汽車(chē)?yán)碚摻虒W(xué)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)點(diǎn)

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本文作者：楊年炯 單位：廣西工學(xué)院汽車(chē)系

1《汽車(chē)理論》課程教學(xué)內(nèi)容及其教學(xué)方法

《汽車(chē)?yán)碚摗氛n程的教學(xué)內(nèi)容較多，涉及的范圍較廣，比如：汽車(chē)行駛條件和動(dòng)力性分析計(jì)算、動(dòng)力裝置參數(shù)的選擇方法及相關(guān)因素分析、汽車(chē)使用條件及使用性能指標(biāo)的關(guān)系、汽車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算及提高汽車(chē)使用燃料經(jīng)濟(jì)性的途徑和技術(shù)、汽車(chē)動(dòng)力裝置參數(shù)的選定、汽車(chē)的制動(dòng)性能、汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、汽車(chē)行駛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素分析等。其中涉及車(chē)輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，存在部分理論比較深?yuàn)W，推導(dǎo)過(guò)程比較晦澀難懂，不夠直觀形象的現(xiàn)象。

《汽車(chē)?yán)碚摗氛n程教學(xué)內(nèi)容及其特點(diǎn)，決定了其適用的教學(xué)方法。對(duì)于基本概念、工作原理、以及一些結(jié)論性的知識(shí)點(diǎn)，無(wú)需推導(dǎo)，只需直接陳述講明即可，此類(lèi)教學(xué)內(nèi)容可以采用多媒體中的文字、圖表和動(dòng)畫(huà)等方法，既可達(dá)到直觀明了的效果，又可提高教學(xué)效率。而對(duì)于受力分析、公式推導(dǎo)之類(lèi)的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)推導(dǎo)過(guò)程的依賴(lài)性較高，宜采用傳統(tǒng)的黑板板書(shū)教學(xué)方式[4]，引導(dǎo)學(xué)生一步步跟著教師的思路走，從而對(duì)推導(dǎo)結(jié)果知其然，還知其所以然。對(duì)于比較復(fù)雜、抽象的理論，除了利用黑板板書(shū)推導(dǎo)外，還可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將其形象化，提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而使其獲得更好的理性認(rèn)識(shí)。另外，部分實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件以及實(shí)驗(yàn)成本的原因，只能做最基本的實(shí)驗(yàn)，不方便重復(fù)或者不方便微調(diào)參數(shù)后再做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)則可以方便實(shí)現(xiàn)。

2教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

計(jì)算機(jī)仿真是在計(jì)算機(jī)上建立仿真模型，模仿實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)及其隨時(shí)間變化的過(guò)程，通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)過(guò)程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性，以此來(lái)估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能，使系統(tǒng)性能和長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)特性能在極短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)得到全面的實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)《汽車(chē)?yán)碚摗方虒W(xué)中部分理論推導(dǎo)比較復(fù)雜，部分實(shí)驗(yàn)在通常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)情況，在此，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)融入到教學(xué)中，其有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本低。實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常比較昂貴，少則幾萬(wàn)，多則幾十萬(wàn)上百萬(wàn)。利用計(jì)算機(jī)，并裝上仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)多門(mén)課程多個(gè)實(shí)驗(yàn)的仿真，可以使所有學(xué)生同時(shí)獲得上機(jī)機(jī)會(huì)，可部分地減少實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)支出。

（2）靈活性、直觀性較強(qiáng)。通過(guò)仿真軟件，可以建立多個(gè)不同仿真模型，可以通過(guò)調(diào)整模型的輸入，或者改變仿真模型的參數(shù)值，比較仿真結(jié)果，從而分析影響系統(tǒng)特性的主要因素。仿真結(jié)果可以用圖形或動(dòng)畫(huà)的方式展示，方便將復(fù)雜理論形象化，提升教學(xué)效果。

（3）安全性高。《汽車(chē)?yán)碚摗方虒W(xué)中的部分實(shí)驗(yàn)，如制動(dòng)性實(shí)驗(yàn)、操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)等，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中有一定的危險(xiǎn)性。學(xué)生在仿真軟件下建立仿真模型，進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果對(duì)比分析，不存在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

3實(shí)例分析

《汽車(chē)?yán)碚摗返慕虒W(xué)內(nèi)容主要包括汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性等。以下以空氣懸架性能分析為例，闡述計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車(chē)平順性教學(xué)中的應(yīng)用。

懸架是汽車(chē)的重要組成部分,傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架或車(chē)身之間的一切力和力矩,緩和路面?zhèn)鹘o車(chē)架或車(chē)身的沖擊載荷,對(duì)汽車(chē)行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有重要的影響。

不同的懸架剛度、不同的控制策略會(huì)產(chǎn)生不同的控制效果。如果在實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)裝用不同剛度的懸架，并應(yīng)用不同的控制策略，成本將會(huì)比較高，也比較耗時(shí)，不能保證在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)完成應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)。而采用計(jì)算機(jī)仿真，成本較低，甚至可以忽略不計(jì)，同時(shí)可以調(diào)節(jié)不同懸架剛度值，采用不同的控制策略，直接仿真得到不同的結(jié)果，并以圖形的形式顯示，方便對(duì)不同仿真結(jié)果的對(duì)比，加深學(xué)生的理解記憶，改善授課效果。

以下采用Matlab/simulink作為仿真工具，以某客車(chē)的1/4車(chē)輛模型為基礎(chǔ)，采用PID控制算法調(diào)節(jié)空氣彈簧的剛度,輸出車(chē)身垂直加速度，考察其對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響（除了車(chē)身垂直加速度外，還應(yīng)考察懸架動(dòng)撓度、輪胎動(dòng)載荷等，本文為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，只取車(chē)身垂直加速度值來(lái)分析說(shuō)明），并與被動(dòng)控制空氣懸架下的車(chē)身垂直加速度輸出對(duì)比，說(shuō)明PID控制與被動(dòng)控制對(duì)車(chē)身垂直加速度的不同影響，同時(shí)展示仿真技術(shù)在課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。其步驟如下：

（1）建立二自由度1/4車(chē)輛模型，如圖1所示。

（2）建立路面激勵(lì)模型。車(chē)輪受到的路面隨機(jī)激勵(lì)，可以用白噪聲通過(guò)一階濾波器來(lái)模擬，其時(shí)域數(shù)學(xué)模型可以用下式描述：q觶（t）+ανq（t）=w（t）（2）當(dāng)車(chē)輛以50km/h的速度行駛在B級(jí)路面時(shí),仿真得到路面垂直位移時(shí)域信號(hào)如圖2所示。

（3）建立PID控制和被動(dòng)控制仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

以上述（2）的路面激勵(lì)作為輸入，建立仿真模型，進(jìn)行時(shí)域仿真分析。采用PID控制策略時(shí)，Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的控制效果起決定性作用。以經(jīng)驗(yàn)公式做定性參考，選擇不同的PID參數(shù)進(jìn)行仿真，并與被動(dòng)控制仿真進(jìn)行對(duì)比。以車(chē)身垂直加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，仿真結(jié)果如圖3所示。上述兩種不同的控制策略，產(chǎn)生了不同的控制效果。PID控制空氣懸架和被動(dòng)控制空氣懸架相比，在B級(jí)路面情況下，垂直加速度均方根值降低18%。這兩種控制策略，在實(shí)際操作中，難以在短時(shí)間內(nèi)完成，而使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，卻可以在課堂教學(xué)上充分地展示，既節(jié)省了時(shí)間，提高了課堂教學(xué)容量，又方便學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的直觀理解。

4結(jié)束語(yǔ)

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于《汽車(chē)?yán)碚摗方虒W(xué)活動(dòng)中，其優(yōu)勢(shì)在于：

其一，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)值，可以得到不同的系統(tǒng)響應(yīng)，能比較直觀地反映系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。在教學(xué)中，能以簡(jiǎn)明、形象的手段，加深學(xué)生對(duì)深?yuàn)W、復(fù)雜理論的理解。

其二，在仿真過(guò)程中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)值，可以比較容易而省時(shí)地做到。而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，要改變系統(tǒng)的參數(shù)值，有時(shí)意味著重新安裝零部件或者改變結(jié)構(gòu)，比較耗時(shí)，甚至難以實(shí)現(xiàn)。因此仿真技術(shù)的應(yīng)用，在相等的時(shí)間內(nèi)，增加了課堂授課內(nèi)容的容量。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也存在不足之處，比如，有時(shí)仿真結(jié)果過(guò)于理想化。在理想的系統(tǒng)中，可以得到完美的仿真結(jié)果，但是，實(shí)際系統(tǒng)與仿真模型是有差別的，實(shí)際的系統(tǒng)輸入與仿真輸入也是有差異的，因此，實(shí)際的系統(tǒng)輸出（響應(yīng)）往往與仿真結(jié)果有差別，有時(shí)差別還很大，這是將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)時(shí)應(yīng)注意之處。上述的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不足，也正好說(shuō)明其能很好地適用于課堂教學(xué)中。因?yàn)樵诶碚撏茖?dǎo)中，往往忽略各個(gè)具體系統(tǒng)的差異，將系統(tǒng)抽象簡(jiǎn)化為一個(gè)具有共性的理想化系統(tǒng)，得到普遍性的結(jié)論。因此，可以用仿真技術(shù)很好地再現(xiàn)理論推導(dǎo)的結(jié)果。