S-function是Simulink最具魅力的地方，為了方便更快速了解Simulink基礎知識，本專題將利用五篇文章對S-function進行介紹及其案例詳解。歡迎關注~

目錄

• • 一、S-Function概述
  • • 1.1 簡介
    • 1.2 特點
    • 1.3 Level1與Level2形式
    • 1.4 S-function模塊
  • 二、S-function的幾個相關概念
  • • 2.1 直接饋通
    • 2.2 采樣時間與偏移量
  • 三、S-function仿真流程
  • 四、S-function函數(shù)詳解
  • • 4.1 sfuntmpl函數(shù)介紹
    • 4.2 mdlInitializeSizes函數(shù)
    • 4.3 mdlDerivatives函數(shù)
    • 4.4 mdlUpdate函數(shù)
    • 4.5 mdlOutputs函數(shù)
    • 4.6 mdlGetTimeOfNextVarHit函數(shù)
    • 4.7 mdlTerminate函數(shù)
  • 小結

一、S-Function概述

1.1 簡介

S-Function是system-function系統(tǒng)函數(shù)的縮寫，是指采用非圖形化的方式（即計算機語言，卻別與Simulink的系統(tǒng)模塊）描述的一個功能塊。說得簡單，S-Function就是用MATLAB所提供的模型不能完全滿足用戶，而提供給用戶自己編寫程序來滿足自己要求模型的接口。

1.2 特點

S-function具有一下特點：
（1）S-function為Simulink的系統(tǒng)函數(shù)；
（2）采用非圖形化的方法實現(xiàn)一個動態(tài)系統(tǒng)；
（3）可以使用多種語言進行編寫；
（4）能夠響應Simulink求解器命令；
（5）可以開發(fā)新的Simulink模塊；
（6）擴展Simulink功能。M文件的S-function可以擴展圖形能力，C-MEX的S-function可以提供與操作系統(tǒng)的接口；
（7）可以與已有的代碼相結合進行仿真；
（8）可以采用文本方式輸入復雜的系統(tǒng)方程；
（9）S-function的語法結構是為實現(xiàn)一個動態(tài)系統(tǒng)而設計；

1.3 Level1與Level2形式

M文件形式有兩種，Level1和Level2，二者的包裝模塊是不同的。

類型優(yōu)點缺點

level1	運行速度快，能處理矩陣數(shù)據(jù)	只能處理點數(shù)據(jù)，不能處理復數(shù)以及基于幀的數(shù)據(jù)
level2	能夠處理的數(shù)據(jù)類型多，包括矩陣、復數(shù)以及基于幀的數(shù)據(jù)	運行速度慢

1.4 S-function模塊

S-function模塊，位于Simulink/User-Defined Functions模塊庫中，是使S-function圖形化的模板工具，用于為S-function創(chuàng)建一個定值的對話框和圖標。

S-function模塊使得對S-function外部輸入?yún)?shù)的修改更加靈活，可以看作是S-function的一個外殼或這面板。S-function模塊及其參數(shù)對話框如下：

該模塊的參數(shù)設置如下：

• S-function name：填入S-function的函數(shù)名稱，這樣就建立了S-function模塊與M文件形式的S-function之間的對應關系；
• S-function parameters：填入S-function需要輸入的外部參數(shù)的名稱，如果有對各變量，則變量中間用逗號隔開，如a，b，c；
• S-function modules：僅當S-function是用C語言編寫并用MEX工具編譯的C-MEX文件時，才需要填寫該參數(shù)；

設置完這些參數(shù)后，S-function模塊就成了一個具有指定功能的模塊，它的功能取決于S-function的內(nèi)容，可以通過修改S-function來改變該模塊的功能。

二、S-function的幾個相關概念

2.1 直接饋通

直接饋通是指輸出直接受控于一個輸入口的值。有一個很好的經(jīng)驗方法可用于判斷輸入是否為直接饋通：
如果輸出函數(shù)（mdlOutputs或flag==3）是輸入u的函數(shù)，即，如果輸入u在mdlOutputs中被訪問，則存在直接饋通。

例如，如果系統(tǒng)是y=k*u，其中，u是輸入，k是增益，y是輸出，這就是具有直接饋通輸入的系統(tǒng)。
正確設置直接饋通標志是十分重要的，因為這不僅關系到系統(tǒng)模型中的系統(tǒng)模塊的執(zhí)行順序，還關系到對代數(shù)環(huán)的檢測和處理。

2.2 采樣時間與偏移量

采樣時間是按照固定格式成對指定的：[采樣時間 偏移時間]。

采樣時間表示意義

[0 0]	連續(xù)采樣時間
[-1 0]	繼承S-function輸入信號或父層模型的采樣時間
[0.5 0.1]	離散采樣時間，從0.1s開始每0.5s采樣一次

三、S-function仿真流程

S-function包括主函數(shù)和6個功能子函數(shù)，包括mdlInitializeSizes（初始化）、mdlDerivatives（連續(xù)狀態(tài)微分）、mdlUpdate（離散狀態(tài)更新）、mdlOutputs（模塊輸出）、mdlGetTimeOfNextVarHit（計算下次采樣時刻）和mdlTerminate（仿真結束）。

在S-function仿真過程中，利用switch-case語句，根據(jù)不同階段對應的flag值（仿真流程標志向量）來調用S-function的不同子函數(shù)，以完成對S-function模塊仿真流程的控制。
S-function仿真流程如下：

一個更直觀的流程圖如下，大家可以好好理解一下：

四、S-function函數(shù)詳解

利用命令

edit sfuntmpl

可以進入sfuntmpl函數(shù)中，這個函數(shù)由一個主函數(shù)和六個子函數(shù)構成，下面進行一一介紹。

4.1 sfuntmpl函數(shù)介紹

函數(shù)名sfuntmpl可以自由定義，但文件名要與函數(shù)名一致。函數(shù)如下：

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag)switch flag,% Initialization %case 0,[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes;% Derivatives %case 1,sys=mdlDerivatives(t,x,u);% Update %case 2,sys=mdlUpdate(t,x,u);% Outputs %case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);% GetTimeOfNextVarHit %case 4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);% Terminate %case 9,sys=mdlTerminate(t,x,u);% Unexpected flags %otherwiseDAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));end

輸入量：
t——當前時間；
x——狀態(tài)向量；
u——輸入向量；
flag——標志位（默認為0）；
輸出量：
sys——一個通用的返回參數(shù)。返回值取決于flag的值。例如：flag=3，sys則包含了S-function的輸出；
x0——狀態(tài)初始值（如果系統(tǒng)中沒有狀態(tài)，則向兩位空）；
str——默認為空，無需設置；
ts——采樣時間，包含采樣時間和偏移量；
simStateComplicance——附加變量；

case 0:調用mdlInitializeSizes函數(shù)，初始化子函數(shù)，必須執(zhí)行；

case1：調用mdlDerivatives函數(shù)，連續(xù)狀態(tài)的導數(shù)；

case2：對離散狀態(tài)進行更新，更新到x(n+1)；

case3：調用mdlOutputs函數(shù)，系統(tǒng)輸出y；

case4：調用mdlGetTimeOfNextVarHit函數(shù)，下一個采樣時間點；

case9：調用mdlTerminate函數(shù)，函數(shù)終止；

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接下來對這五個子函數(shù)進行分別介紹。

4.2 mdlInitializeSizes函數(shù)

mdlInitializeSizes函數(shù)代碼如下：

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes% sizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 0; sizes.NumInputs = 0; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is neededsys = simsizes(sizes);% initialize the initial conditions x0 = [];% str is always an empty matrix str = [];% initialize the array of sample times ts = [0 0];simStateCompliance = 'UnknownSimState';

其中size屬性如下：
sizes.NumContStates = 0; %連續(xù)狀態(tài)的數(shù)量
sizes.NumDiscStates = 0; %離散狀態(tài)的數(shù)量
sizes.NumOutputs = 0; %輸出的數(shù)量
sizes.NumInputs = 0; %輸入的數(shù)量
sizes.DirFeedthrough = 1; %輸出y和輸入u是否是直通
sizes.NumSampleTimes = 1; %采樣時間

x0表示初始狀態(tài)；ts表示采樣時刻；
【注意】：
ts的第一個數(shù)字表示采樣時間，第二個數(shù)字表示偏移量；
[0 0]——表示默認采樣時間（默認為0.2秒采樣一次）；
[-1 0] ——表示根據(jù)連接模塊的采樣頻率進行采樣；

4.3 mdlDerivatives函數(shù)

連續(xù)狀態(tài)的導數(shù)，默認為空。
函數(shù)代碼如下：

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

4.4 mdlUpdate函數(shù)

離散狀態(tài)的更新。
函數(shù)代碼如下：

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

4.5 mdlOutputs函數(shù)

輸出。
函數(shù)代碼如下：

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

4.6 mdlGetTimeOfNextVarHit函數(shù)

下一個采樣時間點，在一秒鐘之后進行下一次采樣。
函數(shù)代碼如下：

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

4.7 mdlTerminate函數(shù)

終止函數(shù)。
函數(shù)代碼如下：

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

小結

flag子函數(shù)說明

0	mdlInitializeSizes	定義S-function模塊的基本特性，包括采樣時間，連續(xù)和離散狀態(tài)的初始化條件，以及sizes數(shù)組
1	mdlDerivatives	計算連續(xù)狀態(tài)變量的導數(shù)
2	mdlUpdate	更新離散狀態(tài)、采樣時間、主步長等必需條件
3	mdlOutputs	計算S-function的輸出
4	mdlGetTimeOfNextVarHit	計算下一個采樣點的絕對時間，只有當在mdlInitializeSizes中指定了變步長離散采樣時間時，才使用該程序
9	mdlTerminate	執(zhí)行Simulink終止時所需的任何任務

ok！下一篇文章S-function入門及案例詳解（2）——S-function基本案例介紹將介紹一下S-function的基礎案例。

如果對你有所幫助，記得點個贊喲~

總結

以上是生活随笔為你收集整理的S-function入门及案例详解（1）——S-function基础介绍及基本案例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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