摘 要 為增強自動控制原理課程與車輛工程本科生的適配度，結(jié)合當前汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的萬物互聯(lián)發(fā)展趨勢，深入挖掘各知識點與無人駕駛汽車的契合點，切實保障課堂教學案例的優(yōu)化融合與創(chuàng)新實踐，并設計理論學習、上機仿真和實車測試多維課程考核機制全面考核學生的綜合能力，構建具有車輛工程專業(yè)特色的高效教學模式。

關鍵詞 車輛工程；自動控制原理；萬物互聯(lián)；無人駕駛汽車

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.094

0 引言

自動控制原理是電氣自動化、機械工程、智能電網(wǎng)信息工程等專業(yè)的核心基礎課程，通過學習本課程可以使學生系統(tǒng)地掌握自動控制的基本理論與控制系統(tǒng)的基本分析、校正和設計方法，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力與嚴謹?shù)墓こ趟季S和數(shù)學邏輯思維能力，提升其創(chuàng)新能力[1]。車輛工程作為隸屬于機械工程的二級學科，與機械、電子、計算機等領域深度交叉融合，旨在培養(yǎng)汽車設計、制造、控制、試驗等方面的高級人才[2]，其中車輛智能控制問題著重要求學生掌握控制系統(tǒng)的基本知識和設計方法。因此，如何給車輛工程專業(yè)學生講好自動控制原理是值得相關高校教師深入探討的重要問題。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多高校存在讓機械設計制造及其自動化或電氣工程專業(yè)的教師給車輛工程專業(yè)學生講授自動控制原理的情況，課堂的工程案例也大多屬于加工機床、電器設備、功能器械領域。這就導致該課程與汽車的結(jié)合度不高，學生的專業(yè)歸屬感和學習主動性不強，學生對于車輛工程領域的復雜工程問題認識不深，相應的車輛控制系統(tǒng)的設計分析能力嚴重欠缺。

為滿足新工科培養(yǎng)要求和車輛工程專業(yè)培養(yǎng)目標，自動控制原理課程內(nèi)容不僅要與汽車實體緊密結(jié)合，而且要主動融合汽車行業(yè)的前瞻技術[3-5]，引導學生能夠?qū)⑾嚓P知識和數(shù)學模型方法用于推演、分析車輛工程領域的復雜問題，選擇使用恰當?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟件，對車輛工程領域的復雜工程問題進行計算與設計。

1 萬物互聯(lián)技術與汽車結(jié)合的產(chǎn)物：無人

駕駛汽車

隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)的數(shù)字化時代已悄然開啟，人們的生活中也充滿了各種智能化、便捷化、自動化的商品，如智能停車場、智能醫(yī)療系統(tǒng)、智能家居設備等。汽車作為主要交通工具，也同樣朝著智能化的方向發(fā)展，借助人－車－路－云平臺間的全方位連接和高效信息交互，加速車輛智能化網(wǎng)聯(lián)化，推動無人駕駛汽車的應用發(fā)展。

無人駕駛汽車指自身擁有環(huán)境感知、路徑規(guī)劃功能且自主實現(xiàn)控制的汽車[6]，通過其搭載的激光雷達、攝像頭等傳感器與GPS定位系統(tǒng)，可實時采集道路信息，然后借助人工智能技術和復雜算法實現(xiàn)車道保持、避障、路徑規(guī)劃等功能[7]。此外，基于車用無線通信平臺（V2X）實時分享交通道路信息，從而靈活安全地應對各種復雜交通狀況，提高道路通行率，降低能源浪費和環(huán)境負擔。

2 教學內(nèi)容與無人駕駛汽車的融合實踐

結(jié)合車輛工程專業(yè)特點和自動控制原理課程內(nèi)容，在教學過程中合理穿插汽車前沿技術——無人駕駛汽車的案例，不僅能豐富課堂內(nèi)容，而且能開闊學生眼界，切實落實專業(yè)培養(yǎng)目標。

在講解自動控制系統(tǒng)的概念時，以日常生活中駕駛員駕駛傳統(tǒng)車輛為切入案例，如圖1所示。駕駛員通過眼睛、耳朵等感官觀察車輛行駛環(huán)境，結(jié)合車載傳感器反饋的實際車速等信息，通過大腦判斷車輛當前狀態(tài)與目標狀態(tài)的偏差，生成行駛指令，最后由手、腳控制方向盤與油門/制動踏板，驅(qū)動整車向前行駛。

而無人駕駛汽車則不需要駕駛員時刻操作，如圖2所示，只需要行駛前輸入目的地等行駛指令，車載導航系統(tǒng)實時定位車輛位置，攝像頭實時拍攝獲取車身周圍道路、車輛、行人等信息，傳感器則實時采集當前車輛行駛狀態(tài)信息，上述信息經(jīng)過收集匯總發(fā)送至駕駛控制系統(tǒng)。根據(jù)當前采集的車輛狀態(tài)信息與目標指令的偏差，駕駛控制系統(tǒng)按照預定的控制算法推導求解下一時刻方向盤轉(zhuǎn)角、發(fā)動機節(jié)氣門開度等，并執(zhí)行控制方向盤與油門/制動踏板至目標位置。這說明無人駕駛汽車就是一類典型的自動控制系統(tǒng)，汽車在無人直接操作的前提下，通過駕駛控制器自動地控制整車向前行駛。

在講解控制系統(tǒng)的數(shù)學模型時，以無人駕駛汽車路徑跟蹤的七自由度整車動力學模型為例，分別列寫車輛縱向、橫向和橫擺三個方向的動力學方程，并利用拉氏變換求解對應傳遞函數(shù)。在講述控制系統(tǒng)的時域分析法時，以無人駕駛混合動力汽車的模式切換時域響應為例，說明模式切換性能指標，即穩(wěn)定性、平順性、快速性、動力性，并通過Matlab仿真曲線介紹切換不穩(wěn)定時導致的實際車速震蕩情況。此外，強調(diào)模式切換平順性與快速性之間存在的矛盾以說明系統(tǒng)性能間的聯(lián)系與制約，模式切換時間過快易導致切換沖擊度過大，而切換時間太慢雖有利于降低沖擊，但延長了離合器滑摩時間，增大了離合器滑摩損耗，降低了其使用壽命。在講述控制系統(tǒng)的頻域分析章節(jié)時，以無人駕駛汽車的1/4混合電磁懸架系統(tǒng)為例，如圖3所示，介紹車身加速度的頻率響應函數(shù)，基于Matlab仿真平臺向?qū)W生展示懸架的車身加速度對于路面速度輸入的幅頻特性，引導學生直觀感受頻域角度下系統(tǒng)的性能呈現(xiàn)。

由圖3可以看出，路面干擾對車身加速度的影響主要集中在兩個峰點處。這兩個峰值的存在就是由于懸架的無阻尼振蕩的自振頻率。即車身的固有頻率（一般為1 Hz左右），在該點附近有第一個峰值，車輪的固有頻率（一般為10 Hz左右），在該點出現(xiàn)第二個峰值。即使采用作動器主動控制，這個頻率點的峰值也不會消失，這也揭示了不可能無限地提高乘坐舒適性。顯然，混合電磁懸架的控制器設計需著重考慮在低頻段的車身干擾和高頻段的車輪抑制，尤其是車身和車輪固有頻率處的抑制性能。

在講解控制系統(tǒng)的校正內(nèi)容時，結(jié)合無人駕駛汽車的路徑規(guī)劃控制器設計邏輯，即通過實時環(huán)境交通感知反饋來校正更新下一時刻的最優(yōu)路徑，從而實現(xiàn)整個行駛路徑的迭代優(yōu)化。至于非線性系統(tǒng)分析與離散控制系統(tǒng)方面，則可借助無人駕駛汽車的輪胎非線性與多品類傳感器信號采集系統(tǒng)來舉例說明。

3 多維課程考核機制與閉環(huán)反饋教學體系

建立

作為工科類專業(yè)課程，自動控制原理整個教學過程合理與否決定了學生學習效果的好壞，與之對應的考核應該在整個教學過程中得到體現(xiàn)，不僅需要考核學生的理論知識，更要通過實踐測試來鍛煉其操作能力并加深其對系統(tǒng)原理的理解，從而達到理論學習與課外實踐高效結(jié)合的教學目的。根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求，課程總體考核應從知識、能力和素質(zhì)等方面全方位評價。自動控制原理課程是由理論知識和MATLAB分析應用構成，考慮到車輛工程的專業(yè)特點，其成績構成如表1所示：總成績=平時成績（20%）+試驗測試（20%）+期末考試（60%）。平時成績主要指課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)的完成情況；試驗測試由上機仿真和實車測試構成，將課堂教學所學知識應用到實踐操作中，考核試驗過程中學生的表現(xiàn)及后續(xù)實驗報告的撰寫；期末考試則重點考核傳遞函數(shù)推導、動態(tài)性能指標求解、根軌跡繪制等難點內(nèi)容。

上機試驗以MATLAB軟件平臺為基礎，結(jié)合程序代碼講述根軌跡和奈奎斯特曲線的繪制方法，使學生掌握高階復雜控制系統(tǒng)的計算機繪制技術，同時在日常根軌跡繪制結(jié)束后可借助計算機繪圖來對比驗證其正確性。此外，以車輛工程實驗室配套的無人駕駛汽車為對象，開展基于PID的無人駕駛車輛緊急制動實車測試，通過計算車輛當前k時刻車速與目標車速的偏差值ev（k），按照下式所示的PID控制邏輯推導制動力，并由伺服電機執(zhí)行制動決策。在試驗過程中引導學生理解緊急制動的基礎原理和方法，培養(yǎng)學生利用自動控制原理解決車輛工程專業(yè)汽車控制問題的實際操作能力，并要求學生在試驗結(jié)束后撰寫上機報告和實驗報告，從而回顧并鞏固實驗內(nèi)容。

式中，F(xiàn)br（k）為k時刻的制動力，kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，ki為積分系數(shù)，ev（k-1）為上一時刻的車速誤差。

該課程考核改革是在傳統(tǒng)教學模式下對現(xiàn)行課程考核方式進行的一次嘗試。通過改革，不但使學生能夠了解本課程所涉及的主要內(nèi)容和主要思想，而且能夠更好地運用已有知識來解決本專業(yè)的實際問題。該考核方案能夠充分考核學生的學習過程和實際水平，也能更好地對不同層次、不同水平的學生進行評價，從而進一步提高課堂教學質(zhì)量。課程結(jié)束后，采用調(diào)查問卷的形式統(tǒng)計學生對于這門課程的反饋意見，分別從課程難易度、滿意度、專業(yè)契合度、吸收新知識、教學意見等方面了解學生對于課程教學安排的接受度和滿意度，結(jié)合學生的意見調(diào)整教學節(jié)奏，豐富教學內(nèi)容，完善教學方案。同時與有經(jīng)驗的老教師積極溝通交流，認真聽取建議并進行反思修改，從而構建科學高效的“教學改革－實踐運行－反饋統(tǒng)計－反思校正”的閉環(huán)反饋教學體系。

4 結(jié)束語

自動控制原理理論深奧、抽象，在教學過程中充分挖掘控制原理與汽車行業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合國家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向以及行業(yè)內(nèi)部需求，針對每一章深刻挖掘融合無人駕駛汽車的案例，將車輛工程專業(yè)前沿技術在講授知識點的過程中潛移默化地灌輸給學生，實現(xiàn)課程與專業(yè)的緊密結(jié)合和融會貫通。

5 參考文獻

[1] 王艷嬌.新工科背景下“自動控制原理”課程教學改革

與實踐[J].科教導刊，2023（23）：72-74.

[2] 楊淮欽，曾祥坤，容華萍，等.車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)

模式的改革與創(chuàng)新實踐[J].時代汽車，2023（24）：70-72.

[3] 程增木.智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術入門一本通[M].北京：機械

工業(yè)出版社，2021：188.

[4] 陳靜純.“雙碳”目標下我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)面臨的挑

戰(zhàn)及對策[J].時代汽車，2023（24）：119-121.

[5] 朱云堯，吳勝男，馮莉，等.我國汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)、發(fā)展

趨勢與挑戰(zhàn)[J].汽車文摘，2023（10）：32-37.

[6] 劉聰，劉輝，韓立金，等.基于學習型滑模預測控制的

無人駕駛車輛非結(jié)構化環(huán)境軌跡跟蹤及穩(wěn)定性控制[J].

機械工程學報，2024，60（10）：399-412.

[7] 田國紅，代鵬杰.基于單親遺傳算法的無人駕駛汽車主

動避撞方法[J].吉林大學學報（工學版），2023，53（8）：

2404-2409.

*項目來源：揚州大學卓越本科課程建設工程項目“汽車文化與新技術”（項目編號：2022ZYKCB-14）。

作者簡介：汪佳佳，通信作者，博士，講師；李紅，副教授。