)模擬再現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)過程能夠顯著提升教學(xué)效果。文獻(xiàn)[4]闡述了ADAMS軟件在《汽車?yán)碚摗罚ㄖ饕榻B了汽車的制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和平順性）教學(xué)過程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]描述了3種類型的計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)方法（分別為ADAMS軟件、Carsim軟件和Matlab軟件），并且指出對于本科階段的學(xué)生而言學(xué)習(xí)軟件是較為吃力的。文獻(xiàn)[6]主要以動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為例將Cruise軟件應(yīng)用于教學(xué)過程。各類軟件皆具有自身特點(diǎn)。本文以《汽車?yán)碚摗氛n程中的核心章節(jié)“汽車的制動(dòng)性”為例進(jìn)行融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真的教學(xué)方法探討。

2 聯(lián)合仿真的教學(xué)平臺搭建

Carsim軟件相較于其它仿真軟件能夠提供接近真實(shí)現(xiàn)場的汽車行駛動(dòng)畫，并且軟件內(nèi)置了大量的車輛相關(guān)模型以便于搭建不同的教學(xué)用仿真平臺。但是，調(diào)節(jié)修改參數(shù)、更換任務(wù)工況、調(diào)用測量信號數(shù)據(jù)等對軟件操作具有一定程度的要求。這一方面增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，另一方面消耗了有限的課時(shí)。將汽車和工況相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)以及測量信號的觀測和讀取皆依托于Matlab軟件能夠降低軟件的操作要求。借助于封裝技術(shù)將Matlab和Carsim的聯(lián)合仿真模型打包，僅在Matlab軟件的界面中留有人機(jī)操作的接口。這在很大程度上降低了學(xué)生對于軟件學(xué)習(xí)的要求，也便于課后任務(wù)的發(fā)放，讓學(xué)生利用課外時(shí)間進(jìn)行自主探究。此外，聯(lián)合Matlab軟件能夠引入控制系統(tǒng)以適應(yīng)新四化背景下學(xué)生知識的學(xué)習(xí)、工程能力的培養(yǎng)以及綜合素質(zhì)的提升。以汽車的制動(dòng)性為例，Matlab和Carsim聯(lián)合仿真的教學(xué)平臺示意圖見圖1。

在教學(xué)過程中融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真教學(xué)平臺，通過直觀性的動(dòng)畫演示并同步配合測量信號的變化使學(xué)生多方面、深層次地掌握專業(yè)相關(guān)知識、理解作用原理、分析與評估使用性能、自主探究因素影響關(guān)系。直接感知、實(shí)際訓(xùn)練和自主探究方法的綜合運(yùn)用助力于課堂氣氛的調(diào)節(jié)和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的調(diào)動(dòng)。

3 汽車行為與現(xiàn)象的觀察

以汽車的制動(dòng)性為例，常借助于課本教材并通過講解制動(dòng)性評價(jià)指標(biāo)概念、推導(dǎo)制動(dòng)性能評價(jià)指標(biāo)（制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度）的數(shù)學(xué)表達(dá)式、結(jié)合圖文分析制動(dòng)性能的影響因素、結(jié)合變化曲線描述制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與滑移率的相互關(guān)系、結(jié)合動(dòng)力學(xué)簡圖分析制動(dòng)跑偏、側(cè)滑等現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、講解防抱制動(dòng)裝置（ABS系統(tǒng)）的工作原理及效果等方式傳授專業(yè)知識。學(xué)生由于缺少對于汽車制動(dòng)時(shí)整車行為和狀態(tài)的直接性感知而可能造成教學(xué)過程枯燥單調(diào)、知識理解相對困難、重要機(jī)理和原理認(rèn)知淺顯。

融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真，模擬再現(xiàn)了汽車制動(dòng)時(shí)整車行為和狀態(tài)，學(xué)生能夠多角度直接觀察（Carsim軟件中可便捷性對觀測視角進(jìn)行調(diào)整）。這易于刺激學(xué)生思想，調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生接受知識的效率。例如，高附著系數(shù)路面制動(dòng)（后輪抱死）、低附著系數(shù)路面制動(dòng)（后輪抱死）、低附著系數(shù)路面制動(dòng)（前輪抱死）以及對開路面制動(dòng)（后輪抱死）情況下某汽車運(yùn)行狀態(tài)的觀測見圖2（圖中箭頭左側(cè)為制動(dòng)開始狀態(tài)，右側(cè)為制動(dòng)結(jié)束狀態(tài)）。學(xué)生通過觀察進(jìn)而直接感知汽車行為和已發(fā)生現(xiàn)象，再結(jié)合課本教材進(jìn)一步思考并理解相關(guān)知識點(diǎn)（對于本例，相關(guān)知識包括有：前輪抱死和后輪抱死對方向穩(wěn)定性的影響、跑偏與側(cè)滑現(xiàn)象及產(chǎn)生原理、制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與滑移率的關(guān)系等）。

4 影響因素的分析

在《汽車?yán)碚摗返慕虒W(xué)過程中，分析并探討各類因素對汽車使用性能的影響是教學(xué)的重難點(diǎn)。課堂教學(xué)過程中常采用結(jié)合圖表與數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式的講授方法，面向?qū)W生講解影響汽車使用性能的相關(guān)因素種類、造成影響的機(jī)理、影響程度及影響關(guān)系等。在教學(xué)過程中融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真，基于控制變量法通過Matlab軟件修改待探討的因素取值，在學(xué)生直接感知汽車行為與現(xiàn)象后，于Matlab軟件中通過示波器顯示關(guān)鍵觀測信號進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析并探討各類因素的變化對汽車使用性能產(chǎn)生的影響。學(xué)生在接受知識的過程中有相對強(qiáng)烈的代入感和參與感。并且借助于對示波器中顯示信號的觀測，學(xué)生能夠更為全面、更有層次地思考和理解評價(jià)指標(biāo)的概念與現(xiàn)實(shí)意義、各類系統(tǒng)的工作原理和起作用的狀態(tài)、基于因素影響關(guān)系的應(yīng)用性等。在潛移默化中提升了學(xué)生的工程能力和綜合素質(zhì)。

以汽車制動(dòng)性中ABS系統(tǒng)的講解為例，本例教學(xué)設(shè)計(jì)中待分析的影響因素為ABS系統(tǒng)4個(gè)車輪的制動(dòng)執(zhí)行器工作壓力、簡易ABS控制器中滑移率的邏輯門限值，其知識點(diǎn)包括有制動(dòng)力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線、ABS系統(tǒng)的基本工作原理、ABS系統(tǒng)對汽車制動(dòng)性能的影響等，示波器中觀測信號的類型有4個(gè)車輪的線速度、汽車質(zhì)心的縱向線速度、4個(gè)制動(dòng)執(zhí)行器的工作壓力、汽車質(zhì)心的橫向線速度。本例基于Carsim軟件中內(nèi)置的“abs_CS9.mdl”文件，課堂教學(xué)演示的示意圖見圖3（不同顏色的車為不同影響因素取值情況）。

5 課后自主探究

課堂教學(xué)時(shí)間相對有限，若能調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣讓學(xué)生自發(fā)性分析和探索專業(yè)知識對提升學(xué)生工程能力和綜合素質(zhì)有著較大助力。課后練習(xí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)過程所需的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。配合傳統(tǒng)的習(xí)題作業(yè)布置的方式，將Matlab和Carsim的聯(lián)合仿真程序發(fā)送給學(xué)生，并同時(shí)布置具體的仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生利用課后練習(xí)時(shí)間自主分析和探究專業(yè)相關(guān)知識。寓教于樂，正如前文所述發(fā)送給學(xué)生的聯(lián)合仿真程序?yàn)橐逊庋b完成的文件，在Matlab軟件的界面中留有人機(jī)操作的界面，在一般情況下學(xué)生僅需在已設(shè)計(jì)的界面中調(diào)節(jié)參數(shù)，即可方便地觀測汽車運(yùn)行動(dòng)畫和測量信號。簡化學(xué)生的操作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生將更多的時(shí)間和精力投入至對車輛工程問題的思考、分析、探究和解決。此外，學(xué)生亦可以依托于聯(lián)合仿真程序進(jìn)行再次的開發(fā)，探究更多、更優(yōu)異的解決車輛工程問題或改進(jìn)汽車使用性能的方案。

在考核評價(jià)階段，平時(shí)成績的評價(jià)可以綜合習(xí)題作業(yè)與課程報(bào)告（由聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)形成）為基本依據(jù)，再以學(xué)生自主額外探究的結(jié)果為加分參考依據(jù)。一方面學(xué)生的綜合成績構(gòu)成多樣化，另一方面激勵(lì)學(xué)生提升個(gè)人工程能力和綜合素質(zhì)。

基于Matlab和Carsim聯(lián)合仿真程序的課后練習(xí)（以汽車的制動(dòng)性為例）可分為如下步驟：任務(wù)書下發(fā)（包含具體的參數(shù)設(shè)置，且每組或每位學(xué)生的參數(shù)設(shè)置有一定的區(qū)分性，讓學(xué)生能夠獨(dú)立探索完成屬于自己的練習(xí)任務(wù)）、基礎(chǔ)制動(dòng)性能測試（學(xué)生根據(jù)任務(wù)書要求完成程序設(shè)置，并進(jìn)行規(guī)定要求的車輛制動(dòng)性能仿真測試，并將規(guī)定觀測信號的時(shí)間歷程曲線以及仿真動(dòng)畫截圖至練習(xí)報(bào)告中）、制動(dòng)性能分析（學(xué)生根據(jù)對仿真后測量信號以及制動(dòng)過程動(dòng)畫的觀察，分析練習(xí)用車輛的制動(dòng)性能，并撰寫相應(yīng)的結(jié)果與結(jié)論）、制動(dòng)性能的改進(jìn)措施探究（結(jié)合書本所學(xué)知識以及課堂講解內(nèi)容，配合汽車制動(dòng)性能的評價(jià)指標(biāo)，學(xué)生可提出任意的改進(jìn)練習(xí)用車輛的措施，例如汽車結(jié)構(gòu)尺寸、引入ABS系統(tǒng)、調(diào)節(jié)ABS系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)、調(diào)節(jié)制動(dòng)力分配等）、報(bào)告提交，見圖4。

6 總結(jié)

在《汽車?yán)碚摗氛n程教學(xué)過程中融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真能夠促成學(xué)生直接感知汽車行為和相關(guān)現(xiàn)象，結(jié)合Carsim的動(dòng)畫演示與Matlab的數(shù)據(jù)觀測便于學(xué)生分析和理解各類因素的影響關(guān)系。基于Matlab（設(shè)置和調(diào)節(jié)各類參數(shù)、建立控制系統(tǒng)、調(diào)用讀取測量信號）和Carsim（提供各類基礎(chǔ)模型）的聯(lián)合仿真在很大程度上降低了操作難度，有利于減少課堂耗時(shí)，便于課后練習(xí)任務(wù)發(fā)放并且激勵(lì)學(xué)生自主探究。

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