汽车理论教学中运用计算机仿真的优点

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本文作者：杨年炯 单位：广西工学院汽车系

1《汽车理论》课程教学内容及其教学方法

《汽车理论》课程的教学内容较多，涉及的范围较广，比如：汽车行驶条件和动力性分析计算、动力装置参数的选择方法及相关因素分析、汽车使用条件及使用性能指标的关系、汽车燃料经济性分析计算及提高汽车使用燃料经济性的途径和技术、汽车动力装置参数的选定、汽车的制动性能、汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性评价指标及影响因素分析等。其中涉及车辆系统的动力学分析，存在部分理论比较深奥，推导过程比较晦涩难懂，不够直观形象的现象。

《汽车理论》课程教学内容及其特点，决定了其适用的教学方法。对于基本概念、工作原理、以及一些结论性的知识点，无需推导，只需直接陈述讲明即可，此类教学内容可以采用多媒体中的文字、图表和动画等方法，既可达到直观明了的效果，又可提高教学效率。而对于受力分析、公式推导之类的教学内容，对推导过程的依赖性较高，宜采用传统的黑板板书教学方式[4]，引导学生一步步跟着教师的思路走，从而对推导结果知其然，还知其所以然。对于比较复杂、抽象的理论，除了利用黑板板书推导外，还可以应用计算机仿真技术将其形象化，提高学生的感性认识，从而使其获得更好的理性认识。另外，部分实验，由于实验设备条件以及实验成本的原因，只能做最基本的实验，不方便重复或者不方便微调参数后再做实验进行比较，通过应用计算机仿真技术则可以方便实现。

2教学中应用计算机仿真技术的优点

计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的响应及其随时间变化的过程，通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能，使系统性能和长期的动态特性能在极短的时间内，通过计算机得到全面的实现。

针对《汽车理论》教学中部分理论推导比较复杂，部分实验在通常的实验教学中难以实现的现实情况，在此，将计算机仿真技术融入到教学中，其有以下优点：

（1）成本低。实验设备通常比较昂贵，少则几万，多则几十万上百万。利用计算机，并装上仿真软件，可实现多门课程多个实验的仿真，可以使所有学生同时获得上机机会，可部分地减少实验经费支出。

（2）灵活性、直观性较强。通过仿真软件，可以建立多个不同仿真模型，可以通过调整模型的输入，或者改变仿真模型的参数值，比较仿真结果，从而分析影响系统特性的主要因素。仿真结果可以用图形或动画的方式展示，方便将复杂理论形象化，提升教学效果。

（3）安全性高。《汽车理论》教学中的部分实验，如制动性实验、操纵稳定性实验等，在实验的过程中有一定的危险性。学生在仿真软件下建立仿真模型，进行仿真，并对结果对比分析，不存在现场实验的危险性。

3实例分析

《汽车理论》的教学内容主要包括汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性等。以下以空气悬架性能分析为例，阐述计算机仿真技术在汽车平顺性教学中的应用。

悬架是汽车的重要组成部分,传递作用在车轮和车架或车身之间的一切力和力矩,缓和路面传给车架或车身的冲击载荷,对汽车行驶平顺性和操纵稳定性有重要的影响。

不同的悬架刚度、不同的控制策略会产生不同的控制效果。如果在实验中，现场装用不同刚度的悬架，并应用不同的控制策略，成本将会比较高，也比较耗时，不能保证在有限的实验课时内完成应做的实验。而采用计算机仿真，成本较低，甚至可以忽略不计，同时可以调节不同悬架刚度值，采用不同的控制策略，直接仿真得到不同的结果，并以图形的形式显示，方便对不同仿真结果的对比，加深学生的理解记忆，改善授课效果。

以下采用Matlab/simulink作为仿真工具，以某客车的1/4车辆模型为基础，采用PID控制算法调节空气弹簧的刚度,输出车身垂直加速度，考察其对汽车行驶平顺性的影响（除了车身垂直加速度外，还应考察悬架动挠度、轮胎动载荷等，本文为简明起见，只取车身垂直加速度值来分析说明），并与被动控制空气悬架下的车身垂直加速度输出对比，说明PID控制与被动控制对车身垂直加速度的不同影响，同时展示仿真技术在课堂教学的优势。其步骤如下：

（1）建立二自由度1/4车辆模型，如图1所示。

（2）建立路面激励模型。车轮受到的路面随机激励，可以用白噪声通过一阶滤波器来模拟，其时域数学模型可以用下式描述：q觶（t）+ανq（t）=w（t）（2）当车辆以50km/h的速度行驶在B级路面时,仿真得到路面垂直位移时域信号如图2所示。

（3）建立PID控制和被动控制仿真模型，并对仿真结果进行对比分析。

以上述（2）的路面激励作为输入，建立仿真模型，进行时域仿真分析。采用PID控制策略时，Kp，Ki，Kd三个参数对系统的控制效果起决定性作用。以经验公式做定性参考，选择不同的PID参数进行仿真，并与被动控制仿真进行对比。以车身垂直加速度为评价指标，仿真结果如图3所示。上述两种不同的控制策略，产生了不同的控制效果。PID控制空气悬架和被动控制空气悬架相比，在B级路面情况下，垂直加速度均方根值降低18%。这两种控制策略，在实际操作中，难以在短时间内完成，而使用计算机仿真技术，却可以在课堂教学上充分地展示，既节省了时间，提高了课堂教学容量，又方便学生对所学知识的直观理解。

4结束语

将计算机仿真技术应用于《汽车理论》教学活动中，其优势在于：

其一，调节系统的参数值，可以得到不同的系统响应，能比较直观地反映系统参数对系统响应的影响。在教学中，能以简明、形象的手段，加深学生对深奥、复杂理论的理解。

其二，在仿真过程中，调节系统的参数值，可以比较容易而省时地做到。而在实际的实验中，要改变系统的参数值，有时意味着重新安装零部件或者改变结构，比较耗时，甚至难以实现。因此仿真技术的应用，在相等的时间内，增加了课堂授课内容的容量。

当然，计算机仿真技术也存在不足之处，比如，有时仿真结果过于理想化。在理想的系统中，可以得到完美的仿真结果，但是，实际系统与仿真模型是有差别的，实际的系统输入与仿真输入也是有差异的，因此，实际的系统输出（响应）往往与仿真结果有差别，有时差别还很大，这是将计算机仿真技术应用于教学活动时应注意之处。上述的计算机仿真技术的不足，也正好说明其能很好地适用于课堂教学中。因为在理论推导中，往往忽略各个具体系统的差异，将系统抽象简化为一个具有共性的理想化系统，得到普遍性的结论。因此，可以用仿真技术很好地再现理论推导的结果。