Matlab simulink建模与仿真 第十六章（用户定义函数库）

参考视频：simulink1.1simulink简介_哔哩哔哩_bilibili

一、用户定义函数库中的模块概览

        注：MATLAB版本不同，可能有些模块也会有差异，但大体上区别是不大的。

二、Fcn/Matlab Fcn模块

1、Fcn模块

        双击Fcn模块，在对话框中可配置一个表达式，其中用u表示输入（u可以是向量甚至是矩阵），表达式可使用MATLAB中的函数，表达式的计算结果即为Fcn模块的输出。

2、Matlab Fcn模块

（1）该模块的作用和Fcn模块差不多，不过它的可操作性更强，Fcn模块根据表达式求结果，而Matlab Fcn模块根据函数求结果，另外该模块的边框是粗黑线条，意味着编译模型时该模块是独立编译的。

（2）双击该模块可打开一个代码编辑窗口，在这里可以编辑该模块中的函数。

三、S函数（仅了解）

1、S函数简介

（1）S函数的全称为system-functions（系统函数），它主要用于扩展simulink环境（扩展simulink模块的用法）。

（2）S函数可使用多种语言进行编写，如C语言、C++、Python、MATLAB、Fortran等，使用C语言、C++和Fortran这些编译型语言需要借助mex文件。

（3）S函数通过特定语法调用simulink中提供给该S函数的应用程序接口，通过该接口，S函数可以和simulink的计算引擎进行交互。

（4）通过S函数可实现连续系统、离散系统和混合控制系统。

2、S函数相关模块概述

（1）（Level-1 M-file）S-Function模块：

①该模块本身能调用系统函数所实现的功能比Level-2 M-file S-Function模块少得多，其存在的意义是为了兼容旧版本的MATLAB。

②该模块主要是用标志位flag来实现相应的功能的，内部使用switch语句对标志位进行判断，针对各种情况进行代码的编写。

③S函数模板有几个默认参数t、x、u（系统输入信号）和flag，S-Function模块会自动将它们传递给S函数，程序员可以在“S-function parameters”字段中指定其它自定义的输入参数值（如自定义参数不止1个，用逗号进行分隔）。

（2）Level-2 M-file S-Function模块：

①该模块使用回调函数的方式，在运行过程中通过调用相应的变量来实现函数调用的功能。

②该模块允许程序员使用MATLAB创建自定义模块，这些模块可以有多个输入和多个输出，并能够处理由simulink模型产生的任何类型的信号。

③Level-1 M-file S-Function模块的S函数引导行（即第一行）中有非常多的参数和返回值，而Level-2 M-file S-Function模块的S函数引导行只有一个函数参数block，且没有返回值，同时在引导行下方调用setup函数（参数为block）建立一个局部的block对象作为运行时对象，接下来，S函数的执行都围绕这个block对象。

④Level-2 M-file S-Function模块的S函数较Level-1 M-file S-Function模块的S函数更为复杂，这里不再进行过多介绍，具体可看官方的帮助文档。

（3）S-Function Builder模块：

①该模块可以使用C语言和C++编写S函数，适用于初次使用C语言或者C++编写S函数的编程人员。

②使用C语言和C++编写S函数的过程比较复杂，本章不会对此进行深入介绍。

3、S函数使用示例

（1）模型如下图所示，常量5为系统的输入信号u。

（2）以下是根据Level-1 M-file S-Function模块S函数模板改制的函数，函数名为mysfun，其中gain和bias为自定义输入参数，在本例中分别定为3和4。

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = mysfun(t,x,u,flag,gain,bias)         %gain和bias为非模板参数,其它均为S函数模板需要的参数
%t-仿真时间，x-状态变量（针对存在状态方程的情况，也就是系统可进行微分和积分），u-系统输入，flag-标志位
%sys-系统输出，x0-状态初始值，str-保留（暂无作用），ts-[采样周期 采用时间偏移值]（连续系统中采样周期为0）
%%%%%
    %simStateCompliance-允许取值有“DefaultSimState”（默认仿真状态）、“HasNoSimState”（无仿真状态）
    %和“DisallowSimState”（禁止仿真状态），如不进行设置，则默认为“UknownSimState”（未知仿真状态）
%%%%%
switch flag     %判断标志位，区分各种情况
  case 0        %标志位为0，进行初始化
    [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes;
  case 3        %根据系统输入求系统输出
    sys=mdlOutputs(t,x,u,gain,bias);
  case{1,2,4,9} %未使用的几种情况
        sys=[];
  otherwise     %系统出错
    DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));
end
 
%初始化函数mdlInitializeSizes
function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes
sizes = simsizes;           %生成S函数使用的结构体
sizes.NumContStates  = 0; sizes.NumDiscStates  = 0;   %连续状态数目和离散状态数目
sizes.NumOutputs     = 1; sizes.NumInputs      = 1;   %输出端口数目和输入端口数目
sizes.DirFeedthrough = 1;   %是否有前馈（0代表有，1反之）
sizes.NumSampleTimes = 1;   %采样时间的数目（至少需要一个采样时间）
 
sys = simsizes(sizes);      %结构体返回
x0  = [];                   %初始状态
str = [];                   %保留参数（暂时不用）
ts  = [0 0];                %[采样周期 采用时间偏移值]
simStateCompliance = 'UnknownSimState';   %默认仿真状态

%对系统输入求微分（无状态变量可不必理会）
function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
sys = [];
 
%对系统状态进行更新（没有微分操作可不必理会）
function sys=mdlUpdate(t,x,u)
sys = [];
 
%根据系统输入求系统输出
function sys=mdlOutputs(t,x,u,gain,bias)
sys = gain * u + bias;
 
%设置下一个采样时间点相对上一个采样时间点的间隔（仅针对离散系统）
function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sampleTime = 1;        %间隔秒数
sys = t + sampleTime;
 
%运行结束后执行清空操作（释放内存，使用MATLAB编写S函数可不必理会）
function sys=mdlTerminate(t,x,u)
sys = [];