Simulink中S函数的应用资料下载.pdf
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Sfunction;
modulemask收稿日期2007-05-12修回日期2007-05-25作者简介罗婷（1982-）,女,四川省南充市人,助教,主要研究计算机应用技术。
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028-68289223,13668120563.1引言S函数是SystemFunction的简称。
在很多情况下,Simulink现有的模块已经不能满足用户的需要,这时可以自己编写相应的代码来完成对模块功能的需求。
S函数则提供了一个代码和Simulink模块之间的接口,用来实现对模块的编程。
其中S函数的代码可以用Matlab语言编写,也可以是C、C+、Ada、Fortran等语言编写。
而非Matlab语言在应用当中须先被编写成MEX文件,即MatlabEx2ecutable文件36。
2S函数工作机理1每个Simulink模块都可用输入信号u,输出信号y和当前模块的状态x等三个变量描述。
如下图所示:
在simulink当中,对于连续和离散的系统,它的处理方式是不一样的。
在t时刻模块内部的状态是由两个状态构成,连续状态xc和离散状态xd,则这个时刻对应的状态为图1simulink模块的工作原理示意图Fig.1OperatingprincipleofSimulinkmodulex=xc+xd,y=f（t,x,u）,系统输出为。
对于连续系统来说,更新系统状态是通过对目标函数进行求导以及积分来实现的,而对于离散系统来说,则没有求导以及积分的处理,直接在当前时刻更新其状态,得到系统的输出。
此时系统可用以下方程进行描述连续状态方程:
x=fd（t,x,u）离散状态方程:
xk+1=fu（t,x,u）系统输出方程:
y=f0（t,x,u）成都医学院学报JOURNALOFCHENGDUMEDICALCOLLEGE2007年第2卷第2期3Simulink的仿真流程simulink的仿真过程可分为三个阶段:
初始化阶段;
仿真循环阶段;
仿真结束阶段。
在仿真过程当中,Simulink会调用相应的仿真例程来完成相应的功能。
首先,在初始化阶段,Simulink将对整个系统模块的参数进行初始化,检查各个模块的数据长度和类型,制订仿真模块的执行顺序,设置相应的仿真时间间隔以及内存的分配等等;
接下来,在仿真循环阶段,按照初始化制订的仿真顺序依次执行每一个模块。
对于离散状态,会更新当前时刻的离散状态并进行输出,而对于连续时间则处理起来相对复杂,它会计算两次输出,这两次输出会在求解器当中进行一致性检查,当超过求解器设置的容限时,求解器会以一个更小的步长进行计算输出,而且在连续时间状态情况下存在一个过零检测的问题,即在仿真循环当中如果检测到过零点,simulink系统会自动在此过零点周围进行插值。
仿真过程是由求解器和simulink系统交互控制的,它们之间的交互关系可由下面一个图进行说明4:
图2求解器和simulink系统的交互行为示意图Fig.2Interactivebehaviorofthesolutionimplementandsimulinksystem4M文件S函数M文件的S函数分为两种,level1和level2。
它们互有缺点,前者运行速度快,但无法处理复数以及基于帧数据的处理,后者运行速度稍慢,但能处理复数数据和基于帧的数据5。
下面分别对两种M文件S函数的编写进行描述。
411Level1级S函数在大多数情况下,运用level1的S函数即可满足用户的需要。
下面针对Simulink给的level1的S函数模块介绍S函数的具体编写方法,此文件名为sfuntmpl.m（在Matlabroot/toolbox/simulink/blocks下）,或者直接在命令行输入editsfuntmp1,即打开该函数,因为在Matlab下已将此路径设置为搜索路径。
functionsys,x0,str,ts=sfuntmpl（t,x,u,flag）此函数有4个输入参数:
t:
采样时间x:
系统状态u:
输入flag:
仿真流程控制标志函数的输出有4个:
sys:
各子函数返回值,随调用子函数不同意义不同x0:
各状态的初始值str:
保留参数,设置为ts:
系统采样时间,为一个n2的矩阵,第一列表示抽样时间,第二列表示时间偏移量下面举例说明M文件S函数的编写过程。
例:
实现一个具有信号增益效果的模块（单输入、单输出）,且增益可调。
首先需要修改的是函数名称（自定）以及添加一个系统输入参数gain,添加的方式为:
functionsys,x0,str,ts=VariableGain-Level1（t,x,u,flag,gain）除了基本的初始设置以外,只需对Variable2Gain-Level1中的mdlOutputs子函数进行配置即可实现对输入信号增益的功能,如下sys=gain3u这里gain是增益参数,u是输入的数据,sys在mdlOutputs子函数当中接下来就是需要用Simulink模块的S函数模块与此VariableGain-Level1函数相关联。
此模块在SimulinkUser-DefinedFunctions里:
821成都医学院学报JOURNALOFCHENGDUMEDICALCOLLEGE2007年第2卷第2期双击此模块,会弹出以下这个对话框:
现在需要将上面编辑的S函数名VariableGain-Level1放写在“S-functionname”栏,且将需要用到的参数gain写在“S-functionparameters”栏（当出现多个参数时,各个参数之间需用逗号隔开）,如果不出现错误,此时已经将Simulink下S-Func2tion模块与编写的VariableGain-Level1函数关联在一起。
此时模块中将显示关联的S函数名,且已经完成该模块应有的功能。
412Level2级S函数下面介绍level2级的S函数的编写。
首先level2级的S函数的结构与level1级的S函数不一样,但其基本处理流程一样。
它的处理方式是基于模块的描述,比如对模块进行初始化,对模块内部参数的描述,对内部工作空间的使用等等。
level2级的S函数模版是放在Matlabroot/toolbox/simulink/blocks下,文件名为msfuntmpl.m。
下面给出一个用Level2的M文件编写的一个S函数的例子,同样用来实现前面用Level1级书写的增益函数。
为了完成该功能,需要在Output函数当中添加如下语句进行实现:
gain=block.DialogPrm
（1）.Data;
（4-2-1）block.OutputPort
（1）.Data=gain3block.In2putPort
（1）.Data;
（4-2-2）（4-2-1）句是将需要设置的增益参数传递给变量gain,（4-2-2）句是将输入端口1的数据乘以增益变量gain,并将得到的数据输出到输出端口1。
下面将此S函数进行模块封装,该模块在SimulinkUser-DefinedFunctions里:
双击此模块,将弹出的对话框如下其中第一栏的M-filename中填入S函数的名称VariableGain-Level2,第二栏的Parameters中填入需用到的参数gain（当出现多个参数时,各个参数之间需用逗号隔开）。
完成此操作之后,模块将可以实现和level1级的S函数一样的功能:
此时模块中将显示关联的S函数名。
5CMexS函数2C语言S函数采用通用的C语言规范,它比M文件S函数具有更强的处理能力,更快的执行速度,并且可以生成独立可执行的C-Mex文件。
C语言的S函数的编写方式与M文件S函数比较相似,都是采用回调函数的方式。
根据Simulink的不同指令调用不同的函数,然后返回相应的结921成都医学院学报J.CDMC2007,2
（2）罗婷1Simulink中S函数的应用果。
与M文件S函数相比,C语言S函数提供了更多的回调函数。
对于仿真过程中的每一个模块,Simulink都建立了一个SimStruct的数据结构,用于保存该模块的相关信息。
在M文件S函数中,这个数据结构是不能被读取的,但在C语言S函数中,我们能够读取和修改SimStruct结构中的内容,因此能够实现对仿真过程更强的控制功能。
另外,C语言的S函数能够处理更多类型的数据类型,比如矩阵信号等。
为此,Simulink为C语言S函数定义了更多的回调函数,用于实现更多的数据处理功能。
与M文件S函数类似,C语言S函数也有与之对应的模版,不同的是它有两个版本,一个为基本的模版sfuntmpl-basic.c,其中包含了必要的几个回调函数,可以满足用户基本的需求,另一个则是比较详尽的模版Sfuntempl-doc.c,它们都在Matlabrootsimulinksrc目录下。
下面给出一个用C语言编写的一个S函数的实例,同样用来实现前面用M文件S函数写的增益函数,此时只需用到C语言的基本模版。
与M文件S函数的编写类似,CMex的S函数主要完成功能也是在子函数mdlOutputs当中,不同的是C语言是通过指针对数据进行访问,首先应该给该函数命名:
#defineS-FUNCTION-NAMEVariableGain-C而mdlOutputs中的关键代码如下:
int-Ti;
InputRealPtrsTypeuPTRS=ssGetInput2PortRealSignalPtrs（S,0）;
（5-1）real-T3y=ssGetOutputPortRealSignal（S,0）;
（5-2）int-Twidth=ssGetOutputPortWidth（S,0）;
（5-3）constreal-T3G=mxGetPr（ssGetSFcnParam（S,0）;
（5-4）for（i=0;
iwidth;
i+）3y+=（3G）3（3uPTRSi）;
（5-5）（5-1）句是获得输入信号的指针;
（5-2）句是获得输出信号的指针;
（5-3）句是获得输出端口的宽度;
（5-4）句是获得输入参数的指针,（5-5）句是完成信号增益的功能。
至此,完成了对带有一个输入参数的C语言S函数的编写,如要实现在Simulink下调用此S函数,还需要将该C文件转换成MEX,即Matlab可执行文件。
只需要在Matlab命令窗口中执行如下命令即可:
mexVariableGain-C.c系统会自动生成一个VariableGa
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