硬件在环仿真技术在汽车工程教学中的应用

郑竹安+徐进+倪晓华+熊新

摘 要：硬件在环仿真技术不仅提出新观点而且提供新的思想进课堂。此技术大大有助于训练学生建构方法，研究，测试，寻求解决方案，有科研人员的头脑并深入思考问题。然而，现阶段传统的教学方式存在不足，故硬件在环仿真实验开始逐渐替代传统的教学模式。本文利用硬件在环实例进行讲解，从而体现出它的优势。

关键词：硬件在环；汽车工程；教学

目前虚拟仿真技术在实践教学中的应用已成为趋势，特别是硬件在环仿真的应用可以弥补实验硬件条件的不足，尤其在高等教育大众化背景下，到实际工厂企业实践不足的难题，也是对卓越工程师培养实践条件的有力支撑。汽车学院将结合车辆工程、汽车服务工程、能源动力工程的特点进行汽车及其零部件虚拟设计、加工、装配、维修、营销服务、发动机、汽车智能控制等进行硬件在环仿真、实践内容、训练方法等研究，以提高实践教学的效果。

一、 硬件在环仿真系统简介

硬件在环（HIL，hardware-in-the-loop）仿真，又称半实物仿真，是将需要仿真的部分系统硬件直接放到仿真回路中的仿真系统，它不仅弥补了纯数字仿真中的许多缺陷，提高了整个模型的置信度，而且可以大大减轻编程的工作量。这种仿真的另一个优势在于它实现了仿真模型和实际系统间的实时数据交互，使仿真结果的验证过程非常直观，大大缩短了产品开发周期。仿真时，电脑与实际硬件通过各种信息通道相连，电脑与实际硬件共同完成仿真工作，并将仿真结果在电脑中进行分析，从而判断硬件的运行情况。

二、 应用案例

本文以汽车制动系统为例，来讲解硬件在环仿真技术在汽车工程教学中的应用。

研究制动系统之前，必须要了解掌握汽车的理论知识。学生要通过学得的知识来设定制动系统的控制策略。如果仅限于教师的传统课题讲授，学生难以完全掌握其中的要领，教学效果不佳。

此系统我们选择制动系统液压总成（HCU，High Care Unit）为实物，一般由增压阀（常开阀）、减压阀（常闭阀）、回液泵、储能器组成。图1为结构方案图，将HCU与虚拟的数学仿真模型、快速原型系统（MICROAUTOBOX）进行连接通讯。而其中的数学模型是建立在汽车理论基础之上，必须对汽车的数学模型有所了解。

在探索性问题提出环节中，可以选用任务驱动法，教师安排特定的任务，让学生尝试查找文献资料，完成特定的任务。这里需要参与学生自行设计一套HCU的驱动系统，如图2所示。这样可以确保每一位学生都有参与，而且收获颇多。

将以上所有的硬件、软件等都连接通讯之后，即可以进行实时仿真，根据每个人的设定及编程都得出一些曲线数据，如图3所示。最后，根据每个同学的仿真结果评定分数，并计入期末成绩，这种教学模式可大大提高学生自主学习的积极性，提高教学效果。

三、 结束语

硬件在环仿真教学是建立在掌握高等教育专业理论知识基础之上，与传统教学模式相比，具有以下特点：

硬件在环仿真的实验过程和实验结果相对于传统实车实验更好；

利用硬件在环仿真的实验相对于实車实验基本不浪费时间或所花时间更短；

利用硬件在环仿真实验的同学更专注于实验过程，而不是过多地关注实验仪器或者工具，所以他们的实验结果更接近理论数据；

并不是所有的学生都可以进行实车试验，诸如实验设备及工具不足，课时有限，安全问题等阻碍了学生进行实验，但硬件在环仿真只需要部分硬件、软件和强大的计算机，学生就可以参与进来；

使用硬件在环仿真系统的同学认为，能让他们重复实验不太理解的内容，而且成本很低，基本不浪费材料，操作更安全。

参考文献：

[1]Maryam Fooladvand，Mohammad Hossein Yarmohammadian.A comparative study between virtual and traditional approaches in higher education in Iran[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2011（28）：646-650.

[2]Zeynep Tatli，Alipasa Ayas.Virtual laboratory applications in chemistry education[J].Procedia Social and Behavioral Sciences.2010（9）：938-942.

[3]郑竹安，吕红明，朱龙英，徐进，熊新.本科生导师制在应用型高校车辆工程专业初探[J].考试周刊，2016（76）：163+27.

[4]郑竹安.基于电动轮汽车的制动踏板行程模拟器及制动平顺性研究[D].吉林大学，2013.

作者简介：

郑竹安，徐进，倪晓华，熊新，江苏省盐城市，盐城工学院汽车工程学院。endprint