融入Matlab 和Carsim 聯合仿真的汽車理論教學方法探討

程準

南京林業大學 江蘇省南京市 210037

1 引言

《汽車理論》主要涉及與汽車動力學有關的汽車使用性能（主要包括動力性、燃油經濟性、制動性、操縱穩定性、平順性和通過性），是車輛相關專業的核心課程。其各章節的知識內容包含了一定數量的動力學方程，知識點表征時多借助簡圖進行受力分析并且文字性描述較多。傳統的教學方法以課堂講授為主并輔之以課后練習（主要采用習題的方式）。學生學習時面對純粹的理論公式、數據圖表、受力簡圖和文字分析難以提高對知識的理解和應用程度。在工程教育專業認證的背景下《汽車理論》是車輛相關專業“畢業要求”的關鍵課程支撐。這使得《汽車理論》課程有了更高的目標，例如學生通過對這門課程需掌握車輛工程專業知識，并將相關知識和數學模型方法用于車輛工程專業問題解決方案的比較與綜合；學生能基于相關科學原理和數學建模方法正確表達車輛工程領域的復雜工程問題；學生能夠對實驗結果進行分析和解釋，通過信息綜合解決復雜工程問題，并得到合理有效的結論等。

借助于仿真技術模擬再現汽車運動過程能夠顯著提升教學效果。文獻闡述了ADAMS 軟件在《汽車理論》（主要介紹了汽車的制動性、操縱穩定性和平順性）教學過程中的應用。文獻描述了3 種類型的計算機模擬教學方法（分別為ADAMS 軟件、Carsim 軟件和Matlab軟件），并且指出對于本科階段的學生而言學習軟件是較為吃力的。文獻主要以動力性和燃油經濟性為例將Cruise 軟件應用于教學過程。各類軟件皆具有自身特點。本文以《汽車理論》課程中的核心章節“汽車的制動性”為例進行融入Matlab 和Carsim 聯合仿真的教學方法探討。

2 聯合仿真的教學平臺搭建

Carsim 軟件相較于其它仿真軟件能夠提供接近真實現場的汽車行駛動畫，并且軟件內置了大量的車輛相關模型以便于搭建不同的教學用仿真平臺。但是，調節修改參數、更換任務工況、調用測量信號數據等對軟件操作具有一定程度的要求。這一方面增加了學生學習的負擔，另一方面消耗了有限的課時。將汽車和工況相關參數的調節以及測量信號的觀測和讀取皆依托于Matlab 軟件能夠降低軟件的操作要求。借助于封裝技術將Matlab 和Carsim的聯合仿真模型打包，僅在Matlab 軟件的界面中留有人機操作的接口。這在很大程度上降低了學生對于軟件學習的要求，也便于課后任務的發放，讓學生利用課外時間進行自主探究。此外，聯合Matlab軟件能夠引入控制系統以適應新四化背景下學生知識的學習、工程能力的培養以及綜合素質的提升。以汽車的制動性為例，Matlab 和Carsim 聯合仿真的教學平臺示意圖見圖1。

圖1 Matlab 和Carsim 聯合仿真的教學平臺示意圖

在教學過程中融入Matlab 和Carsim聯合仿真教學平臺，通過直觀性的動畫演示并同步配合測量信號的變化使學生多方面、深層次地掌握專業相關知識、理解作用原理、分析與評估使用性能、自主探究因素影響關系。直接感知、實際訓練和自主探究方法的綜合運用助力于課堂氣氛的調節和學生學習興趣的調動。

3 汽車行為與現象的觀察

以汽車的制動性為例，常借助于課本教材并通過講解制動性評價指標概念、推導制動性能評價指標（制動距離、制動減速度）的數學表達式、結合圖文分析制動性能的影響因素、結合變化曲線描述制動力系數和側向力系數與滑移率的相互關系、結合動力學簡圖分析制動跑偏、側滑等現象的產生機理、講解防抱制動裝置（ABS系統）的工作原理及效果等方式傳授專業知識。學生由于缺少對于汽車制動時整車行為和狀態的直接性感知而可能造成教學過程枯燥單調、知識理解相對困難、重要機理和原理認知淺顯。

融入Matlab 和Carsim 聯合仿真，模擬再現了汽車制動時整車行為和狀態，學生能夠多角度直接觀察（Carsim 軟件中可便捷性對觀測視角進行調整）。這易于刺激學生思想，調動學生興趣，進一步提高學生接受知識的效率。例如，高附著系數路面制動（后輪抱死）、低附著系數路面制動（后輪抱死）、低附著系數路面制動（前輪抱死）以及對開路面制動（后輪抱死）情況下某汽車運行狀態的觀測見圖2（圖中箭頭左側為制動開始狀態，右側為制動結束狀態）。學生通過觀察進而直接感知汽車行為和已發生現象，再結合課本教材進一步思考并理解相關知識點（對于本例，相關知識包括有：前輪抱死和后輪抱死對方向穩定性的影響、跑偏與側滑現象及產生原理、制動力系數和側向力系數與滑移率的關系等）。

圖2 四種制動情況下某汽車運行狀態的觀測

4 影響因素的分析

在《汽車理論》的教學過程中，分析并探討各類因素對汽車使用性能的影響是教學的重難點。課堂教學過程中常采用結合圖表與數學關系表達式的講授方法，面向學生講解影響汽車使用性能的相關因素種類、造成影響的機理、影響程度及影響關系等。在教學過程中融入Matlab 和Carsim 聯合仿真，基于控制變量法通過Matlab 軟件修改待探討的因素取值，在學生直接感知汽車行為與現象后，于Matlab軟件中通過示波器顯示關鍵觀測信號進而引導學生分析并探討各類因素的變化對汽車使用性能產生的影響。學生在接受知識的過程中有相對強烈的代入感和參與感。并且借助于對示波器中顯示信號的觀測，學生能夠更為全面、更有層次地思考和理解評價指標的概念與現實意義、各類系統的工作原理和起作用的狀態、基于因素影響關系的應用性等。在潛移默化中提升了學生的工程能力和綜合素質。

以汽車制動性中ABS 系統的講解為例，本例教學設計中待分析的影響因素為ABS系統4 個車輪的制動執行器工作壓力、簡易ABS 控制器中滑移率的邏輯門限值，其知識點包括有制動力系數和側向力系數與滑移率的關系曲線、ABS 系統的基本工作原理、ABS 系統對汽車制動性能的影響等，示波器中觀測信號的類型有4 個車輪的線速度、汽車質心的縱向線速度、4 個制動執行器的工作壓力、汽車質心的橫向線速度。本例基于Carsim 軟件中內置的“abs_CS9.mdl”文件，課堂教學演示的示意圖見圖3（不同顏色的車為不同影響因素取值情況）。

圖3 ABS 系統課堂教學演示的示意圖

5 課后自主探究

課堂教學時間相對有限，若能調動學生興趣讓學生自發性分析和探索專業知識對提升學生工程能力和綜合素質有著較大助力。課后練習也是學生學習過程所需的一項重要環節。配合傳統的習題作業布置的方式，將Matlab 和Carsim 的聯合仿真程序發送給學生，并同時布置具體的仿真實驗任務，讓學生利用課后練習時間自主分析和探究專業相關知識。寓教于樂，正如前文所述發送給學生的聯合仿真程序為已封裝完成的文件，在Matlab 軟件的界面中留有人機操作的界面，在一般情況下學生僅需在已設計的界面中調節參數，即可方便地觀測汽車運行動畫和測量信號。簡化學生的操作環節，讓學生將更多的時間和精力投入至對車輛工程問題的思考、分析、探究和解決。此外，學生亦可以依托于聯合仿真程序進行再次的開發，探究更多、更優異的解決車輛工程問題或改進汽車使用性能的方案。

在考核評價階段，平時成績的評價可以綜合習題作業與課程報告（由聯合仿真實驗形成）為基本依據，再以學生自主額外探究的結果為加分參考依據。一方面學生的綜合成績構成多樣化，另一方面激勵學生提升個人工程能力和綜合素質。

基于Matlab 和Carsim 聯合仿真程序的課后練習（以汽車的制動性為例）可分為如下步驟：任務書下發（包含具體的參數設置，且每組或每位學生的參數設置有一定的區分性，讓學生能夠獨立探索完成屬于自己的練習任務）、基礎制動性能測試（學生根據任務書要求完成程序設置，并進行規定要求的車輛制動性能仿真測試，并將規定觀測信號的時間歷程曲線以及仿真動畫截圖至練習報告中）、制動性能分析（學生根據對仿真后測量信號以及制動過程動畫的觀察，分析練習用車輛的制動性能，并撰寫相應的結果與結論）、制動性能的改進措施探究（結合書本所學知識以及課堂講解內容，配合汽車制動性能的評價指標，學生可提出任意的改進練習用車輛的措施，例如汽車結構尺寸、引入ABS 系統、調節ABS 系統的相關參數、調節制動力分配等）、報告提交，見圖4。

圖4 課后練習的可行步驟

6 總結

在《汽車理論》課程教學過程中融入Matlab 和Carsim 聯合仿真能夠促成學生直接感知汽車行為和相關現象，結合Carsim 的動畫演示與Matlab 的數據觀測便于學生分析和理解各類因素的影響關系。基于Matlab（設置和調節各類參數、建立控制系統、調用讀取測量信號）和Carsim（提供各類基礎模型）的聯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，便于課后練習任務發放并且激勵學生自主探究。