4.3 S-Function 自定义模块开发

最新推荐文章于 2025-04-23 15:39:49 发布

xiaoheshang_123

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4.3 S-Function 自定义模块开发

2. 创建 MATLAB S-Function

(1) 初始化 S-Function

(2) 定义输出函数

(3) 定义导数函数

3. 在 Simulink 中使用 S-Function

三、扩展与优化

1. 添加参数化功能

2. 使用 C S-Function 提高性能

3. 封装 S-Function

四、总结

4.3 S-Function 自定义模块开发

示例：开发一个简单的自定义积分器模块

在 Simulink 中，S-Function（System Function）是一种强大的工具，允许用户通过 MATLAB 或 C 语言编写自定义模块。通过 S-Function，可以实现 Simulink 内置模块无法直接提供的复杂功能。本节将详细介绍如何使用 S-Function 开发一个简单的自定义积分器模块。

一、S-Function 的概念

S-Function 是 Simulink 的核心机制之一，用于定义系统的行为。它是一个包含初始化、更新和输出逻辑的函数集合，能够描述任意动态系统的数学模型。S-Function 可以用以下两种方式实现：

MATLAB S-Function：基于 MATLAB 脚本语言实现，适合快速原型开发。
C/C++ S-Function：基于 C/C++ 实现，适合高性能仿真或代码生成。

二、开发步骤

1. 定义问题

目标是开发一个简单的积分器模块，其行为满足以下微分方程：

y(t)=∫u(t) dty(t)=∫u(t)dt

其中：

u(t)u(t) 是输入信号。
y(t)y(t) 是输出信号。

2. 创建 MATLAB S-Function

(1) 初始化 S-Function

在 MATLAB 编辑器中创建一个新的 M 文件（如 myIntegrator.m），并定义 S-Function 的基本结构：

matlab

深色版本

function myIntegrator(block)
% Initialization function for the custom integrator module.

setup(block);

function setup(block)
% Register the number of input and output ports.
block.NumInputPorts = 1;    % One input port
block.NumOutputPorts = 1;   % One output port

% Specify input and output port properties.
block.InputPort(1).DirectFeedthrough = false; % No direct feedthrough
block.OutputPort(1).Dimensions = 1;          % Scalar output

% Register continuous states.
block.NumContStates = 1;

% Specify sample time (continuous system).
block.SampleTimes = [0 0]; % Continuous sample time

% Register the update and output methods.
block.RegBlockMethod('Outputs', @OutputFcn);
block.RegBlockMethod('Derivatives', @DerivativesFcn);

(2) 定义输出函数

定义输出函数，用于计算模块的输出值：

matlab

深色版本

function OutputFcn(block)
% Compute the output of the integrator.
x = block.ContStates.Data; % Get the continuous state
u = block.InputPort(1).Data; % Get the input signal

% Set the output value
block.OutputPort(1).Data = x;

(3) 定义导数函数

定义导数函数，用于计算状态变量的导数：

matlab

深色版本

function DerivativesFcn(block)
% Compute the derivative of the continuous state.
x_dot = block.InputPort(1).Data; % Derivative is equal to the input

% Set the derivative value
block.Derivatives = x_dot;

3. 在 Simulink 中使用 S-Function

打开 Simulink 并创建一个新的空白模型。
从 User-Defined Functions 库中添加一个 S-Function 模块。
配置 S-Function 模块的参数：
- S-function name：输入 myIntegrator。
将 S-Function 模块的输入连接到一个信号源（如 Step 模块），输出连接到一个显示模块（如 Scope）。
运行仿真，观察输出波形。

三、扩展与优化

1. 添加参数化功能

可以通过 S-Function 的封装功能为模块添加参数。例如，为积分器添加初始条件参数：

在 setup 函数中注册参数：
matlab
深色版本
```
block.DialogParameters = 'InitialCondition';
```
在 OutputsFcn 和 DerivativesFcn 中使用该参数。

2. 使用 C S-Function 提高性能

对于需要高性能仿真的场景，可以使用 C 语言实现 S-Function。以下是 C S-Function 的基本框架：

深色版本

/* File: myIntegrator.c */
#define S_FUNCTION_NAME  myIntegrator
#define S_FUNCTION_LEVEL 2

#include "simstruc.h"

static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) {
    ssSetNumSFcnParams(S, 0);           // No parameters
    if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) {
        return;                         // Parameter mismatch
    }

    ssSetNumInputPorts(S, 1);           // One input port
    ssSetInputPortWidth(S, 0, 1);       // Scalar input
    ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 0); // No direct feedthrough

    ssSetNumOutputPorts(S, 1);          // One output port
    ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1);      // Scalar output

    ssSetNumContStates(S, 1);           // One continuous state

    ssSetNumSampleTimes(S, 1);          // One sample time
}

static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S) {
    ssSetSampleTime(S, 0, CONTINUOUS_SAMPLE_TIME); // Continuous sample time
    ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0);
}

static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid) {
    real_T *x = ssGetContStates(S);     // Continuous state
    real_T *u = ssGetInputPortSignal(S, 0); // Input signal
    real_T *y = ssGetOutputPortSignal(S, 0); // Output signal

    *y = *x;                            // Output is the state
}

static void mdlDerivatives(SimStruct *S) {
    real_T *x_dot = ssGetdX(S);         // Derivative of state
    real_T *u = ssGetInputPortSignal(S, 0); // Input signal

    *x_dot = *u;                        // Derivative equals input
}

#ifdef  MATLAB_MEX_FILE
#include "simulink.c"
#else
#include "cg_sfun.h"
#endif