动力传动工程教学虚拟引擎实验室外文翻译资料

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动力传动工程教学虚拟引擎实验室

1 | 介绍

工程教育需要结合许多实际的方面，这是专业的关键所在[1] 。在早期的工程教育当中，实验课可以很简单地演示基本的物理原则。小型而廉价的仪器可以用来说明热力学、力学、或流体力学等领域的基本原理。在工程教育的晚期，例如，在硕士阶段，所教的概念更加复杂。这些概念的实际应用需要更大、更精密、通常也更昂贵的实验室。 汽车教学当中一个教育实例是发动机控制器标定问题。. 这项技能要求工程师根据发动机或车辆试验设备测得的实验数据来优化控制算法的参数。 然而，像这样以教育为目的测试设备的使用是非常昂贵的，对多数大学来说也是不合适的。 其结果是，以课堂为基础的教育活动不能激发出更高层次的学习，而且在最坏的情况下，只鼓励了背诵而没能促进理解[20]。

本文的目的是建立一个用于汽车工程教育的虚拟实验室应用程序，并演示如何使

用它来改进发动机校准课程的教学。

2 | 背景

2.1 | 动力总成标定中的学习目标

动力总成标定是汽车工程领域工程实践的一个实例。这项工作需要使用实验设计（DOE），实验数据采集和处理，数学回归建模和优化技术[3,9,23] 。参加这门课程的学生有基本控制理论的背景，但对许多人来说，这将是他们第一次接触到实际系统的应用。 这个应用程序可以被认为是一个门槛概念，但没有实际经验很难教[ 10 ]。

实现虚拟引擎测试实验室的动机来自于对硕士课程的评估格式和学生反馈的历史分析。硕士课程的授课内容完全是以定义为主，以论文为基础的范例为主。课程回顾突出强调以“记忆”作为主要的学习活动。 这是位于知识或记忆的Bloom的分类水平，并且关键的是它与要求学生“分析”的硕士水平的课程的所要达到的预期学习结果的不匹配。以这种形式，不允许学生把理论付诸实践是不可能达到更高层次的学习的 [2,7]。事实上，对前5年考试的分析表明，60 - 80%的分数是因为简单地描述演讲材料中介绍的方面而获得的。为了创造一个理想的学生学习环境，活动和评估必须与方法的应用相一致。

理想的情况是，每个学生都能在真正的发动机测试设备上应用工程理论，花费大量时间练习加深他们的理解。然而，这种设施的成本以及运行全动力传动系统试验设备的所有管理知识都禁止这种选择。因此我们选择了虚拟实验室方法。

2.2 | 虚拟实验室综述

使用虚拟实验室已被证明是对除最年轻的以外的其他所有学习者最有效的[ 4 ]。关键的不足之处是，一些概念需要经历才能得到充分的接受和理解。一个很好的例子是在低于100℃的温度下，水在较低的压力下沸腾。虚拟实验室的研究表明，如果经验足够现实，那么它的好处就等同于真实的实验室[7]。 当虚拟实验室可以提供足够的实际方面的东西[2] 并避免通过不友好的编程环境来阻碍学生时，尤其是这种情况[10]。

在文献中可以找到三类虚拟实验室:

1、模拟部分或全部实验室环境的虚拟现实实验室。这些工具可以单独使用或与真实实验课和实例相结合的方式。例子包括labskills化学学习工具[ 1 ]和亚利桑那大学地质学基础实验室[ 4 ]。

2、只使用部分实验设备进行会话而使用计算机模拟提供其余部分的实验室。这种方法仍然在实验室环境下进行，但降低了设备的总体成本。来自文献的例子包括布拉德福德大学的发动机校准实验室（19）和密歇根大学的巡航控制实验室[ 13 ]。虽然这些例子可以被归类为虚拟实验室，但它们仍然需要一个专门的实验室空间和设备，这限制了学生进入学习氛围。 这些实验室也可以被改造成远程实验室，这样学生可以通过因特网链接远程操作设备。

3、完全基于软件的并提供了基于计算机的模拟模型交互的虚拟实验室。赛车学院[ 27 ]就是这样一个目前被广泛使用的实验室的例子，但它被构造作成为一个游戏，因此它没有给学生实验室的感觉。我们也可以在文献[ 18 ]中找到一个燃气轮机的例子。

以上的实验室类型1和3的优点是他们是基于软件的，因此有机会被转变成完全在线活动，但它们受制于所需的计算机开销。

有的文献中的虚拟引擎实验室的例子很少，这很可能是因为对需要创建引擎模型的人来说，这些都是他们自己一个课题的研究或商业工具[ 11,25 ]。然而，这一话题越来越受欢迎，大学也需要响应工业界对该领域专门知识的需求[ 15 ]。

布拉德福大学的虚拟实验室[ 19 ]是一个半虚拟实验室，仍然在实验室环境中运行。一个真正的引擎控制器被使用，但是连接到了一个专门的计算机，它拥有实时引擎模型。事实上，实验室代表了汽车制造商的一些实际装置，他们使用在回路中的硬件来开发他们的控制策略[ 24 ]。这里的优势在于学生们仍处于实验室环境中，必须与某种真正的硬件进行接触。然而，不利的一面是，由于仍然需要实验室设施，学生的访问因此受到限制。

2.3 | 虚拟实验室在动力传动工程中的适用性

动力总成标定的实验通常是在发动机试验装置上进行的。测试设备本身包括一个测试单元，该测试单元包括连接到主机计算机系统的引擎，该引擎驱动测试单元并记录数据（参见图1）。当测试单元运行时，工程师的角色主要是与计算机屏幕交互，根据测试计划和记录数据设置操作条件。在大多数设施中装有安全系统，在危险的运行条件下将关闭设施。

在这项工作中，人们认识到，不需要真正的发动机测试设备就有机会重现工程师的经验（主机系统接口）。通过复制基于计算机的用户界面并将其链接到引擎的数学模型，可以在任何计算机上执行工程任务。这将使学生能够进入这些设施，将动力传动系校准理论付诸实践。虚拟实验室的按需供应将鼓励独立的和相互支持的学习方式[ 18,19,22 ]。实验课将不再有时间表的约束，并且校内校外实习都将得到允许。这种配置所需的计算机模型在提供教学的研究小组中很容易获得，因此这种方法也在研究和教学之间创造了一个自然交流平台。

我们还进一步认识到，这种测试设备主机系统的配置并不是发动机测试设备所独有的。我们可以以灵活的方式创建用户界面，以便将其应用到不同学科的其他应用程序中。

因此，这项工作的目的是创建一个可以连接到工程和科学系统的数学模型的通用的用户界面，让它为学生提供在任何台式计算机上操作复杂实验设备的经验。

图一： 内燃机实验室设施的典型布局

3 | 虚拟实验室的描述

3.1 | 真正的发动机实验室

在工业和大学中，测试设备是评价发动机系统性能的常用工具。他们的目的是测量发动机的行为，而无需整车。这使得测试有了更多的控制，但也允许发动机与车辆同时开发。

如图2所示有一个典型的测试设备。它所使用的发动机没有齿轮箱，传动系统，或车辆，它的输出轴代替了驱动机和测功机（电机）。测力计用于制动发动机，从而复制车辆的阻力、摩擦力和惯性力。测力计可以控制，以保持目标转速，并将吸收或提供动力，保持速度。发动机需要吸收的动力量取决于发动机工作的力度，它通过加速油门踏板来调节（就像汽车里的发动机）。

该试验台连接到一个计算机系统。这个系统被称为主机系统，它控制电机的速度和加速踏板，但它也：

1、控制冷却风扇和冷却水流量。

2、记录安装在测功机上的仪表的数据。

3、与发动机控制器通信，修改设定点，例如燃烧时间、排气再循环阀的开启和涡轮增压器的操作。

主机系统是虚拟实验室的关键系统，因为它是工程师和试验台之间的接口。主机系统的图形用户界面（GUI）的显示包含以下元素（如图3所示）：

1、切换测试床系统开启/关闭按钮（测功机、燃料供应、冷却风扇等）。

2、来自各种传感器的实测值流。

3、监视关键发动机运行情况的转盘和仪表。

4、观察选定的数据信道时间历史的示波器。

5、将数据记录到数据文件的特性。

6、提醒用户测试单元的某些条件（如发动机太热等）。

图二 ：发动机测试单元的布局

图三：主机系统的典型用户界面

3.2 | 界面结构

数学网络MATLAB被用作为创建用户界面的环境。之所以选择它，是因为它是跨学科的并且被广泛应用于大学内部的通用工具。此外，许多图形组件已经存在于MATLAB中，如按钮、图形和数据存储。MATLAB也是用于研究的系统的计算模型的共同环境，这是虚拟实验室的另一个关键输入。通过在MATLAB中托管用户界面，这将减轻对模型的链接。最后，这将鼓励学生接触这个通用的工具，以发展他们的编码能力，并为虚拟实验室作出贡献。

为了方便跨学科使用该工具，用户界面被构建为软件组件库，它可以由中级程序员轻松安排，可以为将来的虚拟实验室应用创建新接口。虚拟实验室环境的结构如图4所示，它的构造是为了促进未来的使用。基本接口组件被存储并记录为编程对象，可以方便地为了将来的应用程序而个性化。

虚拟引擎实验室的实际应用被存储作为一个案例研究和应用实例来激励未来用户。其核心用户界面和应用程序由两名对计算机编程感兴趣的就读机械工程专业的大学生所创造完成。

图5显示了用户界面中的一些示例屏幕，该屏幕被设计成模拟图3所示的测试单元接口的屏幕。用户界面与引擎模拟模型进行交互，与研究版本相比，该模型具有最小的修改。事实上，该模型将在没有用户界面的情况下运行，允许它独立地更新以提供未来所需的特性。该模型及其与GUI的交互将在下面的章节中详细介绍。

用户界面作为一个脚本而存在，学生必须在MATLAB运行此脚本。安装和启动脚本的特定指导一旦激活，学生将只使用GUI工作。这样，代码既可以公开供学生探索，又不妨碍对计算机编程不太感兴趣的学生。

图4：虚拟实验室环境的编程结构

图5: 来自虚拟实验室的屏幕截图显示（a）启动页面 （b）主输入页

（c）主输出页和（d）交互式示波器页

3.3 | 发动机模型

发动机模型是从一些来自研究活动的子模型中发展出来的。完整的发动机模型是基于物理模型和经验模型的组合，它能捕捉发动机运行的不同

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