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关键词:平顺性;减震器;奥迪轿车;数学模型
引言
汽车行驶平顺性的优劣直接影响到乘员的乘坐舒适性,并影响车辆动力性和经济性的发挥,是车辆在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。因而如何最大限度地降低汽车在行驶过程中所产生的振动,成为汽车行业的研究重点。本文以奥迪100轿车为例,建立相应的数学模型,进行力学分析得到系统振动微分方程。利用 Matlab/Simulink 仿真软件建立了动态模型,进行计算机仿真。分析了悬架阻尼系数、悬架刚度系数和轮胎刚度系数改变对汽车行驶平顺性的影响。
1.汽车动力学振动模型的建立
根据相应的减震器的机构如图1,我们先分析定义相应的物理量.
图1减振器的示意图
2. Simulink 的奥迪轿车减振器运动仿真
根据上文建立的数学模型我们通过MATLAB的simulink建立相应的仿真模型。如图2。
图2 Simulink仿真模型1
通过输入相应的参数进入图2模型就可以得到相应的结果为了实现同一个参数的变化会结果的影响方便比较我们将变化的结果通过图3显示。
根据之前的相关数据,建立simulink仿真模型,分别对簧载质量 、非簧载质量 、弹簧刚度 、车轮刚度 以及减振器阻尼系数C对于汽车平顺性的影响进行仿真分析,将仿真分析结果整理如下:
图3 不同速度阻尼系数C对应仿真
3.结论
以轿车为例,建立了汽车动力学动力学振动模型并分析了动力学参数对汽车平顺性的影响,得到如下结论:
3.1.适当增加前悬挂系统的阻尼和适当减小后悬挂系统的阻尼可以使汽车的平顺性得到提高;
参考文献:
[1] 潘立.基于人椅系统三向振动的汽车平顺性建模与仿真[D].杭州:浙江工业大学,2004.
关键词: 《电子技术基础》 实验教学 Multisim仿真软件
《电子技术基础》是中职电子类相关专业的一门重要的专业基础课程,是学习后续其他专业课程的基础。该课程与实践联系紧密,既有抽象的理论分析,又有具体的实际应用。学习电子技术基础,不仅要掌握其理论知识,而且要通过实际应用来加深对理论知识的理解。因此,实验教学是《电子技术基础》教学的重要环节,通过实验的学生可以更快、更好地掌握电路理论知识,培养实践能力。传统的实验教学方式是教师带领学生到实验室搭接实物电路,用仪器、设备观察实验结果,得出结论。但由于该门课程涵盖的内容多,全部采用传统的实验教学方式使得实验室工作量非常大,存在耗材成本大、实验效率低下的问题。随着计算机信息技术的飞速发展,把计算机仿真实验和传统的电子技术实验教学有机结合,将大大提高课程的教学质量和实验效率。作为一款专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件,Multisim具有先进的电路仿真和设计功能,有着传统实验不可比拟的优势,使得《电子技术基础》实验教学更加方便和灵活。
一、Multisim仿真软件简介
Multisim仿真软件是IIT公司近年来推出的一款基于PC平台的EDA工具软件。它提供了丰富的电子元器件库和种类齐全的电子仪器,相当于一个设备先进、功能完备的大型电子实验室。软件采用直观的图形界面,在计算机屏幕上模拟真实实验室的工作台。使用时,根据电路设计将所需的元器件和测试仪器连接成电路,接通电源开关,就可以得到测试数据,观察到测试波形。借助该软件可以进行各种电路的仿真实验,不仅可以节约大量的时间和资金,而且不必担心损坏元器件和仪器。
二、Multisim仿真软件在《电子技术基础》实验教学中的应用
1.化被动为主动,提高实验教学效率。
电路实验通常分为实验预习、实验过程和实验报告三个环节。实验前教师一般都会要求学生对实验进行预习,其目的是通过预习,让学生熟悉实验内容,明确实验目的,了解实验步骤,以便在实验时能集中精力做好实验,避免实验操作的盲目性。但是往往学生对“纸上谈兵”式的实验预习不感兴趣,即使按照讲义预习,也大多流于形式、应付了事,效果自然可想而知,这是多年来传统实验教学中存在的一个老大难问题,一直没有好的解决办法。利用Multisim仿真软件可为学生创设一个生动、形象、直观的学习环境,提高学生预习的兴趣。在真实实验前,教师把要仿真的实验内容和可能遇到的问题通过适当的方式表述给学生,学生利用Multisim仿真软件在计算机上进行电路仿真模拟实验过程,能够充分地掌握实验内容、步骤等。仿真实验过程和现象可以多次重复,比传统实验教学前教师反复讲解实验内容、注意事项和学生预习讲义的效果要好得多。在真实实验时,学生能做到心中有数,教师也可以把更多的精力放在对学生的指导监督上,提高实验教学效率和质量。对实验中遇到的问题,学生可以随时通过在计算机上仿真加以解决。
2.变无形为有形,提升课堂教学效益。
随着中职生源素质的不断下降,学生普遍存在文化基础薄弱、学习积极性和主动性不高的问题,给《电子技术基础》课程的理论教学带来不小的挑战。而中职教育具有的直接的岗位指向性,要求《电子技术课程》课程教学的重点应放在电子元器件或集成电路的外部特性及其实际应用上,以适应职业岗位的需求。Multisim仿真软件让《电子技术基础》教学有了全新的表现形式,能将抽象的知识形象化,避免了繁琐的推导和计算,从而能更好地吸引学生的注意力,加深学生对知识的理解和记忆。以滤波器工作特性分析为例,滤波器是电子技术中一个重要的电子器件,但是通过实验验证滤波器的工作特性却很困难,因为很难产生一个含有符合能很快实验要求的噪声信号让滤波器去处理。以往在实验中一般采用测量滤波器带宽的方法来验证,学生难以直观地观测。利用Multisim仿真软件搭接一个50Hz的带阻滤波器电路,观察虚拟的双踪示波器获得的电路输入端和输出端的模拟仿真波形图,其中上部波形是含有50Hz噪声的正弦波信号,下波波形为滤除50Hz噪声后的正弦波信号,这样,学生看起来非常直观,能很快建立起滤波器的概念。
3.从验证到设计,增强学生实践能力。
传统的实验教学,教师在课前准备好仪器设备,学生按照实验步骤连接固定电路,然后观察实验结果,记录数据,基本都是一些验证性实验。由于没有从设计角度进行理论分析和电路设计,因此学生无法进行实际的应用开发。而以就业为导向的职业教育强调对学生职业能力和素养的培养,应用Multisim仿真软件《电子技术基础》原有的学科知识体系被解构,取而代之的是以工作过程为导向精心设计的项目。学生通过完成与实际应用结合紧密的小型电子产品的制作,主动获取知识、形成能力。利用Multisim仿真软件提供的实验工作平台,学生可以很方便地在计算机上对设计的电路进行仿真实验,从而可以快速地发现错误、修正错误。这样,一方面可以缩短电路设计的周期,减少元器件的损耗,节约实验成本,另一方面可以充分发挥学生的主观能动性,激发学生的学习热情,有利于学生创新能力的发展,培养学生分析问题、解决问题的能力。
关键词:MATLAB;Simulink;MEX编程;仿真动画
MATLAB®是一种高级工程计算语言,也是算法开发、数据可视化、数据分析、数值计算的交互式应用环境;Simulink®提供了强大的动态系统建模、仿真与分析功能。MATLAB/Simulink强大的科学计算、仿真和可视化功能,使其不仅在工程设计开发领域应用广泛,在课堂教学中也得到了关注与重视,各学科中的各类基于MATLAB的教学软件与工具包不断涌现[1-3]。
虽然MATLAB能方便地显示系统趋势曲线,但对于课堂教学而言,学生对于曲线形式的数据或趋势难有感性把握,而更能接受生动的动画形式的系统演化过程展示。这恰恰就是已有的各种MATLAB/ Simulink工具包所十分欠缺的部分。已有的MATLAB图形函数也难以绘制复杂生动的动画,使目前绝大部分常见的MATLAB教学应用都主要基于曲线绘制,很少见到动画形式的过程演示。文献[4]中虽然在特定MATLAB工具箱中提供的动画生成S函数中进行了适当修改来进行无人飞行器仿真过程的动画显示,但在文中并未对动画显示模块的构造和实现进行详细介绍。
本文研究的目的就在于寻找一种方法,能够利用已有编程语言的图形函数库来方便地绘制美观的动画帧,并能通过自定义的S函数模块恰当地调用动画帧绘制函数来加以显示,最终实现仿真过程美观流畅的动画演示。
1Simulink动画模块的S函数实现框架
S函数是Simulink模块的计算机语言描述,可以利用MATLAB语言或C、C++、Fortran语言来编写。利用MATLAB语言可以十分方便地编程实现一个S函数来完成所对应模块的功能。MATLAB Level-1 S函数的标准接口如下:
function [sys, x0] = animod(t, x, u, flag)
其中t表示当前仿真时刻,x表示模块输入,u表示模块状态变量输入,flag表示当前仿真过程状态。输出sys和x0则根据仿真过程状态的不同而有不同含义,既可设置模块输入输出数等参数,也可返回模块输出值。
在Simulink中通过鼠标拖放模块等操作设计好待仿真系统并进行仿真时,Simulink将会把与各模块相关的输入变量、状态变量和仿真状态等信息所为参数来调用模块的S函数,而模块的S函数则需根据这些参数做出响应,并在必要时输出结果。
与动画显示有关的Simulink仿真主要步骤与流程如图1所示。
Initialization是仿真开始时的初始化步骤,主要对模块的输入输出个数、连续和离散状态个数等参数进行设置,仿真过程中仅被执行一次的其他初始化工作也都可在此阶段进行;Outputs是模块输出的计算步骤;Update是处理模块离散状态改变、采样时刻改变等事件的场所,也是实现动画显示的主要部分;Termination则是在仿真结束之前执行各种清理操作的适当场合。仿真动画的显示主要涉及Initialization及Update两步:在Initialization中载入实现动画的相关参数与数据,并生成和管理动画显示窗口,而在Update中绘制对应当前时刻系统状态与输入的动画帧并显示。一般性的动画显示S函数的框架如下:
function [sys, x0] = animod(t,x,u,flag)
if isempty(flag)% 仿真过程状态为空
return;
end
switch flag
case 0% Initialization
% 绘制初始时刻的动画帧
frame = CustomDrawFrame(t,x,u);
% 管理动画显示窗口
…
% 显示初始时刻的动画帧
…
% 设置模块参数
sys = [0 0 0 1 0 0]; %单输入无输出模块
x0 = [];
case 2 % Update
% 绘制当前动画帧
frame = CustomDrawFrame(t,x,u);
% 显示当前动画帧
…
end
2动画帧显示与动画窗口管理
本文给出的动画显示方法中,将每一帧动画帧作为一幅图像来进行显示。假设利用用户自行编程实现的CustomDrawFrame得到了一幅动画帧图像frame,则可通过语句imshow(frame)显示该图像。但是,如果使用这种方法来显示每一帧动画,由于每次调用都会对窗口进行重新调整,因此会出现明显的闪烁感。更好的方法是,固定一个显示窗口,在进行动画帧显示时,通过直接重新设置窗口中的图像数据来实现动画的更新。
set(ImgH, 'CData', img);
其中ImgH是利用imshow生成的图像显示窗口的句柄。利用这种方法,可以获得动画显示中常用的“双缓冲”技术的效果,得到的动画平滑无闪烁。
要使用该方法,需要S函数能获取和跟踪这个固定的动画显示窗口。MATLAB中的窗口具有一个名为Tag的属性,可以通过将该属性设置为用户窗口的特有标识来进行窗口的获取和操作,具体如下:
%动画显示窗口句柄全局变量
global ImgH
%动画显示窗口标识符全局变量
global ImgID
…
frame = CustomDrawFrame(t,x,u);
%为动画显示窗口设置唯一的标识值
ImgID = myAnimBlockID;
%搜索当前MATLAB实例下Tag为
%ImgID的对象句柄
ImgH = findobj(0, 'Tag', ImgID);
%没有本动画显示窗口的实例
%产生新的显示窗口
if isempty(ImgH)
ImgH = imshow(img);
%将新窗口的Tag设置为ImgID,
%以防止重复生成显示窗口
set(ImgH, 'Tag', ImgID);
else
%通过设置显示窗口的CData属性来
%显示当前帧的图像
set(ImgH, 'CData', frame);
end
…
3利用MEX编程实现动画帧绘制
MATLAB虽然提供了若干数据可视化的功能与函数,但是在图形绘制方面则鲜有支持。另一方面,存在大量的其他编程语言使用的函数库,可以十分方便地进行2D乃至3D图形的绘制。利用MEX编程[5],可以使用C/C++/Fortran等语言及图形函数库来方便地绘制出美观的动画帧,进而完成动画显示。
C语言MEX函数具有如下标准接口:
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
每一个MEX函数模块都以DLL的方式被调用,并且上述的mexFunction必须被DLL输出。nlhs和nrhs分别表示MEX函数的输出和输入变量数,而plhs和prhs分别为MEX函数的输出和输入MATLAB变量列表。
以Borland® C++ Builder为例,动画绘制的MEX函数实现框架大致如下:
#include "mex.h"
void__declspec(dllexport)mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
const mxArray *t = prhs[0], *x = prhs[1];
const mxArray *u = prhs[2];
Graphics::TBitmap *frame =
new Graphics::TBitmap;
// 设置动画帧的大小和色彩等
MySetFrameFormat(frame);
/* 根据t、x、u绘制对应的动画帧。绘制时可以使用TBitmap::Canvas中提供的各种图形函数如Rectangle、Pie、Polygon、FloodFill等。*/
MyDrawFrame(frame, t, x, u);
// 输出绘制得到的动画帧的图像数据
plhs[0] = mxCreateNumericArray(3,
dims, mxUINT8_CLASS, mxREAL);
MyBmp2MatlabArray(frame, plhs[0]);
delete frame;
}
在MATLAB中,图像的表示十分简单,就是一个二维(灰度图像、二值图像或索引图像)或三维(RGB图像)数据矩阵,其中的元素值就代表了对应位置上像素的灰度值或色彩分量值。而其他编程语言的图形库中所使用的图像类(如上面使用的TBitmap类)需要通过用户编程来转换成为图像数据矩阵后再输出到MATLAB中进行图像显示,这也就是MyBmp2 MatlabArray函数的作用。在利用C++ Builder编程时,通过使用Graphics::TBitmap::ScanLine属性,可以快速地访问和操作图像的底层数据,使动画帧的更新速度提高,从而使动画平滑流畅。对于其他语言或图形函数库,则需根据具体情况进行MyBmp2 MatlabArray的高效快速实现。
4结语
本文给出了一种在MATLAB/Simulink中实现仿真过程动画显示的方法,通过S函数来编写动画显示模块以便集成到Simulink仿真模型之中,利用MEX编程来运用其他语言的图形函数库,进行动画帧的便捷美观的绘制,并最终实现仿真过程美观平滑的动画显示。通过仿真过程动画展示,可以使利用MATLAB/ Simulink仿真功能的课堂教学更具生动性,使学生更能获得对系统动态特性的感性认识。
参考文献:
[1] A Gelen, T Yalcinoz. An Educational Software Package for Thyristor Switched Reactive Power Compensators Using Matlab/Simulink [J]. Simulation Modelling Practice and Theory,2010,18(3):366-377.
[2] 王松. 基于MATLAB的系统仿真教学软件的设计[J]. 计算机仿真,2005,22(11):278-281.
[3] 张星辉. 在大学物理教学中使用Matlab制作图像和动画的几个实例[J]. 大学物理,2004,23(9):59-62.
[4] 李聪颖,顾文锦,王士星. 基于Animation的6-DOF无人飞行器可视化半实物仿真[J]. 计算机仿真,2004,21(12):7-9.
[5] 张威. MATLAB外部接口编程[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2004:22-85.
Animation for Educational Simulations Based on Simulink/MEX Programming
GUO Si-yu 1, BAO Mei-hua 2, TANG Qiu 1, WEN He 1
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Department of Pharmacy, Changsha Medical University, Changsha 410219, China)
(一)教育目标及有关概念辨析
教育目标是指教育活动力求要达到的效果。具体来讲,教育目标即对教育目的、培养目标、教学目标的统称,可指代教育目的、教育方针,也可指代某一学科的培养目标,还可指代各级各类学校的培养目标。它既与教育目的、培养目标相联系,又不同于教育目的和培养目标,所以我们在阅读文献时,应注意理解教育目标背后指代的含义。倘若是指培养受教育者的总目标,可理解为教育目的倘若是指各级各类学校各专业的具体培养要求,可理解为培养目标。培养目标是教育目的的下位概念,是考虑到学生身心特点以及各级各类学校教育任务而制定的,是教育目的的具体分解。①
教育目的是指教育意欲达到的归宿所在或所预期实现的结果,是教育活动的出发点和归宿,反映了社会对教育活动在努力方向、社会倾向性和人的培养标准等方面的要求和指向,具有社会性和时代性等特点。我国的教育目的是造就德、智、体、美、劳全面发展的社会主义建设者和接班人,其宗旨是为人民服务,为社会主义现代化建设服务,其教育方式是与生产劳动和社会实践相结合。②
教育方针是国家在一定历史阶段提出的教育工作发展的总方向,是教育基本政策的总概括。教育方针的内容一般包括教育性质、教育目的及实现教育目的基本途径等。教育方针的核心问题是培养什么结构素质的人。在不同的历史时期,我国教育方针的特点和侧重点都有所不同。当前,我国教育方针正从专注于现实性,逐渐向现实性与理想性融合转变,育人为本、服务人民的理念越来越成为新时期国家的教育追求,成为我们拟定新时期教育方针的核心原则。③
综上所述,教育目标属于教育目的的下位概念,它所体现的是不同性质的教育和不同阶段的教育价值,是根据社会不断发展和人的基本需求,对教育活动所规定的目的、方向和要求,是教育活动结果所应达到的标准、规格和状态。
(二)课程目标
课程目标是指导整个课程编制过程的最为关键的准则,是指特定阶段的学校课程所要达到的预期结果,是确定接下来的课程内容、教学目标和教学方法的基础。课程目标通常具有整体性、层次性、持续性、阶段性、递进性和时间性等特征。④
一般而言,课程内容的选择和组织、课程的实施和评价都应当围绕课程目标进行。基于大课程小教学理论,课程目标位于教育目的与教学目标之间,属于教育目的的下位概念,同时是教学目标的上位概念。除了对教学目标制定有较大的影响之外,课程目标对课程的整个编制也有非常重要的理论指导价值,是课程从内容设计到实施直至评价的重要依据。
(三)教学目标
很多文献会把目标同目的混淆。其实,在英文文献中,这两种用法往往有所区分:目的通常是指某一国家或社会为实现一定的教育目的或者教育理想,在其教学领域内向教师提出的一种总体性、概括性要求,其涵义往往与教育者的主观愿望等同,是一种方向性的宏观指示。目标则是指在具体情景中学生行为变化的结果,是教学中师生预期达到的学习结果和标准。一般而言,目标通常是可观察、可测量、可评价的,是策略性的,加之时间、情景等条件所限,是教育目的的具体化。⑤基于大课程小教学理论,教学目
标是课程目标的下位概念,是对学生在学完一个指定的教学单元之后能够做出什么事情更精确、更详细的表述。教学目标表明了特定教学任务期望学生达到的行为标准和表现,是学生在学习任务结束后要达到的有实际意义的结果。它涉及的范围,大到对于一门课的一个学期、一个学年,甚至一个学段的要求,小到对于一个课时,甚至一个知识点的要求。
二、教育目标、课程目标、教学目标三者之间的关系
关 键 词:学校体育;高考制度改革;体质健康
中图分类号:G807 文献标识码:A 文章编号:1006-7116(2012)05-0085-04
Rational thinking about including physical education in the National College
Entrance Examination system
ZHOU Ming
(School of Physical Education,Jinan University,Jinan 250022,China)
Abstract: The purpose of National College Entrance Examination (NCEE) in China is to select morally, intellectually and physically developed socialist constructors and successors. Including physical education in the reform of NCEE is conducive to implementing related state policies, maintaining the continuity of student health education at the basic education stage, enhancing makings education, and boosting the promotion of school physical education status and the development of physical education activities, but also affected and restricted by factors such as politics, economy, society, technology etc.
Key words: school physical education;reform of National College Entrance Examination;physical health
高考作为一项人才选拔制度,不仅关系到我们国家的发展、社会的稳定和考生的根本利益,同时,高考所具有的导向作用也直接影响着基础教育的发展方向[1]。1995年国务院颁布的《中华人民共和国教育法》中明确规定我国的教育方针:“教育必须为社会主义现代化建设服务,必须与生产劳动相结合,培养德、智、体等方面全面发展的社会主义事业的建设者和接班人。”高考作为我国教育的一个组成部分,其评价体系和选拔标准应该与我们的教育方针保持一致,因此,我国高考的目的也应该是选拔德、智、体全面发展的社会主义建设者和接班人[1]。
随着我国国民体质检测数据的不断公布,青少年体质总体水平持续下降的现象引起了中央和社会各界的广泛关注,一些专家、学者、人大代表、政协委员提出将体育纳入高考科目的改革方案,其目的是通过高考的导向性作用,促进中小学体育活动的开展,改善学生健康状况。提议本身符合国家教育方针和高考改革发展方向,但高考改革是一项系统复杂的工程,受到政治、经济、社会、文化等因素影响。本文分析我国后高考制度的发展历程及将体育纳入高考的有利和不利因素。
1 后高考制度发展历程