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

程準(zhǔn)

摘 要：傳統(tǒng)的《汽車(chē)?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(duì)汽車(chē)實(shí)體、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、測(cè)量信號(hào)等直接感知的情況下相關(guān)知識(shí)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(chē)?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(chē)的制動(dòng)性為例進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)Matlab調(diào)節(jié)汽車(chē)參數(shù)及觀測(cè)信號(hào)，通過(guò)Carsim觀察汽車(chē)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(chē)?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(chē)?yán)碚摗分饕婕芭c汽車(chē)動(dòng)力學(xué)有關(guān)的汽車(chē)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(guò)性）[1]，是車(chē)輛相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程。其各章節(jié)的知識(shí)內(nèi)容包含了一定數(shù)量的動(dòng)力學(xué)方程，知識(shí)點(diǎn)表征時(shí)多借助簡(jiǎn)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(duì)純粹的理論公式、數(shù)據(jù)圖表、受力簡(jiǎn)圖和文字分析難以提高對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用程度。在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的背景下《汽車(chē)?yán)碚摗肥擒?chē)輛相關(guān)專(zhuān)業(yè)“畢業(yè)要求”的關(guān)鍵課程支撐[2]。這使得《汽車(chē)?yán)碚摗氛n程有了更高的目標(biāo)[3]，例如學(xué)生通過(guò)對(duì)這門(mén)課程需掌握車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并將相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)問(wèn)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(chē)輛工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題;學(xué)生能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)ㄟ^(guò)信息綜合解決復(fù)雜工程問(wèn)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(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(chē)?yán)碚摗罚ㄖ饕榻B了汽車(chē)的制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和平順性）教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]描述了3種類(lèi)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(duì)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(guò)程。各類(lèi)軟件皆具有自身特點(diǎn)。本文以《汽車(chē)?yán)碚摗氛n程中的核心章節(jié)“汽車(chē)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(tái)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(chǎng)的汽車(chē)行駛動(dòng)畫(huà)，并且軟件內(nèi)置了大量的車(chē)輛相關(guān)模型以便于搭建不同的教學(xué)用仿真平臺(tái)。但是，調(diào)節(jié)修改參數(shù)、更換任務(wù)工況、調(diào)用測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)等對(duì)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(chē)和工況相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)以及測(cè)量信號(hào)的觀測(cè)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(duì)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(shí)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(chē)的制動(dòng)性為例，Matlab和Carsim聯(lián)合仿真的教學(xué)平臺(tái)示意圖見(jiàn)圖1。

在教學(xué)過(guò)程中融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)直觀性的動(dòng)畫(huà)演示并同步配合測(cè)量信號(hào)的變化使學(xué)生多方面、深層次地掌握專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)、理解作用原理、分析與評(píng)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(chē)行為與現(xiàn)象的觀察

以汽車(chē)的制動(dòng)性為例，常借助于課本教材并通過(guò)講解制動(dòng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)概念、推導(dǎo)制動(dòng)性能評(píng)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(jiǎn)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(zhuān)業(yè)知識(shí)。學(xué)生由于缺少對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)時(shí)整車(chē)行為和狀態(tài)的直接性感知而可能造成教學(xué)過(guò)程枯燥單調(diào)、知識(shí)理解相對(duì)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(chē)制動(dòng)時(shí)整車(chē)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(duì)觀測(cè)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(shí)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(duì)開(kāi)路面制動(dòng)（后輪抱死）情況下某汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)見(jiàn)圖2（圖中箭頭左側(cè)為制動(dòng)開(kāi)始狀態(tài)，右側(cè)為制動(dòng)結(jié)束狀態(tài)）。學(xué)生通過(guò)觀察進(jìn)而直接感知汽車(chē)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(shí)點(diǎn)（對(duì)于本例，相關(guān)知識(shí)包括有：前輪抱死和后輪抱死對(duì)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(chē)?yán)碚摗返慕虒W(xué)過(guò)程中，分析并探討各類(lèi)因素對(duì)汽車(chē)使用性能的影響是教學(xué)的重難點(diǎn)。課堂教學(xué)過(guò)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(chē)使用性能的相關(guān)因素種類(lèi)、造成影響的機(jī)理、影響程度及影響關(guān)系等。在教學(xué)過(guò)程中融入Matlab和Carsim聯(lián)合仿真，基于控制變量法通過(guò)Matlab軟件修改待探討的因素取值，在學(xué)生直接感知汽車(chē)行為與現(xiàn)象后，于Matlab軟件中通過(guò)示波器顯示關(guān)鍵觀測(cè)信號(hào)進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析并探討各類(lèi)因素的變化對(duì)汽車(chē)使用性能產(chǎn)生的影響。學(xué)生在接受知識(shí)的過(guò)程中有相對(duì)強(qiáng)烈的代入感和參與感。并且借助于對(duì)示波器中顯示信號(hào)的觀測(cè)，學(xué)生能夠更為全面、更有層次地思考和理解評(píng)價(jià)指標(biāo)的概念與現(xiàn)實(shí)意義、各類(lèi)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(chē)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(chē)輪的制動(dòng)執(zhí)行器工作壓力、簡(jiǎn)易ABS控制器中滑移率的邏輯門(mén)限值，其知識(shí)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(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能的影響等，示波器中觀測(cè)信號(hào)的類(lèi)型有4個(gè)車(chē)輪的線速度、汽車(chē)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(chē)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(jiàn)圖3（不同顏色的車(chē)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(duì)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(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)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(guò)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(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)。寓教于樂(lè)，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(cè)汽車(chē)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)和測(cè)量信號(hào)。簡(jiǎn)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(duì)車(chē)輛工程問(wèn)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(kāi)發(fā)，探究更多、更優(yōu)異的解決車(chē)輛工程問(wèn)題或改進(jìn)汽車(chē)使用性能的方案。

在考核評(píng)價(jià)階段，平時(shí)成績(jī)的評(píng)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(jī)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(chē)的制動(dòng)性為例）可分為如下步驟：任務(wù)書(shū)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(cè)試（學(xué)生根據(jù)任務(wù)書(shū)要求完成程序設(shè)置，并進(jìn)行規(guī)定要求的車(chē)輛制動(dòng)性能仿真測(cè)試，并將規(guī)定觀測(cè)信號(hào)的時(shí)間歷程曲線以及仿真動(dòng)畫(huà)截圖至練習(xí)報(bào)告中）、制動(dòng)性能分析（學(xué)生根據(jù)對(duì)仿真后測(cè)量信號(hào)以及制動(dòng)過(guò)程動(dòng)畫(huà)的觀察，分析練習(xí)用車(chē)輛的制動(dòng)性能，并撰寫(xiě)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(shū)本所學(xué)知識(shí)以及課堂講解內(nèi)容，配合汽車(chē)制動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，學(xué)生可提出任意的改進(jìn)練習(xí)用車(chē)輛的措施，例如汽車(chē)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(jiàn)圖4。

6 總結(jié)

在《汽車(chē)?yán)碚摗氛n程教學(xué)過(guò)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(chē)行為和相關(guān)現(xiàn)象，結(jié)合Carsim的動(dòng)畫(huà)演示與Matlab的數(shù)據(jù)觀測(cè)便于學(xué)生分析和理解各類(lèi)因素的影響關(guān)系?；贛atlab（設(shè)置和調(diào)節(jié)各類(lèi)參數(shù)、建立控制系統(tǒng)、調(diào)用讀取測(cè)量信號(hào)）和Carsim（提供各類(lèi)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生. 汽車(chē)?yán)碚摚ǖ?版）[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2]魏建偉，陳曉平，鄭軍. 專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下專(zhuān)業(yè)課程理論課堂教學(xué)改革初探—以車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)“汽車(chē)?yán)碚摗闭n程為例[J]. 機(jī)械職業(yè)教育，2018，（05）：37-40.

[3]王雅慧. 基于工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的《汽車(chē)?yán)碚摗方虒W(xué)方法探究[J]. 汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018，（22）：279-280.

[4]張?jiān)庐? 芻議ADAMS軟件在汽車(chē)?yán)碚摻谈闹械膽?yīng)用[J]. 課程教育研究，2016，（15）：50-51.

[5]徐哲，路世青，陳瑩瑩，黃澤好. 計(jì)算機(jī)模擬在《汽車(chē)?yán)碚摗方虒W(xué)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（30）：205-206.

[6]劉曉昂，劉茜，張小俊. 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車(chē)?yán)碚撜n程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2020，（23）：52-53，67.