s-function的編寫

1、s函數(shù)是system Function的簡稱，用它來寫自己的 simulink模塊。(夠簡單吧，A A，詳細 的概念介紹大伙看幫助吧)可以用matlab、C、C+、Fortran、Ada等語言來寫，這兒我只介紹怎樣用matlab語言來寫吧(主要是它比較簡單)先講講為什么要用 s函數(shù)，我覺得用s函數(shù)可以利用 matlab的豐富資源，而不僅僅局限 于simulink提供的模塊，而用 c或C+等語言寫的s函數(shù)還可以實現(xiàn)對硬件端口的操作， 還可以操作windows API等的先介紹一下simulink的仿真過程(以便理解s函數(shù))，simulink的仿真有兩個階段：一個為初始化，這個階段主要是設(shè)置一些參

2、數(shù)，像系統(tǒng)的輸入輸出個數(shù)、狀態(tài)初值、采樣時間等；第二個階段就是運行階段，這個階段里要進行計算輸出、更新離散狀態(tài)、計算連續(xù)狀態(tài)等等，這個階段需要反復(fù)運行，直至結(jié)束。在matlab的workspace里打edit sfuntmpl(這是matlab自己提供的s函數(shù)模板),我們 看它來具體分析s函數(shù)的結(jié)構(gòu)。 它的第一行是這樣的：function sys,x0,str ,ts=sfuntmpl(t,x,u,flag)先講輸入與輸出變量的含義：t是采樣時間，x是狀態(tài)變量，u是輸入(是做成 simulink模塊的輸入)二,flag是仿真過程中的狀態(tài)標志(以它來判斷當(dāng)前是初始化還是運行等)；sys輸出根據(jù)f

3、lag的不同而不同(下面將結(jié)合flag來講sys的含義)，x0是狀態(tài)變量的初始值，str 是保留參數(shù)(mathworks公司還沒想好該怎么用它，嘻嘻，一般在初始化中將它置空就可 以了，str=) , ts是一個1X2的向量，ts(1)是采樣周期，ts(2)是偏移量。下面結(jié)合sfuntmpl.m中的代碼來講具體的結(jié)構(gòu)：switch flag,%判斷flag ,看當(dāng)前處于哪個狀態(tài)case 0,sys,x0,str ,ts=mdlInitializeSizes;flag=0 表示處于初始化狀態(tài)，此時用函數(shù)mdllnitializeSizes 進行初始化，此函數(shù)在sfuntmpl.m 的 149 行我

4、們找到他，在初始化狀態(tài)下，sys是一個結(jié)構(gòu)體，用它來設(shè)置模塊的一些參數(shù)，各個參數(shù)詳細說明如下size = simsizes;% 用于設(shè)置模塊參數(shù)的結(jié)構(gòu)體用simsizes來生成sizes.NumContStates = 0;% 模塊連續(xù)狀態(tài)變量的個數(shù)sizes.NumDiscStates = 0;% 模塊離散狀態(tài)變量的個數(shù)sizes.NumOutputs = 0;%模塊輸出變量的個數(shù)sizes.Numlnputs = 0;% 模塊輸入變量的個數(shù)sizes.DirFeedthrough = 1;%模塊是否存在直接貫通(直接貫通我的理解是輸入能直接控制輸出)sizes.NumSampleTimes

5、 = 1;%模塊的采樣時間個數(shù)，至少是一個sys = simsizes(sizes); % 設(shè)置完后賦給 sys輸出舉個例子，考慮如下模型：口dx/dt=fc(t,x,u)也可以用連續(xù)狀態(tài)方程描述：dx/dt=A*x+B*ux(k+1)=fd(t,x,u)也可以用離散狀態(tài)方程描述：x(k+1)=H*x(k)+G*u(k)y=fo(t,x,u)也可以用輸出狀態(tài)方程描述：y=C*x+D*u設(shè)上述模型連續(xù)狀態(tài)變量、離散狀態(tài)變量、輸入變量、輸出變量均為1個，我們就只需改上 面那一段代碼為：(一般連續(xù)狀態(tài)與離散狀態(tài)不會一塊用，我這兒是為了方便說明)sizes.NumContStates=1;sizes.

6、NumDiscStates=1;sizes.NumOutputs=1;sizes.NumInpu ts=1;其他的可以不變。繼續(xù)在mdllnitializeSizes函數(shù)中往下看：x0 = 口；狀態(tài)變量設(shè)置為空，表示沒有狀態(tài)變量，以我們上面的假設(shè)，可改 為x0=0,0(離散和連續(xù)的狀態(tài)變量我們都設(shè)它初值為0)str = ;%這個就不用說了，保留參數(shù)嘛，置口就可以了，反正沒什么用，可 能7.0會給它一些意義ts = 0 0； %采樣周期設(shè)為0表示是連續(xù)系統(tǒng)，如果是離散系統(tǒng)在下面的 mdlGet %TimeOfNextVarHit函數(shù)中具體介紹嘻嘻，總算講完了初始化，后面的應(yīng)該快了 在sfuntm

7、pl的106行繼續(xù)往下看：case 1,sys=mdlDerivatives(t,x,u);flag=1表示此時要計算連續(xù)狀態(tài)的微分，即上面提到的dx/dt=fc(t,x,u)中的dx/dt,找到mdlDerivatives函數(shù)(在193行)如果設(shè)置連續(xù)狀態(tài)變量個數(shù)為0,此處只需sys=;就可以了(如 sfuntmpl中一樣)，按我們上述討論的那個模型，此處改成sys=fc(t,x(1),u)或sys=A*x(1)+B*u%我們這兒x(1)是連續(xù)狀態(tài)變量，而 x(2)是離散的，這兒只用到連續(xù)的，此時的輸出sys就是微分繼續(xù)，在sfuntmpl的112行：case 2,sys=mdlUpdate

8、(t,x,u);flag=2表示此時要計算下一個離散狀態(tài)，即上面提到的x(k+1)=fd(t,x,u)，找到mdlUpd ate函數(shù)(在206行)它這兒sys=;表示沒有離散狀態(tài)，我們這而可以改成 sys=fd(t,x(2),u) 或 sys=H*x(2)+G*u;%sys 即為 x(k+1)看來后面幾個一兩句話就可了，呵呵，在 sfuntmpl的118行case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);flag=3表示此時要計算輸出，即 y=fo(t,x,u),找到mdlOutputs函數(shù)(在218行),如上，如 果sys=表示沒有輸出，我們改成sys=fo(t,x,u)或sys=C

9、*x+D*u %sys此時為輸出y好像快完了，嘻嘻，在 sfuntmpl的124行case 4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);flag=4表示此時要計算下一次采樣的時間，只在離散采樣系統(tǒng)中有用(即上文的mdlInitializeSizes中提到的ts設(shè)置ts(1)不為0)連續(xù)系統(tǒng)中只需在mdlGetTimeOfNextVarHit函數(shù)中寫上sys=;這個函數(shù)主要用于變步長的設(shè)置，具體實現(xiàn)大家可以用edit vsfunc看vsfunc.m這個例子最后一個，在 sfuntmpl的130行case 9,sys=mdlTerminate(t,x,u); |flag

10、=9表示此時系統(tǒng)要結(jié)束，一般來說寫上在 mdlTerminate函數(shù)中寫上sys=就可，如果你在結(jié)束時還要設(shè)置什么，就在此函數(shù)中寫 關(guān)于sfuntmpl這個s函數(shù)的模板講完了。s函數(shù)還可以帶用戶參數(shù)，下面給個例子，和 simulink下的gain模塊功能一樣，大伙自己 看吧，我睡覺去了，累了function sys,x0,str ,ts = sfungain(t,x,u,flag,gain) switch flag,case 0,sizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs =

11、 1;sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 1;sizes.NumSampleTimes = 1;sys = simsizes(sizes);x0=;str=;ts=0,0;case 3, sys=gain*u;case 1,2,4,9,sys = 口；endSIMULINK s-function 的設(shè)計Simulink為用戶提供了許多內(nèi)置的基本庫模塊，通過這些模塊進行連接而構(gòu)成系統(tǒng)的模型。對于那些經(jīng)常使用的模塊進行組合并封裝可以構(gòu)建出重復(fù)使用的新模塊，但它依然是基于Simulink原來提供的內(nèi)置模塊。而Simulink s-function 是

12、一種強大的對模塊庫進行擴展的新工具。(一)、s-function 的概念s-function是一個動態(tài)系統(tǒng)的計算機語言描述，在MATLAB里，用戶可以選擇用 m文件編寫，也可以用c或mex文件編寫,在這里只給大家介紹如何用m文件編寫s-function 。S-function提供了擴展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語法，使函數(shù)和 Simulink解法器進行交互。S-function最廣泛的用途是定制用戶自己的 Simulink模塊。它的形式十分通用，能夠支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。(二卜建立m文件s-function1、使用模板文件：sfuntmp1. m 格式：

13、sys,x0=function(t,x,u,flag)該模板文件位于 MATLAB根目錄下toolbox/simulink/blocks目錄下。模板文件里s-function的結(jié)構(gòu)十分簡單，它只為不同的 flag的值指定要相應(yīng)調(diào)用的m文件子函數(shù)。比如當(dāng) flag=3時，即模塊處于計算輸出這個仿真階段時，相應(yīng)調(diào)用的子函數(shù)為 sys=mdloutputs(t,x,u) 。模板文件使用switch語句來完成這種指定，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)并不唯一，用戶也可以使用 if語 句來完成同樣的功能。而且在實際運用時，可以根據(jù)實際需要來去掉某些值，因為并不是每個模塊都需要經(jīng)過所有的子函數(shù)調(diào)用。模板文件只是Simulin

14、k為方便用戶而提供的一種參考格式，并不是編寫s-function的語法要求，用戶完全可以改變子函數(shù)的名稱，或者直接把代碼寫在主函數(shù)里，但使用模板文件的好處是，比較方便，而且條理清晰。使用模板編寫s-function ,用戶只需把s-函數(shù)名換成期望的函數(shù)名稱，如果需要額外的輸入?yún)⒘?，還需在輸入?yún)?shù)列表的后面增加這些參數(shù)，因為前面的 4個參數(shù)是simulink調(diào)用 s-function時自動傳入的。對于輸出參數(shù)，最好不做修改。接下去的工作就是根據(jù)所編s-function要完成的任務(wù)，用相應(yīng)的代碼去替代模板里各個子函數(shù)的代碼即可。Simulink在每個仿真階段都會對 s-function進行調(diào)用，在

15、調(diào)用時，Simulink會根據(jù)所處的仿 真階段為flag傳入不同的值，而且還會為sys這個返回參數(shù)指定不同的角色， 也就是說盡管 是相同的sys變量，但在不同的仿真階段其意義卻不相同，這種變化由 simulink自動完成。 m文件s-function可用的子函數(shù)說明如下：mdlInitializeSizes(flag=0):定義s-function模塊的基本特性，包括采樣時間、連續(xù)或者離散 狀態(tài)的初始條件和 sizes數(shù)組。mdlDerivatives(flag=1):計算連續(xù)狀態(tài)變量的微分方程。mdlUpdate(flag=2):更新離散狀態(tài)、采樣時間和主時間步的要求。mdlOutputs(

16、flag=3):計算 s-function 的輸出。mdlGetTimeOfNextVarHit(flag=4):計算下一個采樣點的絕對時間，這個方法僅僅是在用戶 在mdlInitializeSizes 里說明了一個可變的離散采樣時間。概括說來，建立 s-function可以分成兩個分離的任務(wù)：初始化模塊特性包括輸入輸出信號的寬度，離散連續(xù)狀態(tài)的初始條件和采樣時間。將算法放到合適的 s-function子函數(shù)中去。2、定義s-function的初始信息為了讓Simulink識別出一個 m文彳s-function ,用戶必須在s-函數(shù)里提供有關(guān) s-函數(shù)的說 明信息，包括采樣時間、連續(xù)或者離散狀

17、態(tài)個數(shù)等初始條件。這一部分主要是在 mdlInitializeSizes 子函數(shù)里完成。Sizes數(shù)組是s-function函數(shù)信息的載體，它內(nèi)部的字段意義為：NumContStates(sys(1):連續(xù)狀態(tài)的個數(shù)(狀態(tài)向量連續(xù)部分的寬度)NumDiscStates(sys(2):離散狀態(tài)的個數(shù)(狀態(tài)向量離散部分的寬度)NumOutputs(sys(3):輸出變量的個數(shù)(輸出向量的寬度)NumInputs(sys(4):輸入變量的個數(shù)(輸入向量的寬度)DirFeedthrough(sys(5):有不連續(xù)根的數(shù)量NumSampleTimes(sys(6):采樣時間的個數(shù)，有無代數(shù)循環(huán)標志如果字

18、段代表的向量寬度為動態(tài)可變，則可以將它們賦值為一1。注意DirFeedthrough是一個布爾變量，它的取值只有 0和1兩種，0表示沒有直接饋入，此時用戶在編寫 mdlOutputs子函數(shù)時就要確保子函數(shù)的代碼里不出現(xiàn)輸入變量u; 1表示有直接饋入。NumSampleTimes表示采樣時間的個數(shù)，也就是 ts變量的行數(shù)，與用戶對ts的定義有關(guān)。需要指出的是，由于 s-function會忽略端口，所以當(dāng)有多個輸入變量或多個輸出變量時，必 須用mux模塊或demux模塊將多個單一輸入合成一個復(fù)合輸入向量或?qū)⒁粋€復(fù)合輸出向量 分解為多個單一輸出。3、輸入和輸出參量說明S-function默認的4個輸入?yún)?shù)為t、x、u和flag ,它們的次序不能變動，代表的意義分別 為：t:代表當(dāng)前的仿真時間，這個輸入?yún)?shù)通常用于決定下一個采樣時刻，或者在多采樣速率 系統(tǒng)中，用來區(qū)分不同的采樣時刻點，并據(jù)此進行不同的處理。x：表示狀態(tài)向量，這個參數(shù)是必須的，甚至在系統(tǒng)中不存在狀態(tài)時也是如此。它具有很靈 活的運用。u:表示輸入向量。flag :是一個控制在每一個仿真階段調(diào)用哪一個子函數(shù)的參數(shù)，由Simulink在調(diào)用時自動取值。S-function默認的4個返回參數(shù)為sys、x0、它們的次序不能變動，代表的意義分別為：sys：是一個通用的返