【文章內(nèi)容簡介】 窗口中鍵入命令edit sfuntempl即可調(diào)用模塊板程序編輯S函數(shù)。第二步就是到非線性模塊庫中將Sfunction的系統(tǒng)功能模塊復(fù)制進(jìn)來，然后輸入程序文件名，以供調(diào)用。Sfunction的設(shè)計(jì)步驟很簡單，只有兩步，但是可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能。 S函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)及封裝 S函數(shù)的概述S函數(shù)是 System function 系統(tǒng)函數(shù)的簡稱，是指采用非圖形化（即計(jì)算機(jī)語言，而非 Simulink系統(tǒng)模塊）的方式描述的功能模塊。在MATLAB中，用戶除了可以使用 MATLAB代碼編寫S函數(shù)以外，還可以使用C、C＋＋、FORTRAN 或Ada 語言編寫S函數(shù)，只不過用這些語言編寫程序時需要用編譯器生成動態(tài)連接庫（DLL）文件，然后在 Simulink 中直接調(diào)用。S函數(shù)是由一種特殊的語法構(gòu)成的，用來描述并實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的。它采用一種特殊的調(diào)用語法，使函數(shù)和Simulink求解器進(jìn)行交互。這種交互與求解器和Simulink仿真模型間的交互相類似：S函數(shù)接受來自Simulink求解器的相關(guān)信息，并對求解器發(fā)出的命令做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。S函數(shù)作為與其它語言結(jié)合的接口，可以使用這個語言所提供的強(qiáng)大功能。例如，使用MATLAB語言編寫的S函數(shù)稱為M文件S函數(shù)，它可以充分利用MATLAB所提供的豐富資源，方便地調(diào)用各種工具箱函數(shù)和圖形函數(shù)；而使用C 語言編寫的S函數(shù)被稱為C－MEX 文件S函數(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)和外部設(shè)備等的訪問，也可以提供與操作系統(tǒng)的接口。另外,S函數(shù)可以使用其他多種語言編寫，因此可以實(shí)現(xiàn)代碼的移植，即將已有的代碼結(jié)合進(jìn)來，而不需在Simulink中重新實(shí)現(xiàn)算法。 S函數(shù)中采用非圖形化的方式描述系統(tǒng)，其內(nèi)部采用文本方式輸入描述系統(tǒng)的公式、方程，這種方式非常適合復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，且可以在仿真過程中對仿真進(jìn)行精確的控制。 S函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)S函數(shù)[10]是有固定格式的，MATLAB語言和C語言編寫的S函數(shù)的格式是不同的。用MATLAB語言編寫的S函數(shù)的引導(dǎo)語句為：function [sys,x0,str,ts]=fun(t,x,u,flag,p1,p2,…)其中fun為S函數(shù)的函數(shù)名，t,x,u分別為時間、狀態(tài)和輸入信號，flag為標(biāo)志位，標(biāo)志位的取值不同，S函數(shù)執(zhí)行的任務(wù)與返回?cái)?shù)據(jù)也是不同的：（1）若flag的值為0時，將啟動S函數(shù)所描述系統(tǒng)的初始化過程，這時將調(diào)用一個名為mdlInitializeSizes()子函數(shù)，該函數(shù)應(yīng)該對一些參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置，如離散狀態(tài)變量的個數(shù)、連續(xù)狀態(tài)變量的個數(shù)，模塊輸入和輸出的路數(shù)，模塊的采樣周期個數(shù)和采樣周期的值、模塊狀態(tài)變量的初值向量x0等。首先通過sizes=simsizes語句獲得默認(rèn)的系統(tǒng)參數(shù)變量sizes。得出的sizes實(shí)際上是一個結(jié)構(gòu)體變量，其常用成員為：l NumContStates表示S函數(shù)描述的模塊中連續(xù)狀態(tài)的個數(shù)；l NumDiscStates表示離散狀態(tài)的個數(shù)；l NumInputs和NumOutputs分別表示模塊輸入和輸出的個數(shù)；l DirFeedthrough為輸入信號是否直接在輸出端出現(xiàn)，取值可以為0,1；l NumSampleTimes為模塊采樣周期的個數(shù)。按照要求設(shè)置好的結(jié)構(gòu)體sizes應(yīng)該在通過sys=simsizes（sizes）語句賦給sys參數(shù)。除了sys外，還應(yīng)該設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)變量x0、說明變量str和采樣周期變量ts，其中ts變量應(yīng)該為雙列的矩陣，其中每一行對應(yīng)一個采樣周期。對連續(xù)系統(tǒng)和有單個采樣周期的系統(tǒng)來說，該變量為[t1,t2],其中t1為采樣周期，如果取t1=1則將繼承輸入信號的采樣周期參數(shù)t2為偏移量，一般取為0。（2）若flag的值為1時，將作連續(xù)狀態(tài)變量的更新，將調(diào)用mdlDerivatives函數(shù)，更新后連續(xù)狀態(tài)變量將由sys變量返回。（3）若flag的值為2時，將作離散狀態(tài)變量的更新，將調(diào)用mdlUpdate（）函數(shù)，更新后的離散狀態(tài)變量將由sys變量返回。（4）若flag的值為3時，將求取系統(tǒng)的輸出信號，將調(diào)用mdlOutputs（）函數(shù)，將計(jì)算得出的輸出信號由sys變量返回。（5）若flag的值為4時，將調(diào)用mdlGetTimeOfNextVarHit()函數(shù)，計(jì)算下一步的仿真時刻，并將計(jì)算得出的下一步仿真時間由sys變量返回。（6）若flag的值為9時，將終止仿真過程，將調(diào)用mdlTerminate()函數(shù)，這時不返回任何變量。S函數(shù)中目前不支持其他的flag選擇。形成S函數(shù)的模塊后，就可以將其嵌入到系統(tǒng)的仿真模型中進(jìn)行仿真了。在實(shí)際仿真過程中，Simulink會自動將flag設(shè)置成0，進(jìn)行初始化過程，然后將flag的設(shè)置為3，計(jì)算該模塊的輸出。一個仿真周期后，Simulink先將flag的值分別設(shè)置為1和2，更新系統(tǒng)的連續(xù)和離散狀態(tài)，再將其設(shè)置成3來計(jì)算模塊的輸出值，如此一個周期接一個周期地計(jì)算，直至仿真結(jié)束條件滿足，Simulink將把flag的值設(shè)置成9，終止仿真過程。 S函數(shù)模塊的封裝右鍵點(diǎn)擊S函數(shù)模塊，選擇MASK選項(xiàng)，彈出封裝編輯框，在這里有四個欄，分別為圖標(biāo)、參數(shù)、初始化、文檔。其中參數(shù)最為重要。圖標(biāo)即模塊上顯示的圖形，可以編輯自己需要的文字，也可以用圖片包裝模塊。初始化可以對模塊參數(shù)進(jìn)行默認(rèn)設(shè)置，文檔中可以編寫模塊說明和幫助鏈接。而最重要的參數(shù)欄中，要把模塊對應(yīng)的S函數(shù)的參數(shù)列出來，每一個參數(shù)有三種形式：編輯、下拉框、復(fù)選框。如果是下拉框形式，要編輯對應(yīng)的選項(xiàng)。如果S函數(shù)需要響應(yīng)不同操作，可以對每一個參數(shù)選擇編寫對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。封裝編輯好后，右鍵點(diǎn)擊S函數(shù)模塊選擇LOOK UNDER MASK選項(xiàng)，在彈出的對話框中，首先填寫原文件，把編譯過的文件放置在當(dāng)前目錄下，在對話框中正確填寫文件名（不寫后綴），然后再把封裝時定義的參數(shù)變量按順序?qū)懺趨?shù)框中，每個參數(shù)用逗號隔開，注意變量名必須與封裝填寫的名稱一致，且數(shù)目相同。最有一個框不用填寫。點(diǎn)擊OK。則完成了對S函數(shù)的模塊封裝。 S函數(shù)工作原理了解S函數(shù)的工作原理對于用戶掌握S函數(shù)的編寫方法是非常有用的，對用戶對于 Simulink 的仿真原理的理解也是很有幫助的。本節(jié)介紹S函數(shù)的工作原理。 在具體介紹S函數(shù)的工作原理之前，首先需要回顧一下Simulink模塊的工作原理。 Simulink 中的每個模塊都有三個基本元素：輸入向量、狀態(tài)向量和輸出向量，分別表示為u，x和 y。圖1反映了它們之間的關(guān)系。在Simulink模塊的三個元素中，狀態(tài)向量是最重要的，也是最靈活的概念。在Simulink中狀態(tài)向量可以分為連續(xù)狀態(tài)、離散狀態(tài)或兩者的結(jié)合。輸入、輸出及狀態(tài)的關(guān)系可以用狀態(tài)方程描述：輸出方程：y=f0t ,x ,u （1）連續(xù)狀態(tài)方程：dx=fdt ,x ,u （2）離散狀態(tài)方程：xk+1=fut ,x ,u （3）其中x=dx xk+1 ，如圖1所示。狀態(tài)（x）輸入輸出yu模塊圖1 Simulink模塊的基本模型Simulink在仿真時將上述方程對應(yīng)不同的仿真階段，它們分別是計(jì)算模塊的輸出、更新離散狀態(tài)、計(jì)算連續(xù)狀態(tài)的微分。在仿真開始和結(jié)束，還包括初始化和結(jié)束仿真兩個階段。在每個階段，Simulink都反復(fù)地調(diào)用模塊。 由于積分時，對仿真步長有要求，所以此時需要將仿真步長細(xì)化。完成一個仿真循環(huán)就進(jìn)入下一個仿真步長，如此循環(huán)直至仿真結(jié)束。在調(diào)用模型中的S函數(shù)時，Simulink會調(diào)用用戶定義的S函數(shù)的例程來實(shí)現(xiàn)每個仿真階段要完成的任務(wù)。這些任務(wù)包括：（1）初始化：仿真開始前，Simulink在這個階段初始化S函數(shù)，完成的主要工作包括： l 初始化包含S函數(shù)所有信息的結(jié)構(gòu)體SimStruct； l 確定輸入輸出端口的數(shù)目和大??； l 確定模塊的采樣時間； l 分配內(nèi)存和Sizes數(shù)組。 （2）計(jì)算下一個采樣時刻：如果模型使用變步長求解器，那么就需要在當(dāng)前仿真步長內(nèi)確定下一個采樣點(diǎn)的時間，也即下一個仿真步長的大小。 （3）計(jì)算輸出：計(jì)算所有輸出端口的輸出值。 （4）更新離散狀態(tài)：此例程在每個仿真步長處都要執(zhí)行一次，為當(dāng)前時間的仿真循環(huán)更新離散狀態(tài)。 （5）數(shù)值積分：這個階段只有模塊具有連續(xù)狀態(tài)和非采樣過零點(diǎn)時才會存在。如果 S