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汽車?yán)碚摻虒W(xué)中運用計算機(jī)仿真的優(yōu)點論文
1《汽車?yán)碚摗氛n程教學(xué)內(nèi)容及其教學(xué)方法
《汽車?yán)碚摗氛n程的教學(xué)內(nèi)容較多，涉及的范圍較廣，比如：汽車行駛條件和動力性分析計算、動力裝置參數(shù)的選擇方法及相關(guān)因素分析、汽車使用條件及使用性能指標(biāo)的關(guān)系、汽車燃料經(jīng)濟(jì)性分析計算及提高汽車使用燃料經(jīng)濟(jì)性的途徑和技術(shù)、汽車動力裝置參數(shù)的選定、汽車的制動性能、汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性評價指標(biāo)及影響因素分析等。其中涉及車輛系統(tǒng)的動力學(xué)分析，存在部分理論比較深奧，推導(dǎo)過程比較晦澀難懂，不夠直觀形象的現(xiàn)象。
《汽車?yán)碚摗氛n程教學(xué)內(nèi)容及其特點，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(jié)論性的知識點，無需推導(dǎo)，只需直接陳述講明即可，此類教學(xué)內(nèi)容可以采用多媒體中的文字、圖表和動畫等方法，既可達(dá)到直觀明了的效果，又可提高教學(xué)效率。而對于受力分析、公式推導(dǎo)之類的教學(xué)內(nèi)容，對推導(dǎo)過程的依賴性較高，宜采用傳統(tǒng)的黑板板書教學(xué)方式[4]，引導(dǎo)學(xué)生一步步跟著教師的思路走，從而對推導(dǎo)結(jié)果知其然，還知其所以然。對于比較復(fù)雜、抽象的理論，除了利用黑板板書推導(dǎo)外，還可以應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)將其形象化，提高學(xué)生的感性認(rèn)識，從而使其獲得更好的理性認(rèn)識。另外，部分實驗，由于實驗設(shè)備條件以及實驗成本的原因，只能做最基本的實驗，不方便重復(fù)或者不方便微調(diào)參數(shù)后再做實驗進(jìn)行比較，通過應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)則可以方便實現(xiàn)。
2教學(xué)中應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)點
計算機(jī)仿真是在計算機(jī)上建立仿真模型，模仿實際系統(tǒng)的響應(yīng)及其隨時間變化的過程，通過對仿真試驗過程的觀察和統(tǒng)計，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性，以此來估計和推斷實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和真實性能，使系統(tǒng)性能和長期的動態(tài)特性能在極短的時間內(nèi)，通過計算機(jī)得到全面的實現(xiàn)。
針對《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)中部分理論推導(dǎo)比較復(fù)雜，部分實驗在通常的實驗教學(xué)中難以實現(xiàn)的現(xiàn)實情況，在此，將計算機(jī)仿真技術(shù)融入到教學(xué)中，其有以下優(yōu)點：
�。�1）成本低。實驗設(shè)備通常比較昂貴，少則幾萬，多則幾十萬上百萬。利用計算機(jī)，并裝上仿真軟件，可實現(xiàn)多門課程多個實驗的仿真，可以使所有學(xué)生同時獲得上機(jī)機(jī)會，可部分地減少實驗經(jīng)費支出。
�。�2）靈活性、直觀性較強(qiáng)。通過仿真軟件，可以建立多個不同仿真模型，可以通過調(diào)整模型的輸入，或者改變仿真模型的參數(shù)值，比較仿真結(jié)果，從而分析影響系統(tǒng)特性的主要因素。仿真結(jié)果可以用圖形或動畫的方式展示，方便將復(fù)雜理論形象化，提升教學(xué)效果。
�。�3）安全性高�！镀�?yán)碚摗方虒W(xué)中的部分實驗，如制動性實驗、操縱穩(wěn)定性實驗等，在實驗的過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(jié)果對比分析，不存在現(xiàn)場實驗的危險性。
3實例分析
《汽車?yán)碚摗返慕虒W(xué)內(nèi)容主要包括汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性等。以下以空氣懸架性能分析為例，闡述計算機(jī)仿真技術(shù)在汽車平順性教學(xué)中的應(yīng)用。
懸架是汽車的重要組成部分,傳遞作用在車輪和車架或車身之間的一切力和力矩,緩和路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊載荷,對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有重要的影響。
不同的懸架剛度、不同的控制策略會產(chǎn)生不同的控制效果。如果在實驗中，現(xiàn)場裝用不同剛度的懸架，并應(yīng)用不同的控制策略，成本將會比較高，也比較耗時，不能保證在有限的實驗課時內(nèi)完成應(yīng)做的實驗。而采用計算機(jī)仿真，成本較低，甚至可以忽略不計，同時可以調(diào)節(jié)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(jié)果，并以圖形的形式顯示，方便對不同仿真結(jié)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，以某客車的1/4車輛模型為基礎(chǔ)，采用PID控制算法調(diào)節(jié)空氣彈簧的剛度,輸出車身垂直加速度，考察其對汽車行駛平順性的影響（除了車身垂直加速度外，還應(yīng)考察懸架動撓度、輪胎動載荷等，本文為簡明起見，只取車身垂直加速度值來分析說明），并與被動控制空氣懸架下的車身垂直加速度輸出對比，說明PID控制與被動控制對車身垂直加速度的不同影響，同時展示仿真技術(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車輛模型，如圖1所示。
�。�2）建立路面激勵模型。車輪受到的路面隨機(jī)激勵，可以用白噪聲通過一階濾波器來模擬，其時域數(shù)學(xué)模型可以用下式描述：q觶（t）+ανq（t）=w（t）（2）當(dāng)車輛以50km/h的速度行駛在B級路面時,仿真得到路面垂直位移時域信號如圖2所示。
（3）建立PID控制和被動控制仿真模型，并對仿真結(jié)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)行時域仿真分析。采用PID控制策略時，Kp，Ki，Kd三個參數(shù)對系統(tǒng)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(shù)進(jìn)行仿真，并與被動控制仿真進(jìn)行對比。以車身垂直加速度為評價指標(biāo)，仿真結(jié)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，在實際操作中，難以在短時間內(nèi)完成，而使用計算機(jī)仿真技術(shù)，卻可以在課堂教學(xué)上充分地展示，既節(jié)省了時間，提高了課堂教學(xué)容量，又方便學(xué)生對所學(xué)知識的直觀理解。
4結(jié)束語
將計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)活動中，其優(yōu)勢在于：
其一，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)值，可以得到不同的系統(tǒng)響應(yīng)，能比較直觀地反映系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。在教學(xué)中，能以簡明、形象的手段，加深學(xué)生對深奧、復(fù)雜理論的理解。
其二，在仿真過程中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)值，可以比較容易而省時地做到。而在實際的實驗中，要改變系統(tǒng)的參數(shù)值，有時意味著重新安裝零部件或者改變結(jié)構(gòu)，比較耗時，甚至難以實現(xiàn)。因此仿真技術(shù)的應(yīng)用，在相等的時間內(nèi)，增加了課堂授課內(nèi)容的容量。
當(dāng)然，計算機(jī)仿真技術(shù)也存在不足之處，比如，有時仿真結(jié)果過于理想化。在理想的系統(tǒng)中，可以得到完美的仿真結(jié)果，但是，實際系統(tǒng)與仿真模型是有差別的，實際的系統(tǒng)輸入與仿真輸入也是有差異的，因此，實際的系統(tǒng)輸出（響應(yīng)）往往與仿真結(jié)果有差別，有時差別還很大，這是將計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動時應(yīng)注意之處。上述的計算機(jī)仿真技術(shù)的不足，也正好說明其能很好地適用于課堂教學(xué)中。因為在理論推導(dǎo)中，往往忽略各個具體系統(tǒng)的差異，將系統(tǒng)抽象簡化為一個具有共性的理想化系統(tǒng)，得到普遍性的結(jié)論。因此，可以用仿真技術(shù)很好地再現(xiàn)理論推導(dǎo)的結(jié)果。
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