汽車理論教學中運用計算機仿真的優點
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本文作者：楊年炯 單位：廣西工學院汽車系
1《汽車理論》課程教學內容及其教學方法
《汽車理論》課程的教學內容較多，涉及的范圍較廣，比如：汽車行駛條件和動力性分析計算、動力裝置參數的選擇方法及相關因素分析、汽車使用條件及使用性能指標的關系、汽車燃料經濟性分析計算及提高汽車使用燃料經濟性的途徑和技術、汽車動力裝置參數的選定、汽車的制動性能、汽車操縱穩定性、汽車行駛平順性評價指標及影響因素分析等。其中涉及車輛系統的動力學分析，存在部分理論比較深奧，推導過程比較晦澀難懂，不夠直觀形象的現象。
《汽車理論》課程教學內容及其特點，決定了其適用的教學方法。對于基本概念、工作原理、以及一些結論性的知識點，無需推導，只需直接陳述講明即可，此類教學內容可以采用多媒體中的文字、圖表和動畫等方法，既可達到直觀明了的效果，又可提高教學效率。而對于受力分析、公式推導之類的教學內容，對推導過程的依賴性較高，宜采用傳統的黑板板書教學方式[4]，引導學生一步步跟著教師的思路走，從而對推導結果知其然，還知其所以然。對于比較復雜、抽象的理論，除了利用黑板板書推導外，還可以應用計算機仿真技術將其形象化，提高學生的感性認識，從而使其獲得更好的理性認識。另外，部分實驗，由于實驗設備條件以及實驗成本的原因，只能做最基本的實驗，不方便重復或者不方便微調參數后再做實驗進行比較，通過應用計算機仿真技術則可以方便實現。
計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模仿實際系統的響應及其隨時間變化的過程，通過對仿真試驗過程的觀察和統計，得到被仿真系統的仿真輸出參數和基本特性，以此來估計和推斷實際系統的真實參數和真實性能，使系統性能和長期的動態特性能在極短的時間內，通過計算機得到全面的實現。
針對《汽車理論》教學中部分理論推導比較復雜，部分實驗在通常的實驗教學中難以實現的現實情況，在此，將計算機仿真技術融入到教學中，其有以下優點：
（1）成本低。實驗設備通常比較昂貴，少則幾萬，多則幾十萬上百萬。利用計算機，并裝上仿真軟件，可實現多門課程多個實驗的仿真，可以使所有學生同時獲得上機機會，可部分地減少實驗經費支出。
（2）靈活性、直觀性較強。通過仿真軟件，可以建立多個不同仿真模型，可以通過調整模型的輸入，或者改變仿真模型的參數值，比較仿真結果，從而分析影響系統特性的主要因素。仿真結果可以用圖形或動畫的方式展示，方便將復雜理論形象化，提升教學效果。
（3）安全性高。《汽車理論》教學中的部分實驗，如制動性實驗、操縱穩定性實驗等，在實驗的過程中有一定的危險性。學生在仿真軟件下建立仿真模型，進行仿真，并對結果對比分析，不存在現場實驗的危險性。
3實例分析
《汽車理論》的教學內容主要包括汽車的動力性、燃油經濟性、制動性、操縱穩定性、平順性等。以下以空氣懸架性能分析為例，闡述計算機仿真技術在汽車平順性教學中的應用。
懸架是汽車的重要組成部分,傳遞作用在車輪和車架或車身之間的一切力和力矩,緩和路面傳給車架或車身的沖擊載荷,對汽車行駛平順性和操縱穩定性有重要的影響。
不同的懸架剛度、不同的控制策略會產生不同的控制效果。如果在實驗中，現場裝用不同剛度的懸架，并應用不同的控制策略，成本將會比較高，也比較耗時，不能保證在有限的實驗課時內完成應做的實驗。而采用計算機仿真，成本較低，甚至可以忽略不計，同時可以調節不同懸架剛度值，采用不同的控制策略，直接仿真得到不同的結果，并以圖形的形式顯示，方便對不同仿真結果的對比，加深學生的理解記憶，改善授課效果。
以下采用Matlab/simulink作為仿真工具，以某客車的1/4車輛模型為基礎，采用PID控制算法調節空氣彈簧的剛度,輸出車身垂直加速度，考察其對汽車行駛平順性的影響（除了車身垂直加速度外，還應考察懸架動撓度、輪胎動載荷等，本文為簡明起見，只取車身垂直加速度值來分析說明），并與被動控制空氣懸架下的車身垂直加速度輸出對比，說明PID控制與被動控制對車身垂直加速度的不同影響，同時展示仿真技術在課堂教學的優勢。其步驟如下：
（1）建立二自由度1/4車輛模型，如圖1所示。
（2）建立路面激勵模型。車輪受到的路面隨機激勵，可以用白噪聲通過一階濾波器來模擬，其時域數學模型可以用下式描述：q觶（t）+ανq（t）=w（t）（2）當車輛以50km/h的速度行駛在B級路面時,仿真得到路面垂直位移時域信號如圖2所示。
（3）建立PID控制和被動控制仿真模型，并對仿真結果進行對比分析。
以上述（2）的路面激勵作為輸入，建立仿真模型，進行時域仿真分析。采用PID控制策略時，Kp，Ki，Kd三個參數對系統的控制效果起決定性作用。以經驗公式做定性參考，選擇不同的PID參數進行仿真，并與被動控制仿真進行對比。以車身垂直加速度為評價指標，仿真結果如圖3所示。上述兩種不同的控制策略，產生了不同的控制效果。PID控制空氣懸架和被動控制空氣懸架相比，在B級路面情況下，垂直加速度均方根值降低18%。這兩種控制策略，在實際操作中，難以在短時間內完成，而使用計算機仿真技術，卻可以在課堂教學上充分地展示，既節省了時間，提高了課堂教學容量，又方便學生對所學知識的直觀理解。
4結束語
將計算機仿真技術應用于《汽車理論》教學活動中，其優勢在于：
其一，調節系統的參數值，可以得到不同的系統響應，能比較直觀地反映系統參數對系統響應的影響。在教學中，能以簡明、形象的手段，加深學生對深奧、復雜理論的理解。
其二，在仿真過程中，調節系統的參數值，可以比較容易而省時地做到。而在實際的實驗中，要改變系統的參數值，有時意味著重新安裝零部件或者改變結構，比較耗時，甚至難以實現。因此仿真技術的應用，在相等的時間內，增加了課堂授課內容的容量。
當然，計算機仿真技術也存在不足之處，比如，有時仿真結果過于理想化。在理想的系統中，可以得到完美的仿真結果，但是，實際系統與仿真模型是有差別的，實際的系統輸入與仿真輸入也是有差異的，因此，實際的系統輸出（響應）往往與仿真結果有差別，有時差別還很大，這是將計算機仿真技術應用于教學活動時應注意之處。上述的計算機仿真技術的不足，也正好說明其能很好地適用于課堂教學中。因為在理論推導中，往往忽略各個具體系統的差異，將系統抽象簡化為一個具有共性的理想化系統，得到普遍性的結論。因此，可以用仿真技術很好地再現理論推導的結果。
