汽車(chē)理論教學(xué)中運用計算機仿真的優(yōu)點(diǎn)論文
1《汽車(chē)理論》課程教學(xué)內容及其教學(xué)方法
《汽車(chē)理論》課程的教學(xué)內容較多，涉及的范圍較廣，比如：汽車(chē)行駛條件和動(dòng)力性分析計算、動(dòng)力裝置參數的選擇方法及相關(guān)因素分析、汽車(chē)使用條件及使用性能指標的關(guān)系、汽車(chē)燃料經(jīng)濟性分析計算及提高汽車(chē)使用燃料經(jīng)濟性的途徑和技術(shù)、汽車(chē)動(dòng)力裝置參數的選定、汽車(chē)的制動(dòng)性能、汽車(chē)操縱穩定性、汽車(chē)行駛平順性評價(jià)指標及影響因素分析等。其中涉及車(chē)輛系統的動(dòng)力學(xué)分析，存在部分理論比較深奧，推導過(guò)程比較晦澀難懂，不夠直觀(guān)形象的現象。
《汽車(chē)理論》課程教學(xué)內容及其特點(diǎn)，決定了其適用的教學(xué)方法。對于基本概念、工作原理、以及一些結論性的知識點(diǎn)，無(wú)需推導，只需直接陳述講明即可，此類(lèi)教學(xué)內容可以采用多媒體中的文字、圖表和動(dòng)畫(huà)等方法，既可達到直觀(guān)明了的效果，又可提高教學(xué)效率。而對于受力分析、公式推導之類(lèi)的教學(xué)內容，對推導過(guò)程的依賴(lài)性較高，宜采用傳統的黑板板書(shū)教學(xué)方式[4]，引導學(xué)生一步步跟著(zhù)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(shū)推導外，還可以應用計算機仿真技術(shù)將其形象化，提高學(xué)生的感性認識，從而使其獲得更好的理性認識。另外，部分實(shí)驗，由于實(shí)驗設備條件以及實(shí)驗成本的原因，只能做最基本的實(shí)驗，不方便重復或者不方便微調參數后再做實(shí)驗進(jìn)行比較，通過(guò)應用計算機仿真技術(shù)則可以方便實(shí)現。
2教學(xué)中應用計算機仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模仿實(shí)際系統的響應及其隨時(shí)間變化的過(guò)程，通過(guò)對仿真試驗過(guò)程的觀(guān)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(lái)估計和推斷實(shí)際系統的真實(shí)參數和真實(shí)性能，使系統性能和長(cháng)期的動(dòng)態(tài)特性能在極短的時(shí)間內，通過(guò)計算機得到全面的實(shí)現。
針對《汽車(chē)理論》教學(xué)中部分理論推導比較復雜，部分實(shí)驗在通常的實(shí)驗教學(xué)中難以實(shí)現的現實(shí)情況，在此，將計算機仿真技術(shù)融入到教學(xué)中，其有以下優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）成本低。實(shí)驗設備通常比較昂貴，少則幾萬(wàn)，多則幾十萬(wàn)上百萬(wàn)。利用計算機，并裝上仿真軟件，可實(shí)現多門(mén)課程多個(gè)實(shí)驗的仿真，可以使所有學(xué)生同時(shí)獲得上機機會(huì )，可部分地減少實(shí)驗經(jīng)費支出。
�。�2）靈活性、直觀(guān)性較強。通過(guò)仿真軟件，可以建立多個(gè)不同仿真模型，可以通過(guò)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(dòng)畫(huà)的方式展示，方便將復雜理論形象化，提升教學(xué)效果。
�。�3）安全性高�！镀�(chē)理論》教學(xué)中的部分實(shí)驗，如制動(dòng)性實(shí)驗、操縱穩定性實(shí)驗等，在實(shí)驗的過(guò)程中有一定的危險性。學(xué)生在仿真軟件下建立仿真模型，進(jìn)行仿真，并對結果對比分析，不存在現場(chǎng)實(shí)驗的危險性。
3實(shí)例分析
《汽車(chē)理論》的教學(xué)內容主要包括汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性、制動(dòng)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(shù)在汽車(chē)平順性教學(xué)中的應用。
懸架是汽車(chē)的重要組成部分,傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架或車(chē)身之間的一切力和力矩,緩和路面傳給車(chē)架或車(chē)身的沖擊載荷,對汽車(chē)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(huì )產(chǎn)生不同的控制效果。如果在實(shí)驗中，現場(chǎng)裝用不同剛度的懸架，并應用不同的控制策略，成本將會(huì )比較高，也比較耗時(shí)，不能保證在有限的實(shí)驗課時(shí)內完成應做的實(shí)驗。而采用計算機仿真，成本較低，甚至可以忽略不計，同時(shí)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(xué)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(chē)的1/4車(chē)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(chē)身垂直加速度，考察其對汽車(chē)行駛平順性的影響（除了車(chē)身垂直加速度外，還應考察懸架動(dòng)撓度、輪胎動(dòng)載荷等，本文為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，只取車(chē)身垂直加速度值來(lái)分析說(shuō)明），并與被動(dòng)控制空氣懸架下的車(chē)身垂直加速度輸出對比，說(shuō)明PID控制與被動(dòng)控制對車(chē)身垂直加速度的不同影響，同時(shí)展示仿真技術(shù)在課堂教學(xué)的優(yōu)勢。其步驟如下：
�。�1）建立二自由度1/4車(chē)輛模型，如圖1所示。
�。�2）建立路面激勵模型。車(chē)輪受到的路面隨機激勵，可以用白噪聲通過(guò)一階濾波器來(lái)模擬，其時(shí)域數學(xué)模型可以用下式描述：q觶（t）+ανq（t）=w（t）（2）當車(chē)輛以50km/h的速度行駛在B級路面時(shí),仿真得到路面垂直位移時(shí)域信號如圖2所示。
�。�3）建立PID控制和被動(dòng)控制仿真模型，并對仿真結果進(jìn)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(jìn)行時(shí)域仿真分析。采用PID控制策略時(shí)，Kp，Ki，Kd三個(gè)參數對系統的控制效果起決定性作用。以經(jīng)驗公式做定性參考，選擇不同的PID參數進(jìn)行仿真，并與被動(dòng)控制仿真進(jìn)行對比。以車(chē)身垂直加速度為評價(jià)指標，仿真結果如圖3所示。上述兩種不同的控制策略，產(chǎn)生了不同的控制效果。PID控制空氣懸架和被動(dòng)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(shí)際操作中，難以在短時(shí)間內完成，而使用計算機仿真技術(shù)，卻可以在課堂教學(xué)上充分地展示，既節省了時(shí)間，提高了課堂教學(xué)容量，又方便學(xué)生對所學(xué)知識的直觀(guān)理解。
4結束語(yǔ)
將計算機仿真技術(shù)應用于《汽車(chē)理論》教學(xué)活動(dòng)中，其優(yōu)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(guān)地反映系統參數對系統響應的影響。在教學(xué)中，能以簡(jiǎn)明、形象的手段，加深學(xué)生對深奧、復雜理論的理解。
其二，在仿真過(guò)程中，調節系統的參數值，可以比較容易而省時(shí)地做到。而在實(shí)際的實(shí)驗中，要改變系統的參數值，有時(shí)意味著(zhù)重新安裝零部件或者改變結構，比較耗時(shí)，甚至難以實(shí)現。因此仿真技術(shù)的應用，在相等的時(shí)間內，增加了課堂授課內容的容量。
當然，計算機仿真技術(shù)也存在不足之處，比如，有時(shí)仿真結果過(guò)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(shí)際系統與仿真模型是有差別的，實(shí)際的系統輸入與仿真輸入也是有差異的，因此，實(shí)際的系統輸出（響應）往往與仿真結果有差別，有時(shí)差別還很大，這是將計算機仿真技術(shù)應用于教學(xué)活動(dòng)時(shí)應注意之處。上述的計算機仿真技術(shù)的不足，也正好說(shuō)明其能很好地適用于課堂教學(xué)中。因為在理論推導中，往往忽略各個(gè)具體系統的差異，將系統抽象簡(jiǎn)化為一個(gè)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(shù)很好地再現理論推導的結果。
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