CarSim与Simulink联合仿真

1 软件介绍

在MATLAB中，Simulink是用来建模、仿真和分析动态多维系统的交互工具。可以使用Simulink提供的标准模型库或者自行创建模型库，描述、模拟、评价和精化系统行为，同时，Simulink和MATLAB之间的联系十分便捷，可以使用一个灵活的操作系和应用广泛的分析和设计工具。最后，除了可以使用Simulink建模和仿真之外，还可以通过其他软件联合来完成更多的分析任务，如CarSim、ADAMS、AMEsim等许多软件。
CarSim是专门针对车辆动力学的仿真软件，CarSim模型在计算机上运行的速度比实时快3-6倍，可以仿真车辆对驾驶员，路面及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性，同时被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发。CarSim可以方便灵活的定义试验环境和试验过程，详细的定义整车各系统的特性参数和特性文件。CarSim软件的主要功能如下：

适用于以下车型的建模仿真：轿车、轻型货车、轻型多用途运输车及SUV；

可分析车辆的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、制动性及平顺性；

可以通过软件如MATLAB，Excel等进行绘图和分析；

可以图形曲线及三维动画形式观察仿真的结果；

包括图形化数据管理界面，车辆模型求解器，绘图工具，三维动画回放工具，功率谱分析模块；

程序稳定可靠；

软件可以实时的速度运行，支持硬件在环，CarSim软件可以扩展为CarSim RT, CarSim RT 是实时车辆模型，提供与一些硬件实时系统的接口，可联合进行HIL仿真；

先进的事件处理技术，实现复杂工况的仿真；

友好的图形用户界面，可快速方便实现建模仿真；

提供多种车型的建模数据库；

可实现用户自定义变量的仿真结果输出；

可实现与simulink的相互调用；

多种仿真工况的批运行功能；

2 CarSim与Simulink联合仿真

2.1 Simulink接口

1) 变量由Simulink导入CarSim（导入变量）

可由Simulink导入到CarSim中的变量可达160多个，主要分为以下几部分：
控制输入
轮胎/路面输入
轮胎的力和力矩
弹簧及阻尼力
转向系统的角度
传动系的力矩
制动力矩及制动压力
风的输入
任意的力和力矩

图2.1 CarSim导入变量分类

我们可以在Simulink中定义变量，也可以在其他软件中定义并导入Simulink模型中，导入的变量将叠加到 CarSim内部相应的变量中。

2）变量由CarSim导入Simulink（导出变量）

导出变量可以应用于用户自定义的Simulink模型，CarSim的导出变量多达560之多，如车辆的位置、姿态、运动变量等。

图2.2 CarSim导出变量分类
图2.3为CarSim软件所提供的一个CarSim与Simulink联合仿真的例子
图2.3 简单驾驶员模型

2.2 CarSim与Simulink联合仿真

以CarSim中所提供的与Simulink联合仿真的一个例子为例（稍有修改），来介绍CarSim与Simulink联合仿真的整个过程。
例

说明：选用同一车型的两辆汽车，同样的仿真工况，但其中一辆加入在Simulink中建立的ABS控制器，相当于一辆汽车带有ABS，而另一辆汽车没有带ABS，方便对比。

(1) 双击桌面上CarSim的图标 ，运行CarSim，这里选用是的CarSim8.0版本；

(2) 出现‘选择数据库’对话框，如图2.4所示，选择好数据库文件夹后点击‘Continue with the selected database’，若想要不再出现此对话框，可以将左下角‘Don’t show this window the next time you start’选中；

图2.4 选择数据库

(3) 然后将会出现如图2.5所示的对话框（‘许可设置’），选择‘Select’，即可打开CarSim的主界面，如图2.6所示；

图2.5 许可设置

图2.6 CarSim主界面
由图2.6可以看到在CarSim主界面中，主要有三大部分：车辆参数及仿真工况的设置、数学模型求解、后处理。用户可以修改车辆参数，根据需要来设置仿真工况，图2.6中所示为双移线仿真工况。在后处理部分，可以显示模型的仿真动画及绘制仿真曲线，如图2.7。

图2.7 仿真动画与曲线

(4)点击 ，来新建一组dataset，如图2.8，在两个文本框中分别输入’Example’和’ABS’，然后点击’set’，以完成新建。

图2.8 新建dataset

(5) 选择’datasets’下拉菜单，看有何不同，如图2.9。

图2.9 第(4)步中所建的dataset

(6) 点击图2.10(a)中的下三角，选择相应的车型，如图2.10(b)。

(a)
(b)
图2.10 选择车型

(7)新建一个所要求的仿真工况：

( 1)点击图2.11中所示的工况，如图2.12所示。

图2.11 120km/h双移线仿真工况
图2.12 120km/h双移线仿真工况的主界面
2) 新建仿真工况，点击+ ，在图2.13中的文本框中依次输入‘ABS Example’和‘Split Mu’，点击‘Set’完成新建。

图2.13 新建仿真工况
3) 根据例子中的要求设置仿真工况：
 初始车速为65km/h；
 节气门开度为0；
 2s后紧急制动；
 档位控制选用闭环四档模式；
 方向盘转角为0deg；
 路面选择对开路面；
完成设置后，如图2.14所示。

图2.14 仿真工况设置
4) 设置仿真时间：
同样在设置仿真工况的主界面里，在如图2.15所示的文本框内输入‘10’。

图2.15 仿真时间设置
5) 选择前面新建的仿真工况：点击home ，返回CarSim的主界面，选择前面新建的‘Split Mu’工况，如图2.16。
图2.16 选择仿真工况
6) 设置仿真步长：
在CarSim主界面下，点击下拉菜单‘Tools’，选择‘Preferences’，出现如图2.17的界面，在图中红色圆角矩形框内，将仿真步长设为‘0.001s’。
图2.17 设置仿真步长

(8) 点击 Run math model运行数学模型，计算结束后，点击Animate ，观看仿真动画，看一下无ABS车辆在对开路面上紧急制动的效果，如图2.18所示，也可以点击 Plot来绘制曲线。

图2.18 仿真动画显示

(9) 建立CarSim与Simulink联合仿真的模型：

1) 点击如图2.19所示的下三角，选择‘Models:Simulink’。

图2.19 选择Simulink接口

2）点击如图2.20所示的下三角，选择‘[Link to New Dataset]’。

图2.20 Link to New Dataset

3) 此时将弹出一个如图2.21所示的对话框，在文本框中依次输入‘Example’和‘ABS’，点击copy and link 完成新建，如图2.22。

图2.21 新建一个与Simulink联合的Dataset

图2.22 选择建立的‘ABS’dataset

4)点击ABS ， 如图2.24所示，

注意到：①浏览工作路径：在这里选择D:\Program Files\CarsimData；
②Simulink Model的路径：在D:\Program Files\CarsimData\Extensions\Simulink目录下新建一个空白的Simulink Model，命名为ABS.mdl。点击 浏览ABS.mdl，如图2.23所示

图2.23 选择路径

图2.24 Simulink {Example}ABS的主界面

5) 定义CarSim的导入变量：

点击如图2.25(a)所示的下三角，选择‘I/O Channels:Import’，然后按图2.25(b)、©新建导入变量；

(a)

(b)

c
图2.25 新建ABS input
点击 ABS input，显示如图2.26，这里需要浏览找到Readme file for output，这里为Programs\solvers\ReadMe\i_i_imports_tab.txt。定义CarSim导入变量为4个车轮的轮缸压力，顺序依次为：IMP_PBK_L1(左前轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_R1(右前轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_L2(左后轮缸压力[MPa])、IMP_PBK_R2(右后轮缸压力[MPa])，记下导入顺序。
图2.26 定义CarSim导入变量

6）定义CarSim的导出变量：

步骤同5) 定义CarSim的导入变量相同，首先新建名为ABS output的一个dataset。点击 ABS output，弹出如图2.27所示的界面，这里需要浏览找到Readme file for output，这里为Programs\solvers\ReadMe\i_i_outputs_tab.txt。定义CarSim的导出变量依次为：Vx_L1(左前轮速[km/h])、Vx_R1(右前轮速[km/h])、Vx_L2(左后轮速[km/h])、Vx_R2(左前轮速[km/h])、Vx_SM(汽车质心处的速度[km/h])、Pbk_Con(主缸压力的控制输入[MPa])，记下导出顺序。

图2.27 定义CarSim导出变量

7) 点击Home ，返回CarSim主界面，然后点击图2.27所示的 ，此时Matlab及前面所新建的空白的模型ABS.mdl将被打开，如图2.28。

图2.27 数学模型求解器
图2.28 MATLAB Command Window及ABS.mdl

8）在MATLAB Command Window中键入simulink，回车，打开Simulink Library Browser，注意现在的Simulink Library Browser比单独运算MATLAB/Simulink时多了一个‘CarSim S-Function’，如图2.29所示，将 拖拽到ABS.mdl里，显示为 ，注意此模块恰好有一个输入接口和一个输出接口，分别对应着CarSim的导入变量和导出变量 。

图2.29 含有CarSim S-Function模块的Simulink Library Browser

9) 在ABS.mdl中加入ABS控制策略，CarSim的导出量经过Simulink计算，决策出各个轮缸的压力，然后导入到CarSims模块里，如图2.30所示

图2.30 CarSim与Simulink联合仿真的ABS控制模型

10) 返回CarSim主界面，点击Run now ，运行结束后，再点击send to simulink ，弹出ABS.mdl，如图2.30，点击模型的 ，即可运行整个模型。

说明：若对CarSim软件里的参数(车辆参数、仿真工况等)进了修改，则要再点击Run now ，运行结束后，然后点击 send to simulink，来重新读入修改后的参数，最后点击模型的 ，运行整个模型；若只在Simulink模型里作相应的修改，不影响CarSim中的参数，直接点击 即可。
图2.31加入ABS控制后，车速与各轮速的关系曲线

11) 观察加入ABS控制后的车辆行驶，点击Animate ，查看动画，如图2.32，同样也可点击 绘制plot曲线。

图2.32 带有ABS控制的仿真动画

(10) 在前述操作的基础上，为了更好的显示ABS控制效果，采用同样车型，同样的仿真工况，而其中一辆加入了ABS控制，另一辆不带ABS。

1) 在CarSim主界面下，点击NEW ，新建一个dataset如图2.33所示，点‘Set’完成操作。图2.33 新建No ABS Control dataset

2) 取消与Simulink联合仿真的选择，如图2.34，选择‘[No linked library]’。

图2.34 取消与Simulink联合仿真

3) 选择CarSim主界面右下方的 ，选择前面所建立的dataset，如图2.35，完成操作后，点击该处的，弹出ABS的CarSim的主界

图2.35选择dataset

4）完成上面3)操作后，点击该处的ABS ，弹出ABS的CarSim的主界面，同样按上面3)操作方法，选择在1)所建的‘No ABS Control’。在主界面右上角，选中SET RUN COLOR ，并设置为红色；

5）点击主界面上的 run math model ，运行模型，结束后，点击animate ，查看仿真动画，如图2.36所示，其中红色车辆为不带ABS控制的车辆。

图2.36 有无ABS控制的对比

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