Перейти к содержанию

Simulink → Python

Интегрируйте модели Simulink в Python через динамические библиотеки, используя Embedded Coder и ctypes.

Быстрый старт

  1. В Simulink включите Embedded Coder и установите System target file: ert_shrlib.tlc.
  2. Соберите модель (Ctrl+B) — появятся исходники и MODEL_NAME.mk.
  3. Соберите библиотеку:
make -f MODEL_NAME.mk
  1. В Python загрузите библиотеку и вызовите initialize → step → terminate.

Совет: держите библиотеки рядом с моделью (например, simulinkModel/<model_name>), чтобы не зависеть от текущего каталога.

Кросс‑платформенная загрузка библиотеки

import ctypes
from pathlib import Path

path = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/b747/b747_model_win64.dll")
lib = ctypes.WinDLL(str(path))

import ctypes
from pathlib import Path

path = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/b747/b747_model_glnxa64.so")
lib = ctypes.CDLL(str(path))

import ctypes
from pathlib import Path

path = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/b747/b747_model_maci64.dylib")
lib = ctypes.CDLL(str(path))

Или используйте универсальную функцию:

import sys
import ctypes
from pathlib import Path


def load_simulink_lib(folder: str | Path, basename: str) -> ctypes.CDLL:
    """Загрузка *.dll/*.so/*.dylib с учётом платформы и типичных суффиксов MATLAB.

    folder   — каталог с библиотекой
    basename — базовое имя (например, 'b747_model', 'f16_model')
    """
    folder = Path(folder)
    is_win = sys.platform.startswith("win")
    is_mac = sys.platform == "darwin"

    ext = "dll" if is_win else ("dylib" if is_mac else "so")

    # Типичные варианты имён, генерируемых Embedded Coder
    candidates = [
        f"{basename}.{ext}",           # model.dll / model.so / model.dylib
        f"{basename}_win64.dll",
        f"{basename}_glnxa64.so",
        f"{basename}_maci64.dylib",
    ]

    for name in candidates:
        path = folder / name
        if path.exists():
            return ctypes.WinDLL(str(path)) if is_win else ctypes.CDLL(str(path))

    raise FileNotFoundError(
        f"Не найдена библиотека для {basename} в {folder} (пробовал: {', '.join(candidates)})"
    )

Типы данных

Типы real32_T, ExtY_T, ExtY_T_r находятся в tensoraerospace/aerospacemodel/utils/rtwtypes.py и соответствуют сгенерированным структурам/типам модели.

Генерация C/С++ кода (Embedded Coder)

Для интеграции моделей Simulink в Python требуется надстройка Simulink — Embedded Coder.

  1. Откройте настройки модели в Simulink и выберите Code Generation → System target file: ert_shrlib.tlc.

Генерация C++ кода

  1. Соберите модель сочетанием клавиш Ctrl+B (или меню Build model). В каталоге модели появится папка с сгенерированным кодом и make‑файлом с расширением .mk.
  2. Соберите динамическую библиотеку командой:
make -f MODEL_NAME.mk

В результате будет создана динамическая библиотека: на Windows — .dll, на Linux — .so, на macOS — .dylib.

Windows

Сборка может требовать инструменты MSVC (Developer Command Prompt) или MinGW/MSYS. Убедитесь, что компилятор и make/nmake доступны в PATH.

ОУ в Simulink

Для создания объекта управления (ОУ) в Simulink добавьте элементы:

  • Simulink/Continuous/State‑Space
  • Simulink/Sources/Digital Clock
  • Simulink/Commonly Used Blocks/In1
  • Simulink/Commonly Used Blocks/Out1

Далее:

  1. Переименуйте блоки In1/Out1 в осмысленные имена.
  2. В блоке State‑Space задайте параметры (для удобства можно использовать MATLAB Script).

Блок State‑Space

  1. Пример MATLAB‑скрипта для запуска модели:
flag = 1;

% Инициализация параметров
[A, B, C, D] = b747_model(flag);

init = [0, -0.0, -0.0, 0];
ref_signal = -0.10;

% Время начала/конца/шага моделирования
t_s = 0;
t_e = 500;
dt  = 0.1;

% Запуск Simulink модели
simOut = sim('aircraft_sim.slx');

y = simOut.get('yout');

u     = y.getElement(1).Values.Data;
w     = y.getElement(2).Values.Data;
q     = y.getElement(3).Values.Data;
theta = y.getElement(4).Values.Data;
t     = y.getElement(5).Values.Data;

Интеграция с Python (ctypes)

Интеграция выполняется через динамическую библиотеку, скомпилированную из модели. В библиотеке, как правило, есть три функции:

  • MODEL_NAME_initialize — инициализация модели
  • MODEL_NAME_step — расчёт следующего шага (шаг равен dt, заданному в MATLAB‑скрипте)
  • MODEL_NAME_terminate — освобождение ресурсов

Для согласования типов используйте ctypes и преобразователи типов из tensoraerospace: tensoraerospace/aerospacemodel/utils/rtwtypes.py.

Пример: Boeing‑747

import matplotlib.pyplot as plt
from pathlib import Path
from tensoraerospace.aerospacemodel.utils.rtwtypes import real32_T, ExtY_T

# Загрузка библиотеки
b747_folder = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/b747")
b747 = load_simulink_lib(b747_folder, "b747_model")

# Точки входа
b747_initialize = b747.b747_model_initialize
b747_step       = b747.b747_model_step
b747_terminate  = b747.b747_model_terminate

# Параметры/входы (пример: единичный вход в виде real32_T)
ref_signal = real32_T.in_dll(b747, "b747_model_U")  # зависит от структуры входов конкретной модели

# Выходная структура
b747_Y = ExtY_T.in_dll(b747, "b747_model_Y")

# Цикл моделирования
b747_initialize()

time, u, w, q, theta = [], [], [], [], []
for _ in range(int(2100)):
    b747_step()
    time.append(float(b747_Y.time))
    u.append(float(b747_Y.u))
    w.append(float(b747_Y.w))
    q.append(float(b747_Y.q))
    theta.append(float(b747_Y.theta))

b747_terminate()

# Визуализация
plt.plot(time, u)
plt.xlabel('t, [сек]')
plt.ylabel('u, [м/c]')
plt.show()

Примеры графиков:

u(t) w(t) q(t) θ(t)

Пример: F‑16

import matplotlib.pyplot as plt
from pathlib import Path
from tensoraerospace.aerospacemodel.utils.rtwtypes import real32_T, ExtY_T

f16_folder = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/f16")
f16 = load_simulink_lib(f16_folder, "f16_model")

f16_initialize = f16.f16_model_initialize
f16_step       = f16.f16_model_step
f16_terminate  = f16.f16_model_terminate

ref_signal = real32_T.in_dll(f16, "f16_model_U")
f16_Y = ExtY_T.in_dll(f16, "f16_model_Y")

f16_initialize()

time, u, w, q, theta = [], [], [], [], []
for _ in range(int(2100)):
    f16_step()
    time.append(float(f16_Y.time))
    u.append(float(f16_Y.u))
    w.append(float(f16_Y.w))
    q.append(float(f16_Y.q))
    theta.append(float(f16_Y.theta))

f16_terminate()

plt.plot(time, u)
plt.xlabel('t, [сек]')
plt.ylabel('u, [м/c]')
plt.show()

u(t) w(t) q(t) θ(t)

Пример: ELV (ракета)

import matplotlib.pyplot as plt
from pathlib import Path
from tensoraerospace.aerospacemodel.utils.rtwtypes import real32_T, ExtY_T_r

elv_folder = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/elv")
elv = load_simulink_lib(elv_folder, "elv_model")

elv_initialize = elv.elv_model_initialize
elv_step       = elv.elv_model_step
elv_terminate  = elv.elv_model_terminate

ref_signal = real32_T.in_dll(elv, "elv_model_U")
elv_Y = ExtY_T_r.in_dll(elv, "elv_model_Y")

elv_initialize()

time, w, q, theta = [], [], [], []
for _ in range(int(20)):
    elv_step()
    time.append(float(elv_Y.time))
    w.append(float(elv_Y.w))
    q.append(float(elv_Y.q))
    theta.append(float(elv_Y.theta))

elv_terminate()

plt.plot(time, w)
plt.xlabel('t, [сек]')
plt.ylabel('w, [рад/c]')
plt.show()

w(t) q(t) θ(t)

Пример: Typical Rocket

import matplotlib.pyplot as plt
from pathlib import Path
from tensoraerospace.aerospacemodel.utils.rtwtypes import real32_T, ExtY_T

rocket_folder = Path("../tensoraerospace/aerospacemodel/model/simulinkModel/rocket")
rocket = load_simulink_lib(rocket_folder, "rocket_model")

rocket_initialize = rocket.rocket_model_initialize
rocket_step       = rocket.rocket_model_step
rocket_terminate  = rocket.rocket_model_terminate

ref_signal = real32_T.in_dll(rocket, "rocket_model_U")
rocket_Y = ExtY_T.in_dll(rocket, "rocket_model_Y")

rocket_initialize()

time, u, w, q, theta = [], [], [], [], []
for _ in range(int(2100)):
    rocket_step()
    time.append(float(rocket_Y.time))
    u.append(float(rocket_Y.u))
    w.append(float(rocket_Y.w))
    q.append(float(rocket_Y.q))
    theta.append(float(rocket_Y.theta))

rocket_terminate()

plt.plot(time, u)
plt.xlabel('t, [сек]')
plt.ylabel('u, [м/c]')
plt.show()

u(t) w(t) q(t) θ(t)

Частые проблемы и решения

  • «Не найдена библиотека …»: проверьте имя файла, платформенный суффикс (_win64.dll, _glnxa64.so, _maci64.dylib) и путь.
  • «undefined symbol / entry point not found»: используйте правильные имена функций (<model>_initialize/step/terminate).
  • Windows: запустите сборку из Developer Command Prompt for VS или установите MinGW/MSYS. Проверьте PATH (cl, nmake или gcc, make).
  • Linux/macOS: убедитесь, что LD_LIBRARY_PATH/DYLD_LIBRARY_PATH включает каталог библиотеки, либо используйте абсолютный путь при загрузке.
# Linux
export LD_LIBRARY_PATH=$(pwd):$LD_LIBRARY_PATH
# macOS
export DYLD_LIBRARY_PATH=$(pwd):$DYLD_LIBRARY_PATH

Совместимость типов

Поля структур *_Y и *_U должны соответствовать сгенерированным в вашей модели. Если имена/состав отличаются, обновите обращения в Python.

Чек‑лист для ваших моделей

  • [ ] Включён ert_shrlib.tlc и собран .mk файл
  • [ ] Библиотека успешно собралась (.dll/.so/.dylib)
  • [ ] Известны имена функций <model>_initialize/step/terminate
  • [ ] Определены типы и имена глобальных переменных *_U, *_Y
  • [ ] Python‑скрипт загружает библиотеку и выполняет цикл шага

Полезное

  • Типы real32_T, ExtY_T, ExtY_T_r определены в tensoraerospace/aerospacemodel/utils/rtwtypes.py.
  • Имена глобальных переменных входов/выходов в библиотеке (*_U, *_Y) зависят от сгенерированного кода и могут отличаться для разных моделей.
  • См. также: «Ваши модели Simulink в Python» — your_sim.md в этом разделе.