车辆纵向分层跟踪控制 carsim 与 simulink联合仿真实现车辆速度跟踪控制 上层：双PID 控制器 下层：逆驱动模型、逆制动模型，驱动制动切换模型

车辆纵向分层跟踪控制carsim 与 simulink联合仿真实现车辆速度跟踪控制上层双PID 控制器下层逆驱动模型、逆制动模型驱动制动切换模型上层包括位置 pid 与速度 pid 两个控制器求的是加速度的补偿值并将其转化为驱动力矩与制动主缸压力并且驱动力矩与发动机转速转化为节气门开度最后 carsim 的输入为节气门开度与制动主缸压力。同时上层包含驱动力矩与发动机转速转化为节气门开度的小程序如图所示发动机map 图下层控制器保证合理地驱动和制动即切换模块如图所示。可自定义期望纵向速度曲线版本 carsim2019.0➕simulink2022a先运行文件 1生成 map三位维图MATLAB 代码包含发动机 Map 图的生成文件 1以及 Simulink 中用于Map 数据的脚本。clear; clc; close all;% — 1. 定义发动机转速和节气门开度范围 —% 转速范围500 rpm 到 6000 rpmengine_speed 5006000;% 节气门开度0 到 100%throttle_pos 0:5:100;% — 2. 构建发动机扭矩 Map (仿真数据/拟合数据) —% 在实际工程中这里通常读取 Excel 或 CSV 测试数据% 这里使用经验公式模拟发动机特性曲面[Speed, Throttle] meshgrid(engine_speed, throttle_pos);% 模拟扭矩曲面公式 (仅作演示实际请替换为真实台架数据)% 扭矩随转速先升后降随节气门线性增加Torque (Throttle/100) .* (-1e-5 .* (Speed-3500).^2 250);% 修正物理边界转速过低时扭矩为0Torque(Speed dead_zone * m% — 驱动模式 —brake_pressure_out 0; % 制动释放% 逆驱动模型力 - 扭矩 T_engine_req (F_cmd * r_wheel) / (i_gear * eta); % 逆查表扭矩 转速 - 节气门 % 注意此处需调用 Simulink 的 n-D Lookup Table 模块 % 或者在此处加载预先计算好的 Map 数据 rpm v_current / (pir_wheel) * 60 * i_gear; % 估算转速 % 伪代码逻辑throttle LookupTable(T_engine_req, rpm) % 这里用简单的线性近似代替查表 if rpm 1000 throttle_out min(100, T_engine_req * 0.5); else throttle_out 0; endelseif F_cmd 压力% F_brake k * P_masterk_brake 20000; % 制动增益系数 (N/bar)brake_pressure_out abs(F_cmd) / k_brake;else% — 保持/死区 —throttle_out 0;brake_pressure_out 0;endend使用说明在 Simulink 中添加 2-D Lookup Table 模块加载生成的 Map 数据用于实现“逆发动机模型”。搭建上述逻辑Carsim 的 S-Function 模块输入端口连接 throttle_out 和 brake_pressure_out。Carsim 设置确保 Carsim 的 External Input 设置为接收 Throttle 和 Brake Pressure 信号。车辆纵向动力学仿真 结果通常用于验证车辆速度跟踪控制算法如PID、MPC等的性能。左侧图表为速度对比右侧图表为加速度对比。MATLAB 绘图复现代码这段代码模拟了图片中的梯形速度工况和相应的加速度响应并使用了与图片一致的黑色背景和网格风格。%% 车辆纵向控制仿真结果复现% 对应图片速度对比与加速度对比clear; clc; close all;% — 1. 构造模拟数据 (梯形速度循环) —dt 0.01; % 采样时间t 0:dt:39.99; % 时间轴 (约40秒)% 期望速度 (蓝色线): 梯形波% 0-5s: 加速, 5-10s: 匀速, 10-15s: 减速, 15-20s: 匀速V_des zeros(size(t));for i 1:length(t)if t(i) 5V_des(i) 2 * t(i); % 0-10 m/s 加速elseif t(i) 10V_des(i) 10; % 匀速elseif t(i) 15V_des(i) 10 - 2 * (t(i)-10);% 减速到 0elseif t(i) 20V_des(i) 0; % 静止elseif t(i) 25V_des(i) 2 * (t(i)-20); % 再次加速elseif t(i) 30V_des(i) 10; % 匀速elseif t(i) 35V_des(i) 10 - 2 * (t(i)-30);% 减速elseV_des(i) 0;endend% 实际速度 (绿色线): 模拟一阶滞后响应 (PT1)% 模拟车辆动力系统的惯性tau 0.3; % 时间常数V_act 0;V_history [];for i 1:length(t)dV (V_des(i) - V_act) / tau * dt;V_act V_act dV;V_history [V_history, V_act];end% 加速度 (右侧图): 对速度求导Acc_des gradient(V_des, dt);Acc_act gradient(V_history, dt);% 添加一些模拟噪声以匹配图片中的波动noise 0.1 * randn(size(t));Acc_act Acc_act noise;% — 2. 绘图设置 (复刻图片风格) —set(0, ‘DefaultFigureColor’, [0.15, 0.15, 0.15]); % 设置背景深灰set(0, ‘DefaultAxesColor’, [0.15, 0.15, 0.15]);set(0, ‘DefaultAxesXColor’, ‘w’);set(0, ‘DefaultAxesYColor’, ‘w’);figure(‘Name’, ‘速度与加速度对比复现’, ‘Position’, [100, 100, 1000, 450]);% — 左侧图速度对比 —subplot(1, 2, 1);plot(t, V_des, ‘Color’, [0, 0.5, 1], ‘LineWidth’, 1.5); hold on; % 蓝色plot(t, V_history, ‘Color’, [0, 1, 0], ‘LineWidth’, 1); % 绿色grid on;title(‘速度对比’, ‘Color’, ‘w’, ‘FontSize’, 12, ‘FontWeight’, ‘bold’);xlabel(‘时间 (s)’, ‘Color’, ‘w’);ylabel(‘速度 (m/s)’, ‘Color’, ‘w’);legend(‘期望速度输入’, ‘实际速度’, ‘Location’, ‘NorthEast’);ylim([-1, 12]);xlim([0, 40]);% — 右侧图加速度对比 —subplot(1, 2, 2);plot(t, Acc_des, ‘Color’, [0, 0.5, 1], ‘LineWidth’, 1.5); hold on; % 蓝色plot(t, Acc_act, ‘Color’, [0, 1, 0], ‘LineWidth’, 1); % 绿色grid on;title(‘加速度对比’, ‘Color’, ‘w’, ‘FontSize’, 12, ‘FontWeight’, ‘bold’);xlabel(‘时间 (s)’, ‘Color’, ‘w’);ylabel(‘加速度 (m/s^2)’, ‘Color’, ‘w’);legend(‘期望加速度’, ‘实际加速度’, ‘Location’, ‘NorthEast’);ylim([-3, 3]);xlim([0, 40]);% 添加图例中的 Dataset 标记 (模拟图片样式)text(25, 2.5, ‘Dataset1’, ‘Color’, [0, 0.5, 1], ‘FontSize’, 8);text(25, 2.0, ‘Dataset2’, ‘Color’, [0, 1, 0], ‘FontSize’, 8);代码关键点说明数据构造代码中构造了一个标准的梯形速度循环加速-匀速-减速-静止动态响应为了模拟真实的控制效果代码使用了一阶惯性环节PT1来模拟车辆从“期望速度”到“实际速度”的滞后这解释了为什么绿色曲线会稍微落后于蓝色曲线。绘图风格使用了深灰色背景和白色网格完全复刻了 MATLAB 仿真示波器Scope或 Carsim 结果查看器的默认外观。Engine Map三维曲面图通常用于车辆纵向控制仿真中。图中的三个坐标轴分别代表X 轴左下发动机转速Engine Speed范围约 0-8000 rpm。Y 轴右下发动机扭矩Engine Torque范围包含负值制动/倒拖扭矩和正值驱动扭矩约 -100 到 300 Nm。Z 轴垂直节气门开度Throttle Opening或油门踏板位置范围 0-1即 0%-100%。为了复现这个图形我们需要构建一个模拟的发动机查找表Look-up Table数据。由于没有具体的实验数据文件我将提供一段 MATLAB 代码通过数学公式拟合出类似的曲面形状包括怠速区、最大扭矩区、高转速衰减区。MATLAB 复现代码%% 发动机万有特性 Map 图复现% 复现图片中的三维曲面节气门开度 vs 转速 扭矩clear; clc; close all;% — 1. 定义坐标轴范围 —% 发动机转速 (rpm): 0 到 8000speed 08000;% 发动机扭矩 (Nm): -150 到 300 (包含倒拖扭矩)torque -150:5:300;% 创建网格[Speed, Torque] meshgrid(speed, torque);% — 2. 构建节气门开度模型 (Z轴) —% 初始化节气门矩阵Throttle zeros(size(Speed));% 模拟发动机物理特性逻辑% 1. 怠速以下 (Speed 0): 节气门随扭矩和转速增加而增加% 3. 负扭矩区 (Torque 1, th 1; endendThrottle(j,i) th;endend% — 3. 绘图 —figure(‘Color’, ‘w’); % 白色背景% 使用 mesh 绘制网格图模拟图片风格h mesh(Speed, Torque, Throttle);% 设置颜色映射 (类似图片的 Jet 风格)colormap(jet);colorbar; % 显示颜色条% — 4. 细节调整以匹配图片 —xlabel(‘Engine Speed (rpm)’, ‘FontSize’, 12, ‘FontWeight’, ‘bold’);ylabel(‘Engine Torque (Nm)’, ‘FontSize’, 12, ‘FontWeight’, ‘bold’);zlabel(‘Throttle Opening (0-1)’, ‘FontSize’, 12, ‘FontWeight’, ‘bold’);title(‘Engine Map: Throttle vs Speed Torque’, ‘FontSize’, 14);% 设置视角 (调整角度以匹配原图)view(-45, 30);% 开启网格grid on;box on;% 优化坐标轴范围axis([0 8000 -150 300 0 1.1]);代码逻辑解析负扭矩区图片右下侧的垂直面在代码中当 Torque 1 时我们将其限制为 1。这对应了图片顶部平整的区域代表油门踩到底WOT, Wide Open Throttle时的最大能力边界。曲面弯曲通过引入 efficiency_factor模拟了发动机在不同转速下的充气效率变化使得曲面呈现出图片中那种中间隆起、两边变化的形态。