matlab中s-function的编写教学内容

1、ma t l ab 中 s -f unc t i on 的 编 写s 函数是 system Function 的简称，用它来写自己的 simulink 模块。（够简 单吧， _，详细的概念介绍大伙看帮助吧）可以用 matlab 、C、C+、 Fortran 、Ada 等语言来写，这儿我只介绍怎样用 matlab 语言来写吧（主要是 它比较简单） 先讲讲为什么要用 s函数，我觉得用 s函数可以利用 matlab 的 丰富资源，而不仅仅局限于 simulink 提供的模块，而用 c 或 c+ 等语言写的 s 函数还可以实现对硬件端口的操作，还可以操作 windows API 等的先介绍一下 sim

2、ulink 的仿真过程（以便理解 s 函数）， simulink 的仿真有 两个阶段：1.初始化：这个阶段主要是设置一些参数，像系统的输入输出个数、状态初 值、采样时间等；2.运行阶段：这个阶段里要进行计算输出、更新离散状态、计算连续状态等 等。这个阶段需要反复运行，直至结束。在 matlab 的 workspace 里打 edit sfuntmpl（ 这是 matlab 自己提供的 s 函数 模板），我们看它来具体分析 s 函数的结构。它的第一行是这样的： function sys,x0,str,ts=sfuntmpl（t,x,u,flag） 先讲输 入与输出变量的含义： t是采样时间， x

3、是状态变量， u是输入（是做成 simulink 模块的输入） ,flag 是仿真过程中的状态标志（以它来判断当前是初始 化还是运行等）； sys 输出根据 flag 的不同而不同（下面将结合 flag 来讲 sys 的含义）， x0 是状态变量的初始值， str 是保留参数（ mathworks 公司还没想 好该怎么用它，嘻嘻，一般在初始化中将它置空就可以了 ,str=） ，ts 是一个 12 的向量， ts（1） 是采样周期， ts（2）是偏移量。面结合 sfuntmpl.m 中的代码来讲具体的结构：switch flag, % 判断 flag ，看当前处于哪个状态case 0, sys,

4、x0,str,ts=mdlInitializeSizes;flag=0 表示处于初始化状态，此时用函数 mdlInitializeSizes 进行初始化，此函数在 sfuntmpl.m 的 149 行我们找到他，在初始化状态下， sys 是一个结构体，用它来设置模块的一些参数，各个参数详细说明如下：size = simsizes;% 用于设置模块参数的结构体用 simsizes 来生成sizes.NumContStates = 0;% 模块连续状态变量的个数sizes.NumDiscStates = 0;% 模块离散状态变量的个数sizes.NumOutputs = 0;% 模块输出变量的个数

5、sizes.NumInputs = 0;% 模块输入变量的个数sizes.DirFeedthrough = 1;% 模块是否存在直接贯通(直接贯通我的理解是输入能 % 直接控制输出)sizes.NumSampleTimes = 1;% 模块的采样时间个数，至少是一个sys = simsizes(sizes); % 设置完后赋给 sys 输出举个例子，考虑如下模型： dx/dt=fc(t,x,u) 也可以用连续状态方程描述： dx/dt=A*x+B*u x(k+1)=fd(t,x,u) 也可以用离散状态方程描述：x(k+1)=H*x(k)+G*u(k) y=fo(t,x,u) 也可以用输出状态方

6、程描述： y=C*x+D*u 设上述模型连续状态变量、离散状态变量、输入变量、输出变量均为 1个，我们就只需改上面那一段代码为：(一般连续状态与离散状态不会一块用，我这儿是为了方便说明)sizes.NumContStates=1;sizes.NumDiscStates=1;sizes.NumOutputs=1;sizes.NumInpu ts=1; 其他的可以不变。继续在 mdlInitializeSizes 函数中往下看：x0 = ; % 状态变量设置为空，表示没有状态变量，以我们上面的假设，可改 % 为 x0=0,0( 离散和连续的状态变量我们都设它初值为 0) str = ; % 这个就

7、 不用说了，保留参数嘛，置 就可以了，反正没什么用，可能 7.0 会给它一些意 义ts = 0 0; % 采样周期设为 0 表示是连续系统，如果是离散系统在下面的 mdlGet %TimeOfNextVarHit 函数中具体介绍嘻嘻，总算讲完了初始化，后面 的应该快了。在 sfuntmpl 的 106 行继续往下看：case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); flag=1 表示此时要计算连续状态的微 分，即上面提到的 dx/dt=fc(t,x,u) 中的 dx/dt, 找到 mdlDerivatives 函数(在 193 行)如果设置连续状态变量个数为 0，此处只需

8、sys=; 就可以了(如 sfuntmpl 中一样)，按我们上述讨论的那个模型，此处改成 sys=fc(t,x(1),u) 或 sys=A*x(1)+B*u % 我们这儿 x(1) 是连续状态变量，而 x(2)是离散的，这儿只用 到连续的，此时的输出 sys 就是微分继续，在 sfuntmpl 的 112 行：case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); flag=2 表示此时要计算下一个离散状态，即 上面提到的 x(k+1)=fd(t,x,u) ，找到 mdlUpdate 函数(在 206 行)它这儿 sys=; 表示没有离散状态，我们这而可以改成 sys=fd(t,x(2),

9、u) 或 sys=H*x(2)+G*u;%sys 即为 x(k+1) 看来后面几个一两句话就可了，呵呵，在 sfuntmpl 的 118 行：case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); flag=3 表示此时要计算输出，即 y=fo(t,x,u), 找到 mdlOutputs 函数(在 218 行)，如上，如果 sys= 表示没有输出，我们 改成 sys=fo(t,x,u) 或 sys=C*x+D*u %sys 此时为输出 y 好像快完了，嘻嘻，在 sfuntmpl 的 124 行case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); flag=

10、4 表示此时要计算下一 次采样的时间，只在离散采样系统中有用 (即上文的 mdlInit ializeSizes 中提到 的 ts 设置 ts(1) 不为 0) 连续系统中只需在 mdlGetTimeOfNextVarHit 函数中写 上 sys=; 这个函数主要用于变步长的设置，具体实现大家可以用 edit vsfunc 看 vsfunc.m 这个例子最后一个，在 sfuntmpl 的 130 行case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); flag=9 表示此时系统要结束，一般来说写 上在 mdlTerminate 函数中写上 sys= 就可，如果你在结束时还要设置什么

11、，就 在此函数中写关于 sfuntmpl 这个 s 函数的模板讲完了。 s 函数还可以带用户参 数，下面给个例子，和 simulink 下的 gain 模块功能一样，大伙自己看吧，我睡 觉去了，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 = 1;sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 1;s

12、izes.NumSampleTimes = 1;sys = simsizes(sizes);x0=; str=; ts=0,0;case 3, sys=gain*u;case 1,2,4,9, sys = ;endSIMULINK s-function 的设计 Simulink 为用户提供了许多内置的基本库模 块，通过这些模块进行连接而构成系统的模型。对于那些经常使用的模块进行 组合并封装可以构建出重复使用的新模块，但它依然是基于 Simulink 原来提供 的内置模块。而 Simulink s-function 是一种强大的对模块库进行扩展的新工 具。(一)、s-function 的概念s-

13、function 是一个动态系统的计算机语言描述，在 MATLAB 里，用户可以 选择用 m 文件编写，也可以用 c 或 mex 文件编写，在这里只给大家介绍如何 用 m 文件编写 s-function 。S-function 提供了扩展 Simulink 模块库的有力工具，它采用一种特定的调 用语法，使函数和 Simulink 解法器进行交互。 S-function 最广泛的用途是定制 用户自己的 Simulink 模块。它的形式十分通用，能够支持连续系统、离散系统 和混合系统。(二)、建立 m 文件 s-function1、使用模板文件： sfuntmp1. m 格式： sys,x0=fu

14、nction(t,x,u,flag) 该模板 文件位于 MATLAB 根目录下 toolbox/simulink/blocks 目录下。模板文件里 s- function 的结构十分简单，它只为不同的 flag 的值指定要相应调用的 m 文件子 函数。比如当 flag=3 时，即模块处于计算输出这个仿真阶段时，相应调用的子函 数为 sys=mdloutputs(t,x,u) 。模板文件使用 switch 语句来完成这种指定，当然 这种结构并不唯一，用户也可以使用 if 语句来完成同样的功能而且在实际运用时，可以根据实际需要来去掉某些值，因为并不是每个模 块都需要经过所有的子函数调用。模板文件只

15、是 Simulink 为方便用户而提供的 一种参考格式，并不是编写 s-function 的语法要求，用户完全可以改变子函数 的名称，或者直接把代码写在主函数里，但使用模板文件的好处是，比较方 便，而且条理清晰。使用模板编写 s-function ，用户只需把 s-函数名换成期望的函数名称，如果 需要额外的输入参量，还需在输入参数列表的后面增加这些参数，因为前面的 4 个参数是 simulink 调用 s-function 时自动传入的。对于输出参数，最好不做 修改。接下去的工作就是根据所编 s-function 要完成的任务，用相应的代码去 替代模板里各个子函数的代码即可。 Simulink

16、 在每个仿真阶段都会对 s- function 进行调用，在调用时， Simulink 会根据所处的仿真阶段为 flag 传入不 同的值，而且还会为 sys 这个返回参数指定不同的角色，也就是说尽管是相同 的 sys 变量，但在不同的仿真阶段其意义却不相同，这种变化由 simulink 自动 完成。m 文件 s-function 可用的子函数说明如下：mdlInitializeSizes(flag=0) ：定义 s-function 模块的基本特性，包括采样时 间、连续或者离散状态的初始条件和 sizes 数组。mdlDerivatives(flag=1) ：计算连续状态变量的微分方程。 md

17、lUpdate(flag=2) ：更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。 mdlOutputs(flag=3) ：计算 s-function 的输出。mdlGetTimeOfNextVarHit(flag=4) ：计算下一个采样点的绝对时间，这个方 法仅仅是在用户在 mdlInitializeSizes 里说明了一个可变的离散采样时间概括说来，建立 s-function 可以分成两个分离的任务：初始化模块特性包括 输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。将算法放到合适 的 s-function 子函数中去。2、定义 s-function 的初始信息为了让 Simulink 识别

18、出一个 m 文件 s- function ，用户必须在 s-函数里提供有关 s-函数的说明信息，包括采样时间、 连续或者离散状态个数等初始条件。这一部分主要是在 mdlInitializeSizes 子函 数里完成。 Sizes 数组是 s-function 函数信息的载体，它内部的字段意义为： NumContStates(sys(1) ：连续状态的个数(状态向量连续部分的宽度) NumDiscStates(sys(2) ：离散状态的个数(状态向量离散部分的宽度) NumOutputs(sys(3) ： 输出变量的个数(输出向量的宽度) NumInputs(sys(4) ：输入变量的个数(输入

19、向量的宽度) DirFeedthrough(sys(5) ：有不连续根的数量 NumSampleTimes(sys(6) ：采样 时间的个数，有无代数循环标志如果字段代表的向量宽度为动态可变，则可以 将它们赋值为 1。注意 DirFeedthrough 是一个布尔变量，它的取值只有 0 和 1 两种， 0 表示没有直接馈入，此时用户在编写 mdlOutputs 子函数时就要确保 子函数的代码里不出现输入变量 u；1 表示有直接馈入。 NumSampleTimes 表 示采样时间的个数，也就是 ts 变量的行数，与用户对 ts 的定义有关。需要指出 的是，由于 s-function 会忽略端口，所以当有多个输入变量或多个输出变量 时，必须用 mux 模块或 demux 模块将多个单一输入合成一个复合输入向量或 将一个复合输出向量分解为多个单一输出。 3、输