MATLAB软件在汽车理论教学中的应用-

1、1.前言汽车理论是汽车类专业的一门必修专业课,其特点是理论性强,计算和分析工作多,教和学两方面都感觉难度较大。现有的实验和实习效果有限,为学生提供的主要是感性的认识和对书本知识的验证,对抽象概念和复杂公式无能为力。MATLAB是一个可视化的计算软件,功能强大、使用简单,被广泛地应用于科学和工程计算领域,包括汽车的设计和分析。各大汽车公司、零部件企业的研究院或技术中心,在研究和分析工作中大量应用MATLAB实现。在汽车理论教学中使用MATLAB为工具,利用其强大的计算功能和图形功能,可以方便地完成各种性能的计算;同时,利用MATLAB 的数值计算函数和Simulink软件,可以对汽车理论中复杂的

2、过程进行仿真分析和求解。这些计算和分析的结果都可以通过MATLAB提供的可视化手段呈现给学生,有助于清晰地阐释抽象的概念,并系统地仿真复杂的分析过程。2.易学易用的计算工具MATLAB被称为“演草纸”式的计算机语言,在一般的科学计算中完全可以替代传统的计算机语言如C、Fortran、Basic等,矩阵运算更是MATLAB的拿手好戏。MATLAB语法简单、界面友好、使用方便,既不用苦于指针等晦涩概念的掌握,也不必与难以操作的DOS环境打交道。汽车理论前四章介绍了汽车动力性、经济性以及制动性的计算和校核,工作量较大,有时候还要不断的调整参数并反复计算。这些性能的计算对于任何一种车型的设计和开发都是

3、必不可少且极为重要的。利用MATLAB编制程序,其简单的语法,能够使设计人员将精力集中于核心工作。3.方便实用的图形功能汽车理论课程中需要绘制的曲线图形非常多,“驱动力-行驶阻力图”、“功率平衡图”、“动力因素图”、“百公里油耗曲线”、“C曲线”、“制动效率曲线”等等,数不胜数。传统的程序设计语言如C、Fortran、Basic等,绘图功能的使用极为不便,程序员需要了解计算机的图形模式等复杂的软件知识,在绘图前还要做大量的设置和转换工作。而所谓的可视化程序设计语言,如Vi-sual C+、Visual Basic、Delphi等,其绘图控件中默认坐标与人们常识不同,使用者同样需要进行坐标变换(

4、包括坐标的移动、缩放、改变坐标轴的方向等,于工科非计算机专业的同学而言,殊为不易。而MATLAB针对工程上常见的曲线图,提供了强大的绘图功能;无论二维图形还是三维图形,无论是曲线还是曲面,都可轻松处理;而且还有自动缩放坐标、添加标签和标题、更改线型、设置标记、添加图例等辅助功能,完全能满足科学和工程计算的一切需要。这些功能的语法简单,易于掌握。利用MATLAB的图形功能可以很方便地分析汽车理论中关于各种阻力随车速u a的变化关系。滚动阻力F f、空气阻力F w的计算公式为:F f=WfF w=sign(u a-u wCDAu2r若装备SR级轮胎、C D A=0.6m2的某汽车在水平路面匀速行驶

5、,利用MATLAB绘制滚动阻力和空气阻力随车速的变化关系。相关代码如下: m=1600;CdA=0.6;u=0:5:180;f=0.01+0.002*(u/100.2+0.001*(u/100.4;Ff=m*9.8*f;Fw=CdA*u.2/21.15;plot(u,Ff,:b,u,Fw,-r;legend(u-Ff,ua-Fw,Location,NorthWest;title(汽车空气阻力;xlabel(ua/(km/h;ylabel(F/(N;图1某轿车滚动阻力和空气阻力结果如图1所示。由图可知,当车速较高时,空气阻力是汽车行驶阻力的主要组成部分;而且,修改滚动阻力系数的表达式,可以动态计

6、算不同类型的轮胎,其滚动阻力随车速的变化关系。4.为数众多的数值函数汽车理论中涉及到诸多的数值计算,例如发动机功率/转矩的拟合、滚动阻力系数的插值、动力学微分方程/方程组的求解等。虽然本科阶段学生的学习重在掌握汽车理论的分析方法,但一旦毕业,他们在工作岗位上很可能将面临这些棘手的问题。然而数值分析并不是本科课程内容。很显然,让学生运用通用的程序设计语言编制这些难度较大的数值方法的子程序是不可取的。事实上,MATLAB早已为我们解决了这一难题。MATLAB强大的数值计算功能是它区别于MAPLE、Mathematic等其他数学软件的一大优势,它提供了大量经过优化的数值函数,使用者无须关心其实现过程

7、和细节,可以在M ATLAB及其他语言中直接调用。下面的代码是对北京内燃机总厂生产的492Q发动机全油门开度下转速-功率/转矩的拟合和计算程序。n0=1000:500:3500,3800,4000;Te0=135.33,147.10,152.98,156.91,147.10,138.27,133.37,125.53;n=1000:10:4000;Te=polyval(polyfit(n0,Te0,5,n;Pe=n.*Te/9550;plotyy(n,Pe,n,Te;上述代码可以拟合给定范围内(1000n4000任意转速所对应的发动机功率/转矩。这里还利用绘图功能将发动机转速-功率/转矩曲线(即

8、转速特性曲线绘制在同一坐标系中,结果更为直观清晰。5.使用工具箱,借鉴专家的智慧图2利用Curve Fitting Tool工具箱拟合数据MATLAB提供有数量庞大且功能丰富的各种工具箱,这些工具箱分为两类:功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其功能,可用于多种学科。学科性工具箱是专业的,如(control、signal processing、communicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的,所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序。仍以前述北京内燃机总厂生产的492Q发动机MATLAB软件在汽车理论教学中的应用湖北汽车工业学院汽车工

9、程系黄兵锋摘要鉴于汽车理论内容抽象和枯燥的教学现状,本文介绍了将MATLAB软件应用于汽车理论的教学实践。事实证明, MATLAB软件强大的计算和分析功能以及方便的可视化手段,有助于清晰地阐释概念,并能极大地提高学生学习的兴趣和积极性,从而有效地改善了教学效果。关键词汽车理论MATLAB Simulink 仿真(下转第116页故障停炉总是有的。如果按锅炉因漏风、漏灰造成每年一次爆管事故计算,那么,年损失在10万元左右。(1漏风、漏灰造成一次爆管事故的直接经济损失锅炉因漏风、漏灰造成一次爆管事故的直接经济损失主要包括:开炉一次油耗费用、发电量经济损失、维修的材料及人工费用等。按每开炉一次消耗柴油

10、量为0.20.5吨、柴油的市场价格3.2元/公斤计算,约0.641.6万元。按锅炉每天运行24小时、每小时发电量3000Kwh 、上网电价为0.09元/Kwh 、外购电价均价0.37元/Kwh ,全部自用,抢修天数为1天计算,约2万元,维修材料及人工费用约0.20.5万元。合计2.844.1万元。(2每年因锅炉漏风、漏灰造成的热效益损失按锅炉每年运行7200小时;平均负荷率为90%;烟气流量为4.9105kg/h ;锅炉周围环境温度为25;烟气温度为200;200时烟气比热为0.26kcal/(kg.1;炉顶及烟道等的漏风量为5%;标煤发热量为7000kcal/kg 2;煤的市场价格为0.6元

11、/公斤。则每年因锅炉漏风、漏灰造成热效益损失约6.8万元。7.结论(1公司通过采用均匀覆膜密封修复技术,对锅炉漏风、漏灰部位进行密封修复,有效地控制了炉顶、炉拱、折焰角等部位的漏风、漏灰;有效地减少了含硫较高的高温烟气对人体健康的刺激和伤害、减少了含硫较高的高温烟气对炉顶保温材料的腐蚀;杜绝了因炉顶漏风造成顶棚过热器或炉内穿墙管的爆管事故。(2采用丹麦Hasle Isomax 公司的均匀覆膜密封修复技术对锅炉漏风、漏灰部位进行密封修复能为公司减少经济损失、保证锅炉等设备的安全可靠运行、改善工作环境。(3均匀覆膜密封修复技术对锅炉漏风、漏灰部位进行密封修复,能够普遍推广应用。参考文献1程上琬.热

12、工学理论基础.北京:水利电力出版社,1992.280页2曾纬西.锅炉设备及运行.北京:水利电力出版社,1992.19页1.(上接第113页全油门开度下转速-功率/转矩的拟合为例,如图2所示,利用toolbox 中的Curve Fitting Tool ,甚至连一句代码都不用写就可以完成拟和工作,对那些不擅编程的人无疑是一个极佳的选择。6.在Simulink 中仿真分析复杂系统图3二自由度汽车的Simulink 仿真模型图汽车理论第五章“操纵稳定性”,教材以力学的方式分析了汽车运行时的状态,涉及到了大量的复杂公式和图表,授课教师难以清晰地阐释其原理,学生也常常晕头转向。利用Simulink 对这

13、些系统或模型进行可视化的仿真分析,比较不同参数时输出的变量的变化,则有助于学生加深对理论知识的理解,并提高学习兴趣。下面的例子是笔者在教学时曾使用过的。根据汽车二自由度简化模型(k 1+k 2+1(ak 1-bk 2r -k 1=m(v+u r (ak 1-bk 2+1(a 2k 1+b 2k 2r -ak 1=I z r所建立的Simulink 模型如图3所示。只要更改k 1、k 2等参数,运行仿真,就可以通过示波器Scope 观察不同参数下前轮角阶跃输入下的汽车稳态响应曲线。这种方法对于加深学生对所学内容的理解,提高学习兴趣是很有帮助的。7.结束语在汽车理论的课堂教学中使用MATLAB 软

14、件作为辅助工具,有助于加深学生对各种概念和汽车性能的理解。同时,如果让学生能通过习题或课程设计的方式亲自动手尝试完成上述示例,能巩固对MAT-LAB 软件的学习;因为学习软件或程序设计语言,最好的途径就是结合具体问题的实践。此外,汽车理论上的各种性能的分析,无疑会出现在学生将来的工作任务之中,当前的学习方法已经为未来的项目提供了部分的解决方案。有“一石三鸟”的功效,我们何乐而不为呢?参考文献1余志生.汽车理论(第三版.北京:机械工业出版社,2000.102邹政耀,陈茹雯.MATLAB 在汽车理论教学中的应用J .科技信息,2008年第25期,p186-1873湖北汽车工业学院汽车工程系电测与汽

15、车数字应用中心.MAT-LAB 及应用实验指导书M .十堰:湖北汽车工业学院,20084黄兵锋.MATLAB 教学中的几个关键问题探索J .湖北汽车工业学院学报(第23卷,2009年增刊,2009.8,p186-187(上接第114页合格的基础上,使全网的网损最小。预先计算控制措施的效果,避免补偿设备的投切震荡,尽量减少设备动作次数。全局无功优化需要状态估计的数据做基础,给出的策略是否可靠,在很大程度上要受状态估计运行结果的限制,而状态估计的运行结果又需要参数数据、网络结构、SCADA 量测数据等大量可靠数据的支持,所以全局无功优化的需要自动化系统的高可靠性。地区电网的电压无功控制着眼于的网络

16、范围来调节设备,为能够更好的进行控制,需要实现和上下级电压无功控制功能的通讯与协调。下级电网的电压水平可能需要上级电网的变压器分头来进行控制,上级输送的过大的无功功率也可能需要下级电网的电容器来进行调节,实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡,主变分接开关调节次数最少和电压合格率最高的目的。在综合控制模式中,由于对变压器档位的调节是在综合考虑分头调节对全网电压影响的情况下调节上级变压器的分接头,所以在某些情况下,根据此方法给出的调节策略可能是调节上级电力公司控制的变电站中的变压器。在这样的情况下,VQC 功能只能向上级VQC 功能发出调节变压器档位的请求,请求上级VQC 去调节变压器的档位

17、。本地区的VQC 功能也要能够接受上级VQC 功能给出的调节策略。在本地电压和无功合格的情况下,如果接受到上级VQC 功能的调节策略,在设备动作后不引起本地电压越限的情况下,可以进行设备的调节,从而改善整个网络中的电压和无功水平。在确保电网与设备安全运行的前提下,从全电网角度进行无功电压优化控制,实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压,实现主变分接开关调节次数最少和电压合格率最高,实现输电网损率最小,进一步提高电网调度自动化水平。此种方式是我国今后供电网络无功电压优化控制的方向。目前,在欧、美、日本等一些发达国家,SVC 补偿装置已经取得广泛应用,STATCOM 补偿装置的产业化也有将近十年的时间。在国内,机械投切电容器(MSC装置以其低廉的价格,依然占据很大的市场份额。目前国内企业只能供35kV 及以下的SVC 装置,国内的STATCOM 技术尚处试运行阶段,还要在技术上和产业化上继续努力。相比之下,无功补偿策略和控制装置的研究已逐渐赶上世界先进水平,在某些方面也出现了具备中国电网特色的先进技术。大功率电力电子器件技术与先进的控制理论结合必将成为今后电力系统自动化的发展方向。参考文献1韩祯祥.电力系统自动控制.浙江大学出版社2R amasamy Natara