Simulink S

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Simulink S

2023-08-11 16:18| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录前言1. 概述1.1 基本概念1.2 s-functiong 模块1.3 在模型中使用1.4 何时使用S-function 2. S-function 工作原理2.1 Simulink模块的数学关系2.2 Simulink 与S-function 仿真流程2.4 S-function回调程序 3. M文件的S-function 模板4. 使用实例4.1 S-function实现离散系统总结

前言

本文介绍了s-function 的基本概念和使用案例。

1. 概述

函数是系统函数（System Function）的简称，在Simulink中用非图形化的方式来描述一个模块。一个完整的S-函数结构体系包含了描述一个动态系统所需要的全部能力。使用S-函数用户可以向Simulink模型中添加自己的模块，可以自由选择使用MATLAB、C、C++等语言来创建自己的模块。

1.1 基本概念

1. 直接馈通(direct feedthrough) 直接馈通表示系统的输出或可变采样时间是否受到输入的控制。

a. 输出函数（mdlOutputs或flag==3）是输入u的函数。即，如果输入u在mdlOutputs中被访问，则存在直接馈通。

b. 对于一个变步长S-Function的“下一个采样时间”函数（mdlGetTimeOfNextVarHit或flag==4）中可以访问输入u。

例如，一个需要其输入的系统（也就是具有直接馈通）是运算y=kXu,其中，u是输入，k是增益，y是输出。

又如，一个不需要其输入的系统（也就是没有直馈通）是一种简单的积分运算：

输出：y=x；

导数：dx/dt=u

其中，x是状态，dx/dt是状态对时间的导数，u是输入，y是输出。

正确设置直接馈通标志是十分重要的，因为它影响模型中块的执行顺序，并可用检测代数环。 **2. 动态维矩阵 ** 只可以有一个输入端口，但宽度可变，即使用mux 将多路信号转换为一路信号在这里插入图片描述 3. 采样时间和偏移量 4. 可变采样时间 5. 继承采样时间

1.2 s-functiong 模块

在这里插入图片描述 S-function name: 填入相应的.m文件，建立联系。 S-function parameters: 填入需要输入的外部参数名称，如a 、b、c 如下s-functino中a,b,c ，即为外部参数，需在此定义。

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag,a,b,c)

S-function modules: 使用C语言编写并用MEX工具编译的C MEX文件时，才需要填写该参数。

1.3 在模型中使用

1.在matlab安装目录中搜索到S-functionde模板文件sfuntmpl.m, 另存一份为test.m 2.找到函数mdlInitializeSizes，修改如下

sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1;

3.找到mdlOutputs(t,x,u)

sys = 2*u;

4.建立如下模型在这里插入图片描述 5. 仿真结果如下

1.4 何时使用S-function

1.向SIMULINK增加一些新的通用模块；增加作为硬件设备驱动程序的模块；将已有的C代码组合到仿真中； 2.使用S-函数的一个优点是可以创建一个普通用途的模块，在一个模型中多次使用，而且可单独改变模型中所使用的每个模块的参数. 3.使用S-函数的一个优点是可以创建一个普通用途的模块，在一个模型中多次使用，而且可单独改变模型中所使用的每个模块的参数.

2. S-function 工作原理 2.1 Simulink模块的数学关系

Simulink模块包含一组输入、一组状态和一组输出。其中，输出是采样时间、输入和模块状态的函数，如图所示。在这里插入图片描述

2.2 Simulink 与S-function 仿真流程

在这里插入图片描述 S-function包括主函数和6个功能子函数，包括mdlInitializeSizes初始化、mdlDerivatives连续状态微分、mdlUpdate离散状态更新、mdlOutputs模块输出、mdlGetTimeOfNextVarHit计算下次采样时刻和 mdITerminate仿真结束。在S-function仿真过程中，利用switch-case语句，根据不同阶段对应的 flag值（仿真流程标志向量〉来调用S-function的不同子函数，以完成对S-function模块仿真流程的控制。由流程图可知，S-function 的仿真流程图和Simulink的仿真流程图十分相似，都包含初始化、仿真结束、以及仿真循环部分。

2.4 S-function回调程序

一个S-function包含了一组S-function回调程序,用以执行在每个仿真阶段所必需的任务。在模型仿真期间，Simulink 对于模型中的每个S-function模块调用适当的程序，通过S-function程序来执行的任务。

3. M文件的S-function 模板

M文件的S-function结构明晰，易于理解，书写方便，且可以调用丰富的MATLAB函数，对于一般的应用，使用MATLAB语言编写S-function就足够了。

要了解S-function是如何工作的，最直接有效的方法就是学习S-function范例。下面先详细分析模板sfuntmpl.m中的代码内容，原代码中的注释已删除，为方便分析，现加入一些中文注释:

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag) %主函数 %主函数包含四个输出： % sys数组包含某个子函数返回的值，返回值取决于flag的值。例如flag=3,sys则包含了S-function的输出。 % x0为所有状态的初始化向量，除flag=0外，x0被忽略 % str是保留参数，总是一个空矩阵（M文件s-function 必须设置该元素为空矩阵） % Ts返回系统采样时间（一个两列矩阵，包含块的采样时间和偏移量） %函数的四个输入分别为采样时间t、状态x、输入u和仿真流程控制标志变量flag %输入参数后面还可以接续一系列的附带参数simStateCompliance switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag)); end %主函数结束 %下面是各个子函数，即各个回调过程 function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes %初始化回调子函数 %提供状态、输入、输出、采样时间数目和初始状态的值 %初始化阶段，标志变量flag首先被置为0，S-function首次被调用时该子函数首先被调用， %且为S-function模块提供下面信息 %该子函数必须存在 sizes = simsizes; %生成sizes数据结构，信息被包含在其中 sizes.NumContStates = 0; %连续状态数，缺省为0 sizes.NumDiscStates = 0; %离散状态数，缺省为0 sizes.NumOutputs = 0; %输出个数，缺省为0 sizes.NumInputs = 0; %输入个数，缺省为0 sizes.DirFeedthrough = 1; %是否存在直馈通道，1存在，0不存在 sizes.NumSampleTimes = 1; %采样时间个数，至少是一个 sys = simsizes(sizes); %返回size数据结构所包含的信息 x0 = []; %设置初始状态 str = []; %保留变量置空 ts = [0 0]; %设置采样时间 simStateCompliance = 'UnknownSimState'; function sys=mdlDerivatives(t,x,u) %计算导数回调子函数 %给定t,x,u计算连续状态的导数，可以在此给出系统的连续状态方程 %该子函数可以不存在 sys = []; %sys表示状态导数，即dx function sys=mdlUpdate(t,x,u) %状态更新回调子函数 %给定t、x、u计算离散状态的更新 %每个仿真步内必然调用该子函数，不论是否有意义 %除了在此描述系统的离散状态方程外，还可以在此添加其他每个仿真步内都必须执行的代码 sys = []; %sys表示下一个离散状态，即x(k+1) function sys=mdlOutputs(t,x,u) %计算输出回调函数 %给定t,x,u计算输出，可以在此描述系统的输出方程 %该子函数必须存在 sys = []; %sys表示输出，即y function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) %计算下一个采样时间 %仅在系统是变采样时间系统时调用 sampleTime = 1; %设置下一次采样时间是在1s以后 sys = t + sampleTime; %sys表示下一个采样时间点 function sys=mdlTerminate(t,x,u) %仿真结束时要调用的回调函数 %在仿真结束时，可以在此完成仿真结束所需的必要工作 sys = [];

在这里插入图片描述

4. 使用实例 4.1 S-function实现离散系统

用S-function模板实现一个离散系统时，首先对mdInitializeSizes子函数进行修改，声明离散状态的个数,对状态进行初始化,确定采样时间等。然后再对mdlUpdate和 mdlOutputs子函数做适当修改，分别输入要表示的系统的离散状态方程和输出方程即可。在这里插入图片描述 1）将模板文件另存为ep7_3.m,并修改主函数明为ep7_3 2) 修改mdlInitializeSizes子函数: