实例讲解Simulink的MATLAB Function模块

MATLAB Function是一个支持使用M语言编写模块功能,并能够将所编写的M语言生成C代码，用于开发桌面应用和嵌入式应用的模块。它支持的 MATLAB内建函数比 Fcn模块要广泛，除去基本的四则运算、逻辑操作符和关系操作符，还可以调用MATLAB各种工具箱里提供的内建函数，包括支持代码生成和不支持代码生成两个类型。

1.MATLAB Function模块

模块功能：将 MATLAB 代码包含在生成可嵌入式 C 代码的模型中
库：
Simulink / User-Defined Functions
HDL Coder / User-Defined Functions

此模块的特殊之处在于双击之后打开的不是参数对话框,而是一个M代码编辑窗，在这里编写M代码描述输出y与输入u之间的关系。模块拥有1个输入端口u和1个输出端口y。MATLAB Function的模块的图标上绘制一个MATLAB logo图案,如图所示。

模块是否有输入输出端口取决于内部M函数的定义方式。

（1）没有输出

（2）没有输入

实例1 基本操作

fcn函数

function y = fcn(u1,u2)
y = u1*u2;
end

点击界面的Go to Diagram可以从脚本视图跳转回仿真视图。

点击Edit Data，可以对输入和输出数据进行编辑，例如数据的类型、尺寸等属性。

模型运行结果

实例2 多输入和多输出

fcn1函数

function [y,y1] = fcn1(u1,u2)
y = u1+u2;
y1 = u1*u2;
end

fcn2函数

function [y,y1] = fcn2(u)
y = u(1)+u(2);
y1 = u(1)*u(2);
end

运行结果

2.MATLAB Function里面使用if和for语句

实例3 MATLAB Function里面使用if语句

fcn4函数内容

function y = fcn4(u)
 if u>=5
     y = 1;
 elseif u<0
     y = -1;
 else
     y = 0;
 end
end

运行结果

实例4 MATLAB Function里面使用for语句

function y = fcn5(u)
num = length(u);
y = 0;
for i = 1:1:num
    y = y +u(i);
end
end

运行结果

3.MATLAB Function里面使用persistent保持变量

根据Simulink的运行机制,每个采样点会调用一次MATLAB Function的函数,两次调用之间,同一个变量的前次计算的终值如何传递到当前计算周期来是个问题,可以使用persistent 变量实现函数退出和进入时内部变量值的保持。

例如使用MATLAB Function编写一个能够累积输人值作为输出的模块-─累加模块。计算累加值需要一个状态变量,在每次调用fcn 时依据上一次的值进行累加,并将累加值存储在这个变量中。使用persistent声明这个变量可以实现此目的。persistent变量是定义在某个函数内的变量类型,可在函数调用的不同次数间保持上一次退出该函数的值。它同global全局变量的类似之处在于MATLAB为它们创建永久数据区域,不同之处在于它只能被声明它的函数内部识别,目的是免除此变量被其他函数或命令行修改值而造成用户无法确保其值的困扰。声明persistent变量时它刚刚被创建,还不具有初始值,其内容为空值[],调用声明persistent变量的函数时先判断persistent变量是否为空,如果是空则初始化为0 ,非空则直接使用,它们会记得上次被调用后的值。具体代码如下:

function  y = fcn(u)
%% u 是模块的输入
% y 是模块的输出
%函数功能：实现对输入的累加
persistent sum_total  % 函数内部声明 可持续类型变量 sum_total
% 首先要判断persistent声明的变量是否是空
if isempty(sum_total)
    sum_total  = 0;
end
sum_total = sum_total +u; %进行累加
y = sum_total;

仿真图

将Clock模块的信号输入MATLAB Function模块并使用Scope模块接收y端口的输出值,解算器设置为固定步长,值为1 ,仿真结果如图所示。

设置步长为1

示波器输出

经过10 s共11个采样点后，结果累加到55,等同于sum([0 : 10])。使用persistent变量时需要注意:

（1）persistent变量不能作为函数的输入输出参数﹐否则会报错。
（2）persistent变量不能同当前工作空间中已经存在的变量同名，否则会
     报错。
（3）persistent变量不能声明在Command Window （命令窗口）里,必须在
    函数内声明。

4.添加trigger信号

在Edit data中添加触发信号。

实例5 添加触发信号

fcn6

function y = fcn6(u)
num = length(u);
y = 0;
for i = 1:1:num
    y = y +u(i);
end
end

5.Extrinsic函数

MATLAB Function模块支持在M编辑器内部定义子函数并调用,但是不支持递归调用。MATLAB Function可以将MATLAB内建函数编写的M函数生成C代码,如 sum,length , sqrt等(支持代码生成的M函数详细列表请搜索MATLAB自带 Help文档的Func-tions Supported for C/C+＋Code Generation — Alphabetical List.),使用不支持代码生成功能的MATLAB内建函数时,如绘图函数系列 plot , patch , bar和 figure等,需使用eml. extrinsic( 'plot ' , 'bar')来声明为Extrinsic函数,启动仿真后这些函数只用来仿真,不进行编译，从而不生成可独立运行的C/C＋＋代码及可执行文件。

Extrinsic函数

Extrinsic函数的处理方式

模型进行仿真时,MATLAB生成调用Extrinsic函数的代码,但是不生成可执行代
码,仅保证这些函数能够在MATLAB环境下执行。模块生成代码时,MATLAB会判
断Extrinsic函数是否对调用它们的函数输出值有影响,如果有则产生编译器错
误,如果没有影响,则对声明为Extrinsic函数以外的函数进行代码生成,而忽略
此Extrinsic函数。

Simulink 的 Scope只能显示线条图像，目前的版本还不支持3-D绘图,不能像MATLAB那样提供各种功能强大的绘图功能。可使用MATLAB Function模块自定义一个模块绘制3-D图像。结合Extrinsic函数声明和Persistent变量的使用,可以在MATLAB Function模块中调用绘图函数绘图,并将每次从 Simulink模型获取的输入保存起来,如下所示例程:

function  fcn(u)
%% 绘制三维图形
eml.extrinsic('plot3','scatter3','delete','close');%声明不能生成c代码的函数
len = length(u);%计算输入的长度
persistent data  %声明持续性变量
if isempty(data) %判断持续性变量是否是空值
    data = zeros(3,100000);%初始化
end
persistent n  %声明采样数据次数的持续性变量 n
if isempty(n)
    n = 1;
else
    n = n +1;
end
data(:,n) = u;%存储输入的数据 3*n  每列数据是一个三维坐标(x,y,z)
persistent  h  
if isempty(h)
    h = plot3(data(1,:),data(2,:),data(3,:),'bo');
else
    delete(h);%每个采样时刻重新绘制图像以达到动态刷新的效果
     h = plot3(data(1,:),data(2,:),data(3,:),'bo');
end

模型建立时使用Clock模块, Fcn模块和Mux模块构成正弦、余弦和时间量3维输入。运行模型之后,会动态地绘制出每个采样时刻计算的值到坐标轴中,构成逐步上升的螺旋3-D图形，如图所示。

仿真图

产生的三维图形结果

6.参考内容

[1] 博客园作者叮叮当当sunny的文章《Simulink仿真入门到精通（二） Simulink模块 》，文章链接如下：
https://www.cnblogs.com/dingdangsunny/p/12235689.html#_label0

[2] 孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

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作 者 | 郭志龙

编 辑 | 郭志龙
校 对 | 郭志龙