SIMULINK s-function的設(shè)計(jì)

SIMULINK? s-function的設(shè)計(jì)
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(jìn)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(jìn)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是一種強(qiáng)大的對模塊庫進(jìn)行擴(kuò)展的新工具。一、s-function的概念
s-function是一個動態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(kuò)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(jìn)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、建立m文件s-function
1、使用模板文件：sfuntmp1. m
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(jì)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(shí)際運(yùn)用時，可以根據(jù)實(shí)際需要來去掉某些值，因?yàn)椴⒉皇敲總€模塊都需要經(jīng)過所有的子函數(shù)調(diào)用。
模板文件只是Simulink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浚€需在輸入參數(shù)列表的后面增加這些參數(shù)，因?yàn)榍懊娴?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(jìn)行調(diào)用，在調(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：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：計(jì)算連續(xù)狀態(tài)變量的微分方程。
mdlUpdate：更新離散狀態(tài)、采樣時間和主時間步的要求。
mdlOutputs：計(jì)算s-function的輸出。mdlGetTimeOfNextVarHit：計(jì)算下一個采樣點(diǎn)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。
mdlTerminate：實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)必須的結(jié)束。

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文件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：連續(xù)狀態(tài)的個數(shù)（狀態(tài)向量連續(xù)部分的寬度）
NumDiscStates：離散狀態(tài)的個數(shù)（狀態(tài)向量離散部分的寬度）
NumOutputs： 輸出變量的個數(shù)（輸出向量的寬度）
NumInputs：輸入變量的個數(shù)（輸入向量的寬度）
DirFeedthrough：有無直接饋入
NumSampleTimes：采樣時間的個數(shù)
如果字段代表的向量寬度為動態(tài)可變，則可以將它們賦值為－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(rèn)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(diǎn)，并據(jù)此進(jìn)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(yùn)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(rèn)的4個返回參數(shù)為sys、x0、str和ts，它們的次序不能變動，代表的意義分別為：
sys：是一個通用的返回參數(shù)，它所返回值的意義取決于flag的值。
x0： 是初始的狀態(tài)值（沒有狀態(tài)時是一個空矩陣[]），這個返回參數(shù)只在flag值為0時才有效，其他時候都會被忽略。
str：這個參數(shù)沒有什么意義，是MathWorks公司為將來的應(yīng)用保留的，m文件s-function必須把它設(shè)為空矩陣。
ts：是一個m×2的矩陣，它的兩列分別表示采樣時間間隔和偏移。
例1 csfunc.m（連續(xù)狀態(tài)s-function）
例2 dsfunc.m（離散狀態(tài)s-function)
例3 mixedm.m（混合系統(tǒng)s-function）
例4 vsfunc.m（可變步長仿真系統(tǒng)）
例5 filt.m，rect.m，rload.m（非模板文件形式）