CarSim/Simulink 软件在教学中的应用＊

杨 浩

（重庆工商职业学院，重庆 401520）

前言

随着科学技术的不断进步，汽车领域的新技术不断得到应用。如汽车防抱死系统(ABS)、电动助力转向系统 (EPS)、智能交通系统(ITS)等[1-3]。而教材对新技术的更新具有一定的滞后性，使教学工作与科技进步存在脱节环节，学生所学与企业需求存在一定差异。基于这样的背景下，本文提出在教学过程中引入汽车动力学仿真软件，可以有效实现相关新技术的仿真模拟、动画播放、数据分析等，促进“产”“学”“研”相协调的发展模型。

1 CarSim 与Simulink 软件简介

CarSim 是一款专业的汽车动力学仿真软件，主要采用面向系统的建模方法。软件结构主要分为图形用户界面、车辆数学模型、求解器三方面。Similink 是Matlab 软件集成下的一个控制算法子系统，主要用于搭建相应的控制算法。

2 CarSim 和Simulink 软件对教学的优势

2.1 授课内容形象化，增强学生的理解

在汽车的相关课程中，主要讲授汽车的基本原理和各种性能指标，往往涉及的理论性强，导致学生的学习兴趣下降，教学质量不高。以汽车防抱死系统（ABS）的授课为例，在这部分的教学中往往反馈有如下问题，多种参数仅有定性分析，没有具体量化，不同的车型、路面附着系数、车速的影响对车辆出现危险工况的情况没有定量分析。多种结论只有数学公式的论证或者直接给出的参考数据作为支撑，没有相应的动画播放，不便于学生理解。

针对以上教学中反馈的问题，运用汽车动力学仿真软件CarSim 与Matlab 联合建模仿真，可以得到有效解决。首先，在CarSim 中建立车辆动力学模型，分别设置车辆的各种参数；选择不同的跟随路径，设置不同的路面附着系数；用Simulink 模块搭建相应的控制算法；最后进行仿真验证，其流程图如图1 所示。

图1 CarSim 和Simulink 联合仿真教学流程图

其中导入环节可以设置不同的车型、车辆的各种参数、不同的试验路径、算法，有效地增强了学生的求知欲，避免单纯引入相关概念和纯理论的枯燥感。有助于活跃课堂气氛，便于学生理解相关的概念，实现知识的活化处理。在教学环节，主要分为仿真验证、动画输出、授课讲解三部曲。其中仿真的分析结果以曲线形式呈现，直观、准确，可以充分理解ABS 的工作原理、影响因素及正确的制动方法。对仿真结果的提取中，通过有无ABS 汽车的仿真曲线与动画进行对比，如图2 所示。

图2 有无ABS 制动仿真动画对比

使评价指标形象具体化，便于学生理解和掌握ABS 的具体评教方法、评价过程、以至于得出更科学的结论。在师生互动环节，学生可以探讨提问，教师对应疑难解答。如果学生对疑难解答反馈为否（N）的信号，教师可以重新返回到教学环节中去，反之，可以得出教学结论。

2.2 促进“产”“学”“研”相融合

随着科学技术的不断发展，教学所用的指定教材与老师所参考的教学讲义对于新领域知识的更新具有一定的滞后性。这将导致教师的“教”与学生的“学”未能适应企业的“产”。一方面国内现如今还没有出版相应的关于智能汽车的国家规划教材。另一方面随着中国“智能制造2025”的提出，市场对智能车领域的人才需求正在加大。这将导致教师的教与学生的学始终滞后于企业的产，使部分“校企合作”举步维艰，学生所学专业与企业人才需求无法较好契合。

基于以上问题，采用CarSim 与Simulink 联合建模仿真，搭建一个驾驶员模型即智能车转向模型，可有效地实现对智能车辆相关知识的讲解。这样在CarSim 软件中设置车辆的相关参数，在Simulink 中搭建相应的转向控制算法，也可参考Simulink 集成的现有算法，如模糊逻辑控制算法、神经网络控制算法、滑膜控制算法等[4]。基于所建的驾驶员模型可以实现对智能车的相关研究，及实现教师的“研”。在CarSim中设置不同的参数可以实现对车辆不同性能的验证，在Simulink 中选择不同的控制算法可以得到不同驾驶员模型。最后通过动画输出，以视频的方式展现在教学中及实现老师的“教”，学生通过视频观看，问题提出，实现相应的“学”。这样实现了知识的更新，保证了教学内容与当代热点领域的衔接，使学生们所学知识与企业的“产”相适应。这样可以有效的将教师、学生、企业结合起来，形成“产”“学”“研”的发展模式。

3 总结

将CarSim 和Simulink 软件引用于教学环节，可以有效促进老师对热点领域的研究，方便老师将新领域、新知识、新方法及时讲授给当下学生，使学生所学知识与企业的需求相适应。避免了因设备昂贵、试验工况危险等不利因素中断了教学、科研与校企合作。可以有效促进企业、学生、教师三方面的“产”“学”“研”协调发展。同时车辆的先进技术仅需通过CarSim 和Simulink 软件更新便可再现，避免了知识更新的滞后性。其仿真动画以生动、形象、逼真的视频播放方式展现给学生，便于学生理解和记忆，增强了学生的学习兴趣，有助于提高教学质量。