鄭竹安+徐進+倪曉華+熊新

摘 要：硬件在環(huán)仿真技術(shù)不僅提出新觀點而且提供新的思想進課堂。此技術(shù)大大有助于訓(xùn)練學(xué)生建構(gòu)方法，研究，測試，尋求解決方案，有科研人員的頭腦并深入思考問題。然而，現(xiàn)階段傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在不足，故硬件在環(huán)仿真實驗開始逐漸替代傳統(tǒng)的教學(xué)模式。本文利用硬件在環(huán)實例進行講解，從而體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)；汽車工程；教學(xué)

目前虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用已成為趨勢，特別是硬件在環(huán)仿真的應(yīng)用可以彌補實驗硬件條件的不足，尤其在高等教育大眾化背景下，到實際工廠企業(yè)實踐不足的難題，也是對卓越工程師培養(yǎng)實踐條件的有力支撐。汽車學(xué)院將結(jié)合車輛工程、汽車服務(wù)工程、能源動力工程的特點進行汽車及其零部件虛擬設(shè)計、加工、裝配、維修、營銷服務(wù)、發(fā)動機、汽車智能控制等進行硬件在環(huán)仿真、實踐內(nèi)容、訓(xùn)練方法等研究，以提高實踐教學(xué)的效果。

一、 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)簡介

硬件在環(huán)（HIL，hardware-in-the-loop）仿真，又稱半實物仿真，是將需要仿真的部分系統(tǒng)硬件直接放到仿真回路中的仿真系統(tǒng)，它不僅彌補了純數(shù)字仿真中的許多缺陷，提高了整個模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個優(yōu)勢在于它實現(xiàn)了仿真模型和實際系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)交互，使仿真結(jié)果的驗證過程非常直觀，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。仿真時，電腦與實際硬件通過各種信息通道相連，電腦與實際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結(jié)果在電腦中進行分析，從而判斷硬件的運行情況。

二、 應(yīng)用案例

本文以汽車制動系統(tǒng)為例，來講解硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車工程教學(xué)中的應(yīng)用。

研究制動系統(tǒng)之前，必須要了解掌握汽車的理論知識。學(xué)生要通過學(xué)得的知識來設(shè)定制動系統(tǒng)的控制策略。如果僅限于教師的傳統(tǒng)課題講授，學(xué)生難以完全掌握其中的要領(lǐng)，教學(xué)效果不佳。

此系統(tǒng)我們選擇制動系統(tǒng)液壓總成（HCU，High Care Unit）為實物，一般由增壓閥（常開閥）、減壓閥（常閉閥）、回液泵、儲能器組成。圖1為結(jié)構(gòu)方案圖，將HCU與虛擬的數(shù)學(xué)仿真模型、快速原型系統(tǒng)（MICROAUTOBOX）進行連接通訊。而其中的數(shù)學(xué)模型是建立在汽車理論基礎(chǔ)之上，必須對汽車的數(shù)學(xué)模型有所了解。

在探索性問題提出環(huán)節(jié)中，可以選用任務(wù)驅(qū)動法，教師安排特定的任務(wù)，讓學(xué)生嘗試查找文獻資料，完成特定的任務(wù)。這里需要參與學(xué)生自行設(shè)計一套HCU的驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2所示。這樣可以確保每一位學(xué)生都有參與，而且收獲頗多。

將以上所有的硬件、軟件等都連接通訊之后，即可以進行實時仿真，根據(jù)每個人的設(shè)定及編程都得出一些曲線數(shù)據(jù)，如圖3所示。最后，根據(jù)每個同學(xué)的仿真結(jié)果評定分數(shù)，并計入期末成績，這種教學(xué)模式可大大提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。

三、 結(jié)束語

硬件在環(huán)仿真教學(xué)是建立在掌握高等教育專業(yè)理論知識基礎(chǔ)之上，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有以下特點：

硬件在環(huán)仿真的實驗過程和實驗結(jié)果相對于傳統(tǒng)實車實驗更好；

利用硬件在環(huán)仿真的實驗相對于實車實驗基本不浪費時間或所花時間更短；

利用硬件在環(huán)仿真實驗的同學(xué)更專注于實驗過程，而不是過多地關(guān)注實驗儀器或者工具，所以他們的實驗結(jié)果更接近理論數(shù)據(jù)；

并不是所有的學(xué)生都可以進行實車試驗，諸如實驗設(shè)備及工具不足，課時有限，安全問題等阻礙了學(xué)生進行實驗，但硬件在環(huán)仿真只需要部分硬件、軟件和強大的計算機，學(xué)生就可以參與進來；

使用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的同學(xué)認為，能讓他們重復(fù)實驗不太理解的內(nèi)容，而且成本很低，基本不浪費材料，操作更安全。

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作者簡介：

鄭竹安，徐進，倪曉華，熊新，江蘇省鹽城市，鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院。endprint