CarSim/Simulink 軟件在教學中的應(yīng)用＊

楊 浩

（重慶工商職業(yè)學院，重慶 401520）

前言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，汽車領(lǐng)域的新技術(shù)不斷得到應(yīng)用。如汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)、智能交通系統(tǒng)(ITS)等[1-3]。而教材對新技術(shù)的更新具有一定的滯后性，使教學工作與科技進步存在脫節(jié)環(huán)節(jié)，學生所學與企業(yè)需求存在一定差異。基于這樣的背景下，本文提出在教學過程中引入汽車動力學仿真軟件，可以有效實現(xiàn)相關(guān)新技術(shù)的仿真模擬、動畫播放、數(shù)據(jù)分析等，促進“產(chǎn)”“學”“研”相協(xié)調(diào)的發(fā)展模型。

1 CarSim 與Simulink 軟件簡介

CarSim 是一款專業(yè)的汽車動力學仿真軟件，主要采用面向系統(tǒng)的建模方法。軟件結(jié)構(gòu)主要分為圖形用戶界面、車輛數(shù)學模型、求解器三方面。Similink 是Matlab 軟件集成下的一個控制算法子系統(tǒng)，主要用于搭建相應(yīng)的控制算法。

2 CarSim 和Simulink 軟件對教學的優(yōu)勢

2.1 授課內(nèi)容形象化，增強學生的理解

在汽車的相關(guān)課程中，主要講授汽車的基本原理和各種性能指標，往往涉及的理論性強，導致學生的學習興趣下降，教學質(zhì)量不高。以汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）的授課為例，在這部分的教學中往往反饋有如下問題，多種參數(shù)僅有定性分析，沒有具體量化，不同的車型、路面附著系數(shù)、車速的影響對車輛出現(xiàn)危險工況的情況沒有定量分析。多種結(jié)論只有數(shù)學公式的論證或者直接給出的參考數(shù)據(jù)作為支撐，沒有相應(yīng)的動畫播放，不便于學生理解。

針對以上教學中反饋的問題，運用汽車動力學仿真軟件CarSim 與Matlab 聯(lián)合建模仿真，可以得到有效解決。首先，在CarSim 中建立車輛動力學模型，分別設(shè)置車輛的各種參數(shù)；選擇不同的跟隨路徑，設(shè)置不同的路面附著系數(shù)；用Simulink 模塊搭建相應(yīng)的控制算法；最后進行仿真驗證，其流程圖如圖1 所示。

圖1 CarSim 和Simulink 聯(lián)合仿真教學流程圖

其中導入環(huán)節(jié)可以設(shè)置不同的車型、車輛的各種參數(shù)、不同的試驗路徑、算法，有效地增強了學生的求知欲，避免單純引入相關(guān)概念和純理論的枯燥感。有助于活躍課堂氣氛，便于學生理解相關(guān)的概念，實現(xiàn)知識的活化處理。在教學環(huán)節(jié)，主要分為仿真驗證、動畫輸出、授課講解三部曲。其中仿真的分析結(jié)果以曲線形式呈現(xiàn)，直觀、準確，可以充分理解ABS 的工作原理、影響因素及正確的制動方法。對仿真結(jié)果的提取中，通過有無ABS 汽車的仿真曲線與動畫進行對比，如圖2 所示。

圖2 有無ABS 制動仿真動畫對比

使評價指標形象具體化，便于學生理解和掌握ABS 的具體評教方法、評價過程、以至于得出更科學的結(jié)論。在師生互動環(huán)節(jié)，學生可以探討提問，教師對應(yīng)疑難解答。如果學生對疑難解答反饋為否（N）的信號，教師可以重新返回到教學環(huán)節(jié)中去，反之，可以得出教學結(jié)論。

2.2 促進“產(chǎn)”“學”“研”相融合

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，教學所用的指定教材與老師所參考的教學講義對于新領(lǐng)域知識的更新具有一定的滯后性。這將導致教師的“教”與學生的“學”未能適應(yīng)企業(yè)的“產(chǎn)”。一方面國內(nèi)現(xiàn)如今還沒有出版相應(yīng)的關(guān)于智能汽車的國家規(guī)劃教材。另一方面隨著中國“智能制造2025”的提出，市場對智能車領(lǐng)域的人才需求正在加大。這將導致教師的教與學生的學始終滯后于企業(yè)的產(chǎn)，使部分“校企合作”舉步維艱，學生所學專業(yè)與企業(yè)人才需求無法較好契合。

基于以上問題，采用CarSim 與Simulink 聯(lián)合建模仿真，搭建一個駕駛員模型即智能車轉(zhuǎn)向模型，可有效地實現(xiàn)對智能車輛相關(guān)知識的講解。這樣在CarSim 軟件中設(shè)置車輛的相關(guān)參數(shù)，在Simulink 中搭建相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制算法，也可參考Simulink 集成的現(xiàn)有算法，如模糊邏輯控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、滑膜控制算法等[4]?；谒ǖ鸟{駛員模型可以實現(xiàn)對智能車的相關(guān)研究，及實現(xiàn)教師的“研”。在CarSim中設(shè)置不同的參數(shù)可以實現(xiàn)對車輛不同性能的驗證，在Simulink 中選擇不同的控制算法可以得到不同駕駛員模型。最后通過動畫輸出，以視頻的方式展現(xiàn)在教學中及實現(xiàn)老師的“教”，學生通過視頻觀看，問題提出，實現(xiàn)相應(yīng)的“學”。這樣實現(xiàn)了知識的更新，保證了教學內(nèi)容與當代熱點領(lǐng)域的銜接，使學生們所學知識與企業(yè)的“產(chǎn)”相適應(yīng)。這樣可以有效的將教師、學生、企業(yè)結(jié)合起來，形成“產(chǎn)”“學”“研”的發(fā)展模式。

3 總結(jié)

將CarSim 和Simulink 軟件引用于教學環(huán)節(jié)，可以有效促進老師對熱點領(lǐng)域的研究，方便老師將新領(lǐng)域、新知識、新方法及時講授給當下學生，使學生所學知識與企業(yè)的需求相適應(yīng)。避免了因設(shè)備昂貴、試驗工況危險等不利因素中斷了教學、科研與校企合作?？梢杂行Т龠M企業(yè)、學生、教師三方面的“產(chǎn)”“學”“研”協(xié)調(diào)發(fā)展。同時車輛的先進技術(shù)僅需通過CarSim 和Simulink 軟件更新便可再現(xiàn)，避免了知識更新的滯后性。其仿真動畫以生動、形象、逼真的視頻播放方式展現(xiàn)給學生，便于學生理解和記憶，增強了學生的學習興趣，有助于提高教學質(zhì)量。