Simulink中的自定义模块.docx
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Simulink中的自定义模块
Fcn模块
Fcn模块对它的输入进行指定的表达式运算。
使用的表达式可由下面的一个或多个部分组成。
u---模块的输入。
如果u是一个向量，u（i）表示此向量的第i个元素；u
（1）或者u表示第一个元素
数值常数（例如表达式5.2*u）
算术运算符（+-*/^例如表达式u^2+5.2）
关系运算符（==!
=><>=<=）--表达式返回1,如果关系为真;否则返回0
逻辑运算符（&&||!
）表达式返回1,如果关系为真;否则返回0
括号
数学函数（abs,acos,asin,atan,atan2,ceil,cos,cosh,exp,fabs,floor,hypot,ln,log,log10,pow,power,rem,sgn,sin,sinh,sqrt,tan,tanh.）
Workspace中定义的变量–如果变量名字不是Matlab保留字符（比如sin），变量名字会被传递给Matab，从而在MaltabWorkspace中获取相应给定的值。
矩阵或者向量必须具体到其对应的元素。
（比如A（1,1））
注意：
Fcn模块中使用的表达式不支持矩阵运算，同样不支持（:
）符。
模块输入可以是标量或者向量，但输出总是标量数值。
MATLABFcn模块
MATLABFcn模块对它的输入进行指定的Matlab函数或者表达式运算。
输出尺寸必须和模块中定义的尺寸相符，否则报错。
下面是MATLABFcn模块中可以使用的有效表达式
sinatan2（u
（1）,u
（2））u
（1）^u
（2）
注意：
同Fcn模块相比，在仿真中MATLABFcn模块速度要慢，因为它需要在每个积分步骤中调用Maltab编译器。
因此建议使用Fcn模块或者MathFunction模块代替MATLABFcn模块，或者编写M文件或者MEX文件S函数代替它。
SFunction（SystemFunction）
S函数，即系统函数，用来扩展Simulink模块库。
一个S函数，相当于一个Simulink模块，只不过这个模块不是在SimulinkLibrary中已经存在的，用户需要根据自己对Simulink的功能需求，使用指定的编程语言来定制自己的Simulink模块。
S函数支持Matlab,C,C++,Ada,orFortran等语言，编写S函数需要按照一定的格式，具体如何编写S函数，参考Matlab自带文档。
如果能用现有的Simulink模块库中的模块满足需求，不建议使用S函数编写。
所谓s函数是systemFunction的简称,用它来写自己的simulink模块.s函数可以用matlab、C、C++、Fortran、Ada等语言来写，这儿只介绍怎样用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windowsAPI等
先介绍一下simulink的仿真过程（以便理解s函数），simulink的仿真有两个阶段：
一个为初始化，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；第二个阶段就是运行阶段，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里输入editsfuntmpl（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.
1.函数的函数头
函数的第一行：
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,一般在初始化中将它置空就可以了,str=[]）;
ts是一个1×2的向量,ts
（1）是采样周期,ts
（2）是偏移量
2.函数分析
下面结合sfuntmpl.m中的代码来讲具体的结构：
switchflag,%判断flag，看当前处于哪个状态
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
//解释说明
flag=0表示当前处于初始化状态，此时调用函数mdlInitializeSizes进行初始化，此函数在该文件的第149行定义.其中的参数sys是一个结构体，它用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
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
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.NumInputs=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=[];%保留参数,置[]就可以了,没什么用
ts=[00];%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mdlGetTimeOfNextVarHit函数中具体介绍
case1,
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193行的函数mdlDerivatives,如果设置连续状态变量个数为0,此处只需sys=[]就可以了,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
case2,
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,它这儿sys=[]表示没有离散状态,我们这儿可以改成sys=fd（t,x
（2）,u）或sys=H*x
（2）+G*u;%sys即为x（k+1）
case3,
sys=mdlOutputs（t,x,u）;
//
flag=3表示此时要计算输出,即y=fo（t,x,u）,找到218行的mdlOutputs函数.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
case4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit（t,x,u）;
//
flag=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mdlInitializeSizes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editvsfunc看vsfunc.m这个例子
case9,
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，就在此函数中写完了.
3.带参数的S函数
此外,s函数还可以带用户参数,下面给个例子,它和simulink下的gain模块功能一样
function[sys,x0,str,ts]=sfungain（t,x,u,flag,gain）
switchflag,
case0,
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes（sizes）;
x0=[];
str=[];
ts=[0,0];
case3,
sys=gain*u;
case{1,2,4,9},
sys=[];
end
做好了s函数后,simulink-->user-definedfunction下拖一个S-Function到你的模型,就可以用了.在simulink-->user-definedfunction还有个s-FunctionBuilder,他可以生成用c语言写的s函数.或者在matlab的workspace下打sfundemos,可以看到很多演示s函数的程序
4.S函数格式及说明
function[sys,x0,str,ts]=sfuntmpl（t,x,u,flag）
%SFUNTMPL是M-文件S函数模板
%通过剪裁，用户可以生成自己的S函数，不过一定要重新命名
%利用S函数可以生成连续、离散混合系统等，实现任何模块的功能
%
%M-文件S函数的语法为：
%[SYS,X0,STR,TS]=SFUNC（T,X,U,FLAG,P1,...,Pn）
%
%参数含义：
%t是当前时间
%x是S函数相应的状态向量
%u是模块的输入
%flag是所要执行的任务
%
%FLAG结果功能
%-------------------------------------------------------
%0[SIZES,X0,STR,TS]模块初始化
%1DX计算模块导数
%2DS更新模块离散状态
%3Y计算模块输出
%4TNEXT计算下一个采样时间点
%9[]结束仿真
%
%
%用户切勿改动输出参数的顺序、名称和数目
%输入参数的数目不能小于1，这四个参数的名称和排列顺序不能改动
%用户可以根据自己的要求添加额外的参数，位置依次为第5，6，7，8，9等。
%S函数的flag参数是一个标记变量，具有6个不同值，分别为0，1，2，3，4，9
%flag的6个值分别指向6个不同的子函数
%flag所指向的子函数也成为回调方法（CallbackMethods）
switchflag,
%初始化，调用“模块初始化”子程序%
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
%连续状态变量计算，调用“计算模块导数”子函数%
case1,
sys=mdlDerivatives（t,x,u）;
%更新，调用“更新模块离散状态”子函数%
case2,
sys=mdlUpdate（t,x,u）;
%输出，调用“计算模块输出”子函数%
case3,
sys=mdlOutputs（t,x,u）;
%计算下一时刻采样点，调用“计算下一个采样时刻点”子函数%
case4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit（t,x,u）;
%结束，调用“结束仿真”子函数%
case9,
sys=mdlTerminate（t,x,u）;
%其他的flag%
otherwise
DAStudio.error（'Simulink:
blocks:
unhandledFlag',num2str（flag））;
end
%endsfuntmpl
%=============================================================================
%“模块初始化”子函数
%返回大小、初始条件和样本
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
%调用simsizes函数，返回规范格式的sizes构架
%这条指令不要修改
sizes=simsizes;
%模块的连续状态个数，0是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumContStates=0;
%模块的离散状态个数，0是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumDiscStates=0;
%模块的输出个数，0是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumOutputs=0;
%模块的输入个数，0是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumInputs=0;
%模块中包含的直通前向馈路个数，1是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.DirFeedthrough=1;
%模块中采样时间的个数，1是默认值，至少需要一个样本时间
%用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumSampleTimes=1;
%初始化后的构架sizes经simsizes函数处理后向sys赋值
%这条指令不要修改
sys=simsizes（sizes）;
%给模块初始值变量赋值，[]是默认值
%用户可以根据自己的要求进行修改
x0=[];
%系统保留变量
%切勿改动，保持为空
str=[];
%“二元对”描述采样时间及偏移量。
[00]是默认值
%[00]适用于连续系统
%[-10]则表示该模块采样时间继承其前的模块采样时间设置
ts=[00];
%endmdlInitializeSizes
%=============================================================================
%计算导数向量
functionsys=mdlDerivatives（t,x,u）
%此处填写计算导数向量的指令
%[]是模块的默认值
%用户必须把算得的离散状态的导数向量赋给sys
sys=[];
%endmdlDerivatives
%=============================================================================
%计算离散状态向量
functionsys=mdlUpdate（t,x,u）
%此处填写计算离散状态向量的指令
%[]是模块的默认值
%用户必须把算得的离散状态向量赋给sys
sys=[];
%endmdlUpdate
%=============================================================================
%计算模块输出向量
functionsys=mdlOutputs（t,x,u）
%此处填写计算模块输出向量的指令
%[]是模块的默认值
%用户必须把算得的模块输出向量赋给sys
sys=[];
%endmdlOutputs
%=============================================================================
%计算下一采样时刻
functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit（t,x,u）
%该子函数仅在“采样时间”情况下使用
%sampleTime=1是模块默认设置，表示在当前时间1秒后再调用本模块
%用户可以根据自己的要求修改
sampleTime=1;
%将计算得到的下一采样时刻赋给sys
%切勿改动
sys=t+sampleTime;
%endmdlGetTimeOfNextVarHit
%=============================================================================
functionsys=mdlTerminate（t,x,u）
%模板默认设置，一般情况不要改动
sys=[];
%endmdlTerminate
simulink中子模块的封装
对于比较复杂的系统，模块化思想是很有必要的，使得思路较为清晰、错误容易排查。
对复杂的系统进行仿真，如果将其中独立的功能进行封装，会显得特别清爽。
这学期做了电机仿真和伺服系统仿真，特别感觉到子模块封装的必要性，有效的提高了系统的可读和可维护性。
在simulink中建立子模块的步骤如下：
1、建立系统框图。
这步需要确定输入输出的个数，输入端为sources中的in，输出端为sinks中的out。
将Simulink库下的Ports&Subsystems中的Subsystem拉至simulink框图中。
2、功能的搭建。
点击建好的子模块，在其中进行功能模块的搭建。
3、子模块的封装。
所谓封装（masking），即将其对应的子系统内部结构隐含以来，访问该模块的时候仅仅出现一个参数设置对话框。
需要如下几步完成：
3.1、右击模块，选择MaskSubsystem选项，蹦出MaskEditor对话框。
3.2、Icon属性。
如果要显示端口的名称，Transparency属性设置成Transparent。
Drawingcommands编辑框允许给该模块图标上绘制图像，可以选择的有plot（）、disp（）等等，比如disp（'PIDController'）。
在Drawingcommands中输入语句，如何写函数的提示在封装编辑对话框的下方。
3.3、Parameters属性。
这个东西是给模块中的变量赋值的，选择左方有朝左的小箭头的按钮是添加变量的，这时右方会有一横栏，Prompt是该变量的提示信息，Variable是相关联的变量名称，一定要与模块中的变量名称一样,Type是变量的类型，edit（可编辑）、popup（下拉框），选择后者的时候需要在左下方的popups中分行写上可以选择的数值。
左方的叉按钮是删除变量的。
3.4、Initialization属性。
对模块进行初始化操作。
3.5、Documentation属性。
对模块进行说明。
封装后双击模块就可以看见MaskDescription中的内容。
关于模块封装的一些操作还有：
（1）如果要观察模块的内部结构，右键模块，然后选择LookUnderMask即可。
编辑模块封装选择EditMaks。
（2）把要封装的东西全部用鼠标框起来，选择Edit中的CreatSubsystem就可以将选中的东西封装起来了。
左键单击模块，用Edit中的MaskSubsystem即可进行模块的封装。
同样用Edit下的LookUnderMask即可观察模块的内部结构。
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