基于萬(wàn)物互聯(lián)的車輛工程專業(yè)自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革

摘 要 為增強(qiáng)自動(dòng)控制原理課程與車輛工程本科生的適配度，結(jié)合當(dāng)前汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展趨勢(shì)，深入挖掘各知識(shí)點(diǎn)與無(wú)人駕駛汽車的契合點(diǎn)，切實(shí)保障課堂教學(xué)案例的優(yōu)化融合與創(chuàng)新實(shí)踐，并設(shè)計(jì)理論學(xué)習(xí)、上機(jī)仿真和實(shí)車測(cè)試多維課程考核機(jī)制全面考核學(xué)生的綜合能力，構(gòu)建具有車輛工程專業(yè)特色的高效教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞 車輛工程；自動(dòng)控制原理；萬(wàn)物互聯(lián)；無(wú)人駕駛汽車

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）20-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.094

0 引言

自動(dòng)控制原理是電氣自動(dòng)化、機(jī)械工程、智能電網(wǎng)信息工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，通過(guò)學(xué)習(xí)本課程可以使學(xué)生系統(tǒng)地掌握自動(dòng)控制的基本理論與控制系統(tǒng)的基本分析、校正和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S和數(shù)學(xué)邏輯思維能力，提升其創(chuàng)新能力[1]。車輛工程作為隸屬于機(jī)械工程的二級(jí)學(xué)科，與機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域深度交叉融合，旨在培養(yǎng)汽車設(shè)計(jì)、制造、控制、試驗(yàn)等方面的高級(jí)人才[2]，其中車輛智能控制問(wèn)題著重要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。因此，如何給車輛工程專業(yè)學(xué)生講好自動(dòng)控制原理是值得相關(guān)高校教師深入探討的重要問(wèn)題。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多高校存在讓機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化或電氣工程專業(yè)的教師給車輛工程專業(yè)學(xué)生講授自動(dòng)控制原理的情況，課堂的工程案例也大多屬于加工機(jī)床、電器設(shè)備、功能器械領(lǐng)域。這就導(dǎo)致該課程與汽車的結(jié)合度不高，學(xué)生的專業(yè)歸屬感和學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)，學(xué)生對(duì)于車輛工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題認(rèn)識(shí)不深，相應(yīng)的車輛控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析能力嚴(yán)重欠缺。

為滿足新工科培養(yǎng)要求和車輛工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容不僅要與汽車實(shí)體緊密結(jié)合，而且要主動(dòng)融合汽車行業(yè)的前瞻技術(shù)[3-5]，引導(dǎo)學(xué)生能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析車輛工程領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題，選擇使用恰當(dāng)?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟件，對(duì)車輛工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。

1 萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)與汽車結(jié)合的產(chǎn)物：無(wú)人

駕駛汽車

隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)的數(shù)字化時(shí)代已悄然開(kāi)啟，人們的生活中也充滿了各種智能化、便捷化、自動(dòng)化的商品，如智能停車場(chǎng)、智能醫(yī)療系統(tǒng)、智能家居設(shè)備等。汽車作為主要交通工具，也同樣朝著智能化的方向發(fā)展，借助人－車－路－云平臺(tái)間的全方位連接和高效信息交互，加速車輛智能化網(wǎng)聯(lián)化，推動(dòng)無(wú)人駕駛汽車的應(yīng)用發(fā)展。

無(wú)人駕駛汽車指自身?yè)碛协h(huán)境感知、路徑規(guī)劃功能且自主實(shí)現(xiàn)控制的汽車[6]，通過(guò)其搭載的激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器與GPS定位系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集道路信息，然后借助人工智能技術(shù)和復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)車道保持、避障、路徑規(guī)劃等功能[7]。此外，基于車用無(wú)線通信平臺(tái)（V2X）實(shí)時(shí)分享交通道路信息，從而靈活安全地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜交通狀況，提高道路通行率，降低能源浪費(fèi)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

2 教學(xué)內(nèi)容與無(wú)人駕駛汽車的融合實(shí)踐

結(jié)合車輛工程專業(yè)特點(diǎn)和自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容，在教學(xué)過(guò)程中合理穿插汽車前沿技術(shù)——無(wú)人駕駛汽車的案例，不僅能豐富課堂內(nèi)容，而且能開(kāi)闊學(xué)生眼界，切實(shí)落實(shí)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

在講解自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念時(shí)，以日常生活中駕駛員駕駛傳統(tǒng)車輛為切入案例，如圖1所示。駕駛員通過(guò)眼睛、耳朵等感官觀察車輛行駛環(huán)境，結(jié)合車載傳感器反饋的實(shí)際車速等信息，通過(guò)大腦判斷車輛當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的偏差，生成行駛指令，最后由手、腳控制方向盤(pán)與油門(mén)/制動(dòng)踏板，驅(qū)動(dòng)整車向前行駛。

而無(wú)人駕駛汽車則不需要駕駛員時(shí)刻操作，如圖2所示，只需要行駛前輸入目的地等行駛指令，車載導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位車輛位置，攝像頭實(shí)時(shí)拍攝獲取車身周圍道路、車輛、行人等信息，傳感器則實(shí)時(shí)采集當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)信息，上述信息經(jīng)過(guò)收集匯總發(fā)送至駕駛控制系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前采集的車輛狀態(tài)信息與目標(biāo)指令的偏差，駕駛控制系統(tǒng)按照預(yù)定的控制算法推導(dǎo)求解下一時(shí)刻方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等，并執(zhí)行控制方向盤(pán)與油門(mén)/制動(dòng)踏板至目標(biāo)位置。這說(shuō)明無(wú)人駕駛汽車就是一類典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，汽車在無(wú)人直接操作的前提下，通過(guò)駕駛控制器自動(dòng)地控制整車向前行駛。

在講解控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，以無(wú)人駕駛汽車路徑跟蹤的七自由度整車動(dòng)力學(xué)模型為例，分別列寫(xiě)車輛縱向、橫向和橫擺三個(gè)方向的動(dòng)力學(xué)方程，并利用拉氏變換求解對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)。在講述控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法時(shí)，以無(wú)人駕駛混合動(dòng)力汽車的模式切換時(shí)域響應(yīng)為例，說(shuō)明模式切換性能指標(biāo)，即穩(wěn)定性、平順性、快速性、動(dòng)力性，并通過(guò)Matlab仿真曲線介紹切換不穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致的實(shí)際車速震蕩情況。此外，強(qiáng)調(diào)模式切換平順性與快速性之間存在的矛盾以說(shuō)明系統(tǒng)性能間的聯(lián)系與制約，模式切換時(shí)間過(guò)快易導(dǎo)致切換沖擊度過(guò)大，而切換時(shí)間太慢雖有利于降低沖擊，但延長(zhǎng)了離合器滑摩時(shí)間，增大了離合器滑摩損耗，降低了其使用壽命。在講述控制系統(tǒng)的頻域分析章節(jié)時(shí)，以無(wú)人駕駛汽車的1/4混合電磁懸架系統(tǒng)為例，如圖3所示，介紹車身加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)，基于Matlab仿真平臺(tái)向?qū)W生展示懸架的車身加速度對(duì)于路面速度輸入的幅頻特性，引導(dǎo)學(xué)生直觀感受頻域角度下系統(tǒng)的性能呈現(xiàn)。

由圖3可以看出，路面干擾對(duì)車身加速度的影響主要集中在兩個(gè)峰點(diǎn)處。這兩個(gè)峰值的存在就是由于懸架的無(wú)阻尼振蕩的自振頻率。即車身的固有頻率（一般為1 Hz左右），在該點(diǎn)附近有第一個(gè)峰值，車輪的固有頻率（一般為10 Hz左右），在該點(diǎn)出現(xiàn)第二個(gè)峰值。即使采用作動(dòng)器主動(dòng)控制，這個(gè)頻率點(diǎn)的峰值也不會(huì)消失，這也揭示了不可能無(wú)限地提高乘坐舒適性。顯然，混合電磁懸架的控制器設(shè)計(jì)需著重考慮在低頻段的車身干擾和高頻段的車輪抑制，尤其是車身和車輪固有頻率處的抑制性能。

在講解控制系統(tǒng)的校正內(nèi)容時(shí)，結(jié)合無(wú)人駕駛汽車的路徑規(guī)劃控制器設(shè)計(jì)邏輯，即通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境交通感知反饋來(lái)校正更新下一時(shí)刻的最優(yōu)路徑，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)行駛路徑的迭代優(yōu)化。至于非線性系統(tǒng)分析與離散控制系統(tǒng)方面，則可借助無(wú)人駕駛汽車的輪胎非線性與多品類傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)來(lái)舉例說(shuō)明。

3 多維課程考核機(jī)制與閉環(huán)反饋教學(xué)體系

建立

作為工科類專業(yè)課程，自動(dòng)控制原理整個(gè)教學(xué)過(guò)程合理與否決定了學(xué)生學(xué)習(xí)效果的好壞，與之對(duì)應(yīng)的考核應(yīng)該在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中得到體現(xiàn)，不僅需要考核學(xué)生的理論知識(shí)，更要通過(guò)實(shí)踐測(cè)試來(lái)鍛煉其操作能力并加深其對(duì)系統(tǒng)原理的理解，從而達(dá)到理論學(xué)習(xí)與課外實(shí)踐高效結(jié)合的教學(xué)目的。根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求，課程總體考核應(yīng)從知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面全方位評(píng)價(jià)。自動(dòng)控制原理課程是由理論知識(shí)和MATLAB分析應(yīng)用構(gòu)成，考慮到車輛工程的專業(yè)特點(diǎn)，其成績(jī)構(gòu)成如表1所示：總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（20%）+試驗(yàn)測(cè)試（20%）+期末考試（60%）。平時(shí)成績(jī)主要指課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)的完成情況；試驗(yàn)測(cè)試由上機(jī)仿真和實(shí)車測(cè)試構(gòu)成，將課堂教學(xué)所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐操作中，考核試驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生的表現(xiàn)及后續(xù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)；期末考試則重點(diǎn)考核傳遞函數(shù)推導(dǎo)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)求解、根軌跡繪制等難點(diǎn)內(nèi)容。

上機(jī)試驗(yàn)以MATLAB軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合程序代碼講述根軌跡和奈奎斯特曲線的繪制方法，使學(xué)生掌握高階復(fù)雜控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)繪制技術(shù)，同時(shí)在日常根軌跡繪制結(jié)束后可借助計(jì)算機(jī)繪圖來(lái)對(duì)比驗(yàn)證其正確性。此外，以車輛工程實(shí)驗(yàn)室配套的無(wú)人駕駛汽車為對(duì)象，開(kāi)展基于PID的無(wú)人駕駛車輛緊急制動(dòng)實(shí)車測(cè)試，通過(guò)計(jì)算車輛當(dāng)前k時(shí)刻車速與目標(biāo)車速的偏差值ev（k），按照下式所示的PID控制邏輯推導(dǎo)制動(dòng)力，并由伺服電機(jī)執(zhí)行制動(dòng)決策。在試驗(yàn)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生理解緊急制動(dòng)的基礎(chǔ)原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生利用自動(dòng)控制原理解決車輛工程專業(yè)汽車控制問(wèn)題的實(shí)際操作能力，并要求學(xué)生在試驗(yàn)結(jié)束后撰寫(xiě)上機(jī)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，從而回顧并鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

式中，F(xiàn)br（k）為k時(shí)刻的制動(dòng)力，kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，ki為積分系數(shù)，ev（k-1）為上一時(shí)刻的車速誤差。

該課程考核改革是在傳統(tǒng)教學(xué)模式下對(duì)現(xiàn)行課程考核方式進(jìn)行的一次嘗試。通過(guò)改革，不但使學(xué)生能夠了解本課程所涉及的主要內(nèi)容和主要思想，而且能夠更好地運(yùn)用已有知識(shí)來(lái)解決本專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題。該考核方案能夠充分考核學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和實(shí)際水平，也能更好地對(duì)不同層次、不同水平的學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而進(jìn)一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。課程結(jié)束后，采用調(diào)查問(wèn)卷的形式統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)于這門(mén)課程的反饋意見(jiàn)，分別從課程難易度、滿意度、專業(yè)契合度、吸收新知識(shí)、教學(xué)意見(jiàn)等方面了解學(xué)生對(duì)于課程教學(xué)安排的接受度和滿意度，結(jié)合學(xué)生的意見(jiàn)調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，豐富教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)方案。同時(shí)與有經(jīng)驗(yàn)的老教師積極溝通交流，認(rèn)真聽(tīng)取建議并進(jìn)行反思修改，從而構(gòu)建科學(xué)高效的“教學(xué)改革－實(shí)踐運(yùn)行－反饋統(tǒng)計(jì)－反思校正”的閉環(huán)反饋教學(xué)體系。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)控制原理理論深?yuàn)W、抽象，在教學(xué)過(guò)程中充分挖掘控制原理與汽車行業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合國(guó)家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向以及行業(yè)內(nèi)部需求，針對(duì)每一章深刻挖掘融合無(wú)人駕駛汽車的案例，將車輛工程專業(yè)前沿技術(shù)在講授知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中潛移默化地灌輸給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)課程與專業(yè)的緊密結(jié)合和融會(huì)貫通。

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作者簡(jiǎn)介：汪佳佳，通信作者，博士，講師；李紅，副教授。