S-Function

雾里_看花

5075人浏览 · 2018-07-13 14:04:06

雾里_看花 · 2018-07-13 14:04:06 发布

S-函数使Simulink的功能大大扩充，除Mmatlab外，用户还可以用其他语言（C/C++/FORTRAN/Ada）编写实现算法，很强大的同时也对使用者提出了较高的要求。下面是编写S-函数的整个流程：

0 基础知识

（1）Simulink仿真过程

Simulnk仿真分为两步：初始化、仿真循环。仿真是由求解器控制的，求解器主要作用是：计算模块输出、更新模块离散状态、计算连续状态。求解器传递给系统的信息包括：时间、输入和当前状态。系统的作用：计算模块的输出、更新状态、计算状态导数，然后将这些信息传递给求解器。求解器和系统之间的信息传递是通过不同标志来控制的。

、

（2）S-函数控制流

（3）S-函数的几个概念

1）直接馈通

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。

2）采样时间

仿真步长就是整个模型的基础采样时间，各个子系统或模块的采样时间，必须以这个步长为整数倍。

连续信号和离散信号对计算机而言其实都是采样而来的，只是采样时间不同，连续信号采样时间可认为趋于0且基于微分方程，离散信号采样时间比较长基于差分方程。离散信号当前状态由前一个时刻的状态决定，连续信号可以通过微分方程计算得到。如果要将连续信号离散化还要考虑下信号能否恢复的问题，即香农定理。

采样时间点的确定：下一个采样时间=（n*采样间隔）+ 偏移量，n表示当前的仿真步，从0开始。

对于连续采样时间，ts可以设置为[0 0]，其中偏移量为0；

对于离散采样时间，ts假设为[0.25 0.1]，表示在S-函数仿真开始后0.1s开始每隔0.25s运行一次，当然每个采样时刻都会调用mdlOutPuts和mdlUpdate函数；

对于变采样时间，即离散采样时间的两次采样时间间隔是可变的，每次仿真步开始时都需要用mdlGetTimeNextVarHit计算下一个采样时间的时刻值。ts可以设置为[-2 0]。

对于多个任务，每个任务都可以以不同的采样速率执行S-函数，假设任务A在仿真开始每隔0.25s执行一次，任务B在仿真后0.1s每隔1s执行一次，那么ts设置为[0.25 0.1;1.0 0.1]，具体到S-函数的执行时间为[0 0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 1.1…]。

如果用户想继承被连接模块的采样时间，ts只要设置为[-1 0]。

1 S-函数的编写

1.1 S函数的输入输出参数含义

首先打开M-文件的模版函数：function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag)

这个是无参的，如果有参数格式为：function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag,p1,p2,…)

1.2 子函数的作用

（1）


function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes
sizes = simsizes;
sizes.NumContStates  = 0;  %连续状态个数
sizes.NumDiscStates  = 0;  %离散状态个数
sizes.NumOutputs     = 0;  %输出个数
sizes.NumInputs      = 0;  %输入个数
sizes.DirFeedthrough = 1;  %是否直接馈通
sizes.NumSampleTimes = 1;  %采样时间个数，至少一个
sys = simsizes(sizes);     %将size结构传到sys中
x0  = [];                     %初始状态向量，由传入的参数决定，没有为空
str = [];
ts  = [0 0];                  %设置采样时间，这里是连续采样，偏移量为0
% Specify the blocksimStateCompliance. The allowed values are:
%    'UnknownSimState', < The defaultsetting; warn and assume DefaultSimState
%    'DefaultSimState', < Same sim state as abuilt-in block
%    'HasNoSimState',   < No sim state
%    'DisallowSimState' < Error out whensaving or restoring the model sim state
simStateCompliance = 'UnknownSimState';

（2）


functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sampleTime = 1;    %  Example, set the next hit to be one secondlater.
sys = t + sampleTime;

（3）

functionsys=mdlOutputs(t,x,u)
sys = [];

（4）


function sys=mdlUpdate(t,x,u)
sys = [];

（5）


functionsys=mdlDerivatives(t,x,u)
sys = [];

（6）

functionsys=mdlTerminate(t,x,u)
sys = [];

2 实例解析

在编写S-函数之前要确定系统是否有状态变量、是连续还是离散状态以及输入输出个数、是否传入参数、采样时间等因素，针对不同的系统进行初始化、编写不同的子函数。

以matlab自带的限制积分函数程序limintm为例，讲解S-函数的编写。

Simulink系统：

S-函数设置：其中传入的参数2,3,2.5分别表示为积分上限、积分下限和初始积分条件。

输出图形：

S-函数分析：


<span style="font-size:18px;">function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=limintm(t,x,u,flag,lb,ub,xi)
%传入的三个参数放在后面lb,ub,xi的位置
%LIMINTM Limited integrator implementation.
%   Example MATLAB file S-function implementing a continuous limited integrator
%   where the output is bounded by lower bound (LB) and upper bound (UB)
%   with initial conditions (XI).
%   
%   See sfuntmpl.m for a general S-function template.
%
%   See also SFUNTMPL.
    
%   Copyright 1990-2009 The MathWorks, Inc.
%   $Revision: <span class="hljs-number"><span class="hljs-number">1.1</span></span>.<span class="hljs-number"><span class="hljs-number">6.2</span></span> $
 
switch flag
 
  %%%%%%%%%%%%%%%%%%
  % Initialization %
  %%%%%%%%%%%%%%%%%%
  case 0         
    [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = mdlInitializeSizes(lb,ub,xi);
 
  %%%%%%%%%%%%%%%
  % Derivatives %
  %%%%%%%%%%%%%%%
  case 1
    sys = mdlDerivatives(t,x,u,lb,ub);
 
  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  % Update and Terminate %
  
  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  case {2,9}
    sys = []; % do nothing
 
  %%%%%%%%%%
  % Output %
  %%%%%%%%%%
  case 3
    sys = mdlOutputs(t,x,u); 
 
  otherwise
    DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));
end
 
% end limintm
 
%
%=============================================================================
% mdlInitializeSizes
% Return the sizes, initial conditions, and sample times for the S-function.
%=============================================================================
%
function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = mdlInitializeSizes(lb,ub,xi)
 
sizes = simsizes;
sizes.NumContStates  = 1;%1个连续状态，即积分状态
sizes.NumDiscStates  = 0;
sizes.NumOutputs     = 1;
sizes.NumInputs      = 1;
sizes.DirFeedthrough = 0;
sizes.NumSampleTimes = 1;
 
sys = simsizes(sizes);
str = [];
x0  = xi; %积分状态初始条件‘
ts  = [0 0];   % sample time: [period, offset]
 
% speicfy that the simState for this s-function is same as the default
simStateCompliance = 'DefaultSimState';
 
% end mdlInitializeSizes
 
%
%=============================================================================
% mdlDerivatives
% Compute derivatives for continuous states.
%=============================================================================
%
function sys = mdlDerivatives(t,x,u,lb,ub)
 
if (x <= lb & u < 0)  | (x>= ub & u>0 )
  sys = 0;
else
  sys = u;
end
 
% end mdlDerivatives
 
%
%=============================================================================
% mdlOutputs
% Return the output vector for the S-function
%=============================================================================
%
function sys = mdlOutputs(t,x,u)
 
sys = x;
 
% end mdlOutputs
</span>