matlab的s-function模块使用说明

MATLAB 中的 S-Function（System Function）模块是一个非常强大的工具，可以让你自定义 Simulink 模型中的功能，或者将特定的算法和逻辑以编程方式嵌入到 Simulink 中。通过 S-Function，你可以将 MATLAB 代码、C 语言代码或者 Fortran 代码封装成 Simulink 模块，并与其他 Simulink 模块一起进行仿真。

S-Function 的基本概念

S-Function 是 Simulink 中的一种可扩展的模型构建块，能够通过编程接口与其他 Simulink 模块交互。它提供了一种灵活的方式，可以通过自定义编写来实现一些 Simulink 内置块所不支持的功能。

使用 S-Function 模块的步骤

创建一个 MATLAB S-Function 最常见的 S-Function 是通过 MATLAB 代码编写的，使用 MATLAB 编写的 S-Function 可以扩展 Simulink 的功能。你需要使用 S-function 的接口函数，如 mdlInitializeSizes、mdlStart、mdlOutputs 等来定义模型的行为。
编写 S-Function 代码 编写 S-Function 时，你需要定义一组特定的回调函数。这些回调函数的作用是告诉 Simulink 在仿真过程中该如何处理输入和输出、初始化模型、设置参数等。

S-Function 的编写结构

一个 S-Function 通常包括以下几个函数：

mdlInitializeSizes：初始化模块的大小、输入输出端口的数量和类型、参数等。
mdlInitializeSampleTimes：定义该模块的采样时间。
mdlStart：在仿真开始时调用，通常用于初始化模块的状态。
mdlOutputs：计算输出，通常在每个仿真步骤中被调用。
mdlUpdate：更新模块的内部状态，通常在每个仿真步骤中被调用。
mdlTerminate：仿真结束时调用，通常用于释放资源。

示例：一个简单的 MATLAB S-Function

matlab

复制代码

`function msfcn_simple(block)
    % msfcn_simple - 一个简单的 S-Function 示例

    % 设置 S-Function 的基本信息
    setup(block);
    
    function setup(block)
        % 注册 S-Function 的参数、输入输出端口、状态等
        block.NumInputPorts  = 1;   % 输入端口的数量
        block.NumOutputPorts = 1;   % 输出端口的数量
        
        block.SetPreCompPortInfoToDefaults;  % 设置端口默认信息
        block.InputPort(1).DirectFeedthrough = true;  % 启用直接馈送
        
        block.NumDialogPrms     = 1;   % 设置参数的数量
        block.SampleTimes       = [0.1 0];  % 设置采样时间
        
        % 注册回调函数
        block.RegBlockMethod('Outputs', @Output); % 定义输出回调
        block.RegBlockMethod('InitializeConditions', @InitConditions);  % 定义初始化条件
    end

    function Output(block)
        % 计算输出
        input = block.InputPort(1).Data;  % 获取输入数据
        block.OutputPort(1).Data = input * 2;  % 输出是输入的两倍
    end
    
    function InitConditions(block)
        % 初始化条件
        block.Dwork(1).Data = 0;  % 设置内部状态
    end
end
`

matlab

代码说明：

setup(block)：初始化 S-Function 块，定义输入端口、输出端口、参数和采样时间等。
Output(block)：这个回调函数计算输出。在这里，我们将输入值乘以 2 输出。
InitConditions(block)：这是 S-Function 的初始化部分，可以设置初始状态。

3. 在 Simulink 中使用 S-Function 模块

创建一个新的 Simulink 模型。
将 S-Function 块拖入模型 ：在 Simulink 库中找到 User-Defined Functions > S-Function，将它拖放到模型中。
设置 S-Function 块的文件名 ：双击 S-Function 块，进入属性窗口，在 S-Function name 字段中输入你编写的 MATLAB 文件名（例如：msfcn_simple）。
连接输入和输出：根据需要将 S-Function 块的输入输出与其他模块连接起来。
运行仿真：配置好模型后，点击运行按钮，Simulink 会根据 S-Function 的定义执行仿真。

4. 使用 C 语言或 Fortran 编写 S-Function

除了 MATLAB 代码，你还可以使用 C 语言或 Fortran 编写 S-Function。这通常用于需要高性能或与其他软件系统进行交互的情况。C 语言或 Fortran 的 S-Function 代码和 MATLAB 的基本结构类似，只是需要使用特定的 API 和编译工具链。

C 语言 S-Function 示例

C 语言 S-Function 的基本结构如下：

c

复制代码

`#define S_FUNCTION_NAME  simple_s_function
#define S_FUNCTION_LEVEL 2

#include "simstruc.h"

static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) {
    ssSetNumInputPorts(S, 1);
    ssSetNumOutputPorts(S, 1);
    ssSetInputPortWidth(S, 0, 1);
    ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1);
}

static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid) {
    real_T *y = ssGetOutputPortSignal(S, 0);
    real_T *u = ssGetInputPortSignal(S, 0);
    y[0] = u[0] * 2;  // 输出是输入的两倍
}

static void mdlTerminate(SimStruct *S) {
    // 可用于释放资源等
}

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

c

编译 C 语言 S-Function

将 C 文件保存为 .c 格式，例如 simple_s_function.c。
使用 mex 命令编译 S-Function：

matlab
复制代码
```
`mex simple_s_function.c
`
```
将编译后的 S-Function 块放入 Simulink 模型中，并像使用 MATLAB S-Function 一样使用它。

小结

MATLAB S-Function：通过编写 MATLAB 代码，你可以定义 Simulink 模块的输入、输出、状态和行为。
C 语言/Fortran S-Function：如果需要更高效的性能或与外部库交互，可以使用 C 语言或 Fortran 编写 S-Function。
S-Function 可以非常灵活地扩展 Simulink 的功能，适用于自定义算法、外部接口、控制系统建模等多种场景。