融入Matlab 和Carsim 联合仿真的汽车理论教学方法探讨

程准

南京林业大学 江苏省南京市 210037

1 引言

《汽车理论》主要涉及与汽车动力学有关的汽车使用性能（主要包括动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性），是车辆相关专业的核心课程。其各章节的知识内容包含了一定数量的动力学方程，知识点表征时多借助简图进行受力分析并且文字性描述较多。传统的教学方法以课堂讲授为主并辅之以课后练习（主要采用习题的方式）。学生学习时面对纯粹的理论公式、数据图表、受力简图和文字分析难以提高对知识的理解和应用程度。在工程教育专业认证的背景下《汽车理论》是车辆相关专业“毕业要求”的关键课程支撑。这使得《汽车理论》课程有了更高的目标，例如学生通过对这门课程需掌握车辆工程专业知识，并将相关知识和数学模型方法用于车辆工程专业问题解决方案的比较与综合；学生能基于相关科学原理和数学建模方法正确表达车辆工程领域的复杂工程问题；学生能够对实验结果进行分析和解释，通过信息综合解决复杂工程问题，并得到合理有效的结论等。

借助于仿真技术模拟再现汽车运动过程能够显著提升教学效果。文献阐述了ADAMS 软件在《汽车理论》（主要介绍了汽车的制动性、操纵稳定性和平顺性）教学过程中的应用。文献描述了3 种类型的计算机模拟教学方法（分别为ADAMS 软件、Carsim 软件和Matlab软件），并且指出对于本科阶段的学生而言学习软件是较为吃力的。文献主要以动力性和燃油经济性为例将Cruise 软件应用于教学过程。各类软件皆具有自身特点。本文以《汽车理论》课程中的核心章节“汽车的制动性”为例进行融入Matlab 和Carsim 联合仿真的教学方法探讨。

2 联合仿真的教学平台搭建

Carsim 软件相较于其它仿真软件能够提供接近真实现场的汽车行驶动画，并且软件内置了大量的车辆相关模型以便于搭建不同的教学用仿真平台。但是，调节修改参数、更换任务工况、调用测量信号数据等对软件操作具有一定程度的要求。这一方面增加了学生学习的负担，另一方面消耗了有限的课时。将汽车和工况相关参数的调节以及测量信号的观测和读取皆依托于Matlab 软件能够降低软件的操作要求。借助于封装技术将Matlab 和Carsim的联合仿真模型打包，仅在Matlab 软件的界面中留有人机操作的接口。这在很大程度上降低了学生对于软件学习的要求，也便于课后任务的发放，让学生利用课外时间进行自主探究。此外，联合Matlab软件能够引入控制系统以适应新四化背景下学生知识的学习、工程能力的培养以及综合素质的提升。以汽车的制动性为例，Matlab 和Carsim 联合仿真的教学平台示意图见图1。

图1 Matlab 和Carsim 联合仿真的教学平台示意图

在教学过程中融入Matlab 和Carsim联合仿真教学平台，通过直观性的动画演示并同步配合测量信号的变化使学生多方面、深层次地掌握专业相关知识、理解作用原理、分析与评估使用性能、自主探究因素影响关系。直接感知、实际训练和自主探究方法的综合运用助力于课堂气氛的调节和学生学习兴趣的调动。

3 汽车行为与现象的观察

以汽车的制动性为例，常借助于课本教材并通过讲解制动性评价指标概念、推导制动性能评价指标（制动距离、制动减速度）的数学表达式、结合图文分析制动性能的影响因素、结合变化曲线描述制动力系数和侧向力系数与滑移率的相互关系、结合动力学简图分析制动跑偏、侧滑等现象的产生机理、讲解防抱制动装置（ABS系统）的工作原理及效果等方式传授专业知识。学生由于缺少对于汽车制动时整车行为和状态的直接性感知而可能造成教学过程枯燥单调、知识理解相对困难、重要机理和原理认知浅显。

融入Matlab 和Carsim 联合仿真，模拟再现了汽车制动时整车行为和状态，学生能够多角度直接观察（Carsim 软件中可便捷性对观测视角进行调整）。这易于刺激学生思想，调动学生兴趣，进一步提高学生接受知识的效率。例如，高附着系数路面制动（后轮抱死）、低附着系数路面制动（后轮抱死）、低附着系数路面制动（前轮抱死）以及对开路面制动（后轮抱死）情况下某汽车运行状态的观测见图2（图中箭头左侧为制动开始状态，右侧为制动结束状态）。学生通过观察进而直接感知汽车行为和已发生现象，再结合课本教材进一步思考并理解相关知识点（对于本例，相关知识包括有：前轮抱死和后轮抱死对方向稳定性的影响、跑偏与侧滑现象及产生原理、制动力系数和侧向力系数与滑移率的关系等）。

图2 四种制动情况下某汽车运行状态的观测

4 影响因素的分析

在《汽车理论》的教学过程中，分析并探讨各类因素对汽车使用性能的影响是教学的重难点。课堂教学过程中常采用结合图表与数学关系表达式的讲授方法，面向学生讲解影响汽车使用性能的相关因素种类、造成影响的机理、影响程度及影响关系等。在教学过程中融入Matlab 和Carsim 联合仿真，基于控制变量法通过Matlab 软件修改待探讨的因素取值，在学生直接感知汽车行为与现象后，于Matlab软件中通过示波器显示关键观测信号进而引导学生分析并探讨各类因素的变化对汽车使用性能产生的影响。学生在接受知识的过程中有相对强烈的代入感和参与感。并且借助于对示波器中显示信号的观测，学生能够更为全面、更有层次地思考和理解评价指标的概念与现实意义、各类系统的工作原理和起作用的状态、基于因素影响关系的应用性等。在潜移默化中提升了学生的工程能力和综合素质。

以汽车制动性中ABS 系统的讲解为例，本例教学设计中待分析的影响因素为ABS系统4 个车轮的制动执行器工作压力、简易ABS 控制器中滑移率的逻辑门限值，其知识点包括有制动力系数和侧向力系数与滑移率的关系曲线、ABS 系统的基本工作原理、ABS 系统对汽车制动性能的影响等，示波器中观测信号的类型有4 个车轮的线速度、汽车质心的纵向线速度、4 个制动执行器的工作压力、汽车质心的横向线速度。本例基于Carsim 软件中内置的“abs_CS9.mdl”文件，课堂教学演示的示意图见图3（不同颜色的车为不同影响因素取值情况）。

图3 ABS 系统课堂教学演示的示意图

5 课后自主探究

课堂教学时间相对有限，若能调动学生兴趣让学生自发性分析和探索专业知识对提升学生工程能力和综合素质有着较大助力。课后练习也是学生学习过程所需的一项重要环节。配合传统的习题作业布置的方式，将Matlab 和Carsim 的联合仿真程序发送给学生，并同时布置具体的仿真实验任务，让学生利用课后练习时间自主分析和探究专业相关知识。寓教于乐，正如前文所述发送给学生的联合仿真程序为已封装完成的文件，在Matlab 软件的界面中留有人机操作的界面，在一般情况下学生仅需在已设计的界面中调节参数，即可方便地观测汽车运行动画和测量信号。简化学生的操作环节，让学生将更多的时间和精力投入至对车辆工程问题的思考、分析、探究和解决。此外，学生亦可以依托于联合仿真程序进行再次的开发，探究更多、更优异的解决车辆工程问题或改进汽车使用性能的方案。

在考核评价阶段，平时成绩的评价可以综合习题作业与课程报告（由联合仿真实验形成）为基本依据，再以学生自主额外探究的结果为加分参考依据。一方面学生的综合成绩构成多样化，另一方面激励学生提升个人工程能力和综合素质。

基于Matlab 和Carsim 联合仿真程序的课后练习（以汽车的制动性为例）可分为如下步骤：任务书下发（包含具体的参数设置，且每组或每位学生的参数设置有一定的区分性，让学生能够独立探索完成属于自己的练习任务）、基础制动性能测试（学生根据任务书要求完成程序设置，并进行规定要求的车辆制动性能仿真测试，并将规定观测信号的时间历程曲线以及仿真动画截图至练习报告中）、制动性能分析（学生根据对仿真后测量信号以及制动过程动画的观察，分析练习用车辆的制动性能，并撰写相应的结果与结论）、制动性能的改进措施探究（结合书本所学知识以及课堂讲解内容，配合汽车制动性能的评价指标，学生可提出任意的改进练习用车辆的措施，例如汽车结构尺寸、引入ABS 系统、调节ABS 系统的相关参数、调节制动力分配等）、报告提交，见图4。

图4 课后练习的可行步骤

6 总结

在《汽车理论》课程教学过程中融入Matlab 和Carsim 联合仿真能够促成学生直接感知汽车行为和相关现象，结合Carsim 的动画演示与Matlab 的数据观测便于学生分析和理解各类因素的影响关系。基于Matlab（设置和调节各类参数、建立控制系统、调用读取测量信号）和Carsim（提供各类基础模型）的联合仿真在很大程度上降低了操作难度，有利于减少课堂耗时，便于课后练习任务发放并且激励学生自主探究。