MATLAB/simulink_S函数

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2020年12月15日 09时07分

S函数是simulink动态系统的核心,可以采用m代码,C,C++等语言编写S函数,由一种特定的语法构成,用来描述并实现连续系统,离散系统以及复合系统等动态系统。S函数可以接收来自simulink求解器的相关信息,并对求解器发出的命令做出适当的响应

 

基础知识

 

simulink

 

simulink是MATLAB中的可视化仿真工具,基于MATLAB采用框图方式实现动态系统建模、仿真和分析的过程。每个simulink模块都有三个基本元素:输入向量,状态向量和输出向量。分别用u,x,y表示。

 

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其中状态向量最为重要,可以分为连续状态,离散状态或两者混合状态,实际运用中多用离散状态。

 

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simulink的仿真过程包含两个主要阶段:初始化运行阶段,初始化主要是设置一些基本参数,如系统输入输出个数,状态初值,采样时间等;运行阶段主要是计算输出,更新离散状态,计算连续状态等;

 

对系统仿真控制是通过系统模型与求解器之间建立对话的方式进行,simulink将系统模型、模块参数和系统方程传递给simulink求解器,求解器将计算出的系统状态与仿真时间通过simulink传递给系统模型本身,通过这样的交互作用方式完成动态系统仿真。

 

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S函数

 

过零

 

动态系统仿真过程中,过零是指系统模型中的信号或系统模型特征的某种改变,包括:1)信号在上一个仿真时间步长之内改变了符号。2)系统模块在上个仿真时间步长改变了模式。对于离散模块及其产生的离散信号不需要进行过零检测

 

直接馈通(direct feedthrough)

 

直接馈通:表示系统的输出可变采样时间是否受输入控制

 

在编写S-函数时,初始化函数中需要对sizes.DirFeedthrough 进行设置,如果输出函数mdlOutputs或者对于变采样时间的(mdlGetTimeOfNextVarHit)是输入u的函数,则模块具有直接馈通的特性sizes.DirFeedthrough=1;否则为0。

 

S-Function建立

 

1.通过在simulink中双击空白处输入s function,回车确认,添加s函数,打开空白文件

 

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2.通过library Browser打开,找到s-function examples,打开模板文件,更改函数名字与文件名字一致,另存为xiuMS

 

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S函数模板文件详解

 

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(根据flag不同而不同)
%                 x0为所有状态的初始化向量
%                 str是保留参数,总是一个空矩阵(一般置空即可)
%                 Ts返回系统采样时间(是一个1x2的向量,ts(1)是采样周期,ts(2)是偏移量
%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(判断当前状态)
%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;
  % flag=0,表示当前处于初始化状态,此时调用函数mdlInitializeSizes进行初始化,具体见下面mdlInitializeSizes函数
  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,默认为0
sizes.NumDiscStates  = 0;%离散状态数,默认为0
sizes.NumOutputs     = 0;%输出个数,默认为0
sizes.NumInputs      = 0;%输入个数,默认为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,置空即可
ts  = [0 0];%设置采样时间,若采样周期设为0,则为连续系统
simStateCompliance = 'UnknownSimState';

function sys=mdlDerivatives(t,x,u)%计算导数回调子函数(计算连续状态的微分)
%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(计算下一个离散状态)
%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 = [];

 

s函数控制流程图

 

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实例

 

以S函数完成对输入信号运算:1607610849(1)
在模板文件中只需将输入输出改为1,在回调函数mdlOutputs中输入状态方程 1607610877(1)即可

 

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = xiuMS(t,x,u,flag)
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
function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes
sizes = simsizes;
sizes.NumContStates  = 0;
sizes.NumDiscStates  = 0;
sizes.NumOutputs     = 1;
sizes.NumInputs      = 1;
sizes.DirFeedthrough = 1;
sizes.NumSampleTimes = 1;   % at least one sample time is needed
sys = simsizes(sizes);
x0  = [];
str = [];
ts  = [0 0];
simStateCompliance = 'UnknownSimState';
function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
sys = [];
function sys=mdlUpdate(t,x,u)
sys = [];
function sys=mdlOutputs(t,x,u)
sys = 2*u;
function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sampleTime = 1;    %  Example, set the next hit to be one second later.
sys = t + sampleTime;
function sys=mdlTerminate(t,x,u)
sys = [];


 

建立如图所示simulink框图,得到仿真结果

 

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