硬件在環仿真技術在汽車工程教學中的應用

鄭竹安+徐進+倪曉華+熊新

摘 要：硬件在環仿真技術不僅提出新觀點而且提供新的思想進課堂。此技術大大有助于訓練學生建構方法，研究，測試，尋求解決方案，有科研人員的頭腦并深入思考問題。然而，現階段傳統的教學方式存在不足，故硬件在環仿真實驗開始逐漸替代傳統的教學模式。本文利用硬件在環實例進行講解，從而體現出它的優勢。

關鍵詞：硬件在環；汽車工程；教學

目前虛擬仿真技術在實踐教學中的應用已成為趨勢，特別是硬件在環仿真的應用可以彌補實驗硬件條件的不足，尤其在高等教育大眾化背景下，到實際工廠企業實踐不足的難題，也是對卓越工程師培養實踐條件的有力支撐。汽車學院將結合車輛工程、汽車服務工程、能源動力工程的特點進行汽車及其零部件虛擬設計、加工、裝配、維修、營銷服務、發動機、汽車智能控制等進行硬件在環仿真、實踐內容、訓練方法等研究，以提高實踐教學的效果。

一、 硬件在環仿真系統簡介

硬件在環（HIL，hardware-in-the-loop）仿真，又稱半實物仿真，是將需要仿真的部分系統硬件直接放到仿真回路中的仿真系統，它不僅彌補了純數字仿真中的許多缺陷，提高了整個模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個優勢在于它實現了仿真模型和實際系統間的實時數據交互，使仿真結果的驗證過程非常直觀，大大縮短了產品開發周期。仿真時，電腦與實際硬件通過各種信息通道相連，電腦與實際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結果在電腦中進行分析，從而判斷硬件的運行情況。

二、 應用案例

本文以汽車制動系統為例，來講解硬件在環仿真技術在汽車工程教學中的應用。

研究制動系統之前，必須要了解掌握汽車的理論知識。學生要通過學得的知識來設定制動系統的控制策略。如果僅限于教師的傳統課題講授，學生難以完全掌握其中的要領，教學效果不佳。

此系統我們選擇制動系統液壓總成（HCU，High Care Unit）為實物，一般由增壓閥（常開閥）、減壓閥（常閉閥）、回液泵、儲能器組成。圖1為結構方案圖，將HCU與虛擬的數學仿真模型、快速原型系統（MICROAUTOBOX）進行連接通訊。而其中的數學模型是建立在汽車理論基礎之上，必須對汽車的數學模型有所了解。

在探索性問題提出環節中，可以選用任務驅動法，教師安排特定的任務，讓學生嘗試查找文獻資料，完成特定的任務。這里需要參與學生自行設計一套HCU的驅動系統，如圖2所示。這樣可以確保每一位學生都有參與，而且收獲頗多。

將以上所有的硬件、軟件等都連接通訊之后，即可以進行實時仿真，根據每個人的設定及編程都得出一些曲線數據，如圖3所示。最后，根據每個同學的仿真結果評定分數，并計入期末成績，這種教學模式可大大提高學生自主學習的積極性，提高教學效果。

三、 結束語

硬件在環仿真教學是建立在掌握高等教育專業理論知識基礎之上，與傳統教學模式相比，具有以下特點：

硬件在環仿真的實驗過程和實驗結果相對于傳統實車實驗更好；

利用硬件在環仿真的實驗相對于實車實驗基本不浪費時間或所花時間更短；

利用硬件在環仿真實驗的同學更專注于實驗過程，而不是過多地關注實驗儀器或者工具，所以他們的實驗結果更接近理論數據；

并不是所有的學生都可以進行實車試驗，諸如實驗設備及工具不足，課時有限，安全問題等阻礙了學生進行實驗，但硬件在環仿真只需要部分硬件、軟件和強大的計算機，學生就可以參與進來；

使用硬件在環仿真系統的同學認為，能讓他們重復實驗不太理解的內容，而且成本很低，基本不浪費材料，操作更安全。

參考文獻：

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[3]鄭竹安，呂紅明，朱龍英，徐進，熊新.本科生導師制在應用型高校車輛工程專業初探[J].考試周刊，2016（76）：163+27.

[4]鄭竹安.基于電動輪汽車的制動踏板行程模擬器及制動平順性研究[D].吉林大學，2013.

作者簡介：

鄭竹安，徐進，倪曉華，熊新，江蘇省鹽城市，鹽城工學院汽車工程學院。endprint