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从上图来看,S-function可支持多种语言编写,本文为MATLAB版使用笔记。

为什么使用S-function

博主个人认为,S-function可以看成一个单独的系统,在Simulink中,如果使用MATLAB Function模块,每次执行,仅仅是调用函数而已,无法记录上一次调用后产生的状态,而S-function则可以保存上一时刻状态,因此我认为这种情况下使用S-function能极大程度简化仿真过程。当然,是在不使用Simscape等一些可视化仿真的情况下~

个人使用过程的总结,如有错误还请指出!

S-function,即系统函数(System Function)的简称。S-函数由一种特定的语法构成,用来描述并实现连续系统、离散系统以及复合系统等动态系统;S-函数能够接受来自Simulink求解器的相关信息,并对求解器发出的命令作出适当的响应,这种交互作用非常类似于Simulink系统模块与求解器的交互作用。

函数形式

[sys,x0,str,ts]=functionName(t,x,u,flag,p1,p2,…)
% t为当前时间
% x为相应S-function模块的状态向量
% u是块的输入
% flag 用来指定被需要执行的任务
% p1,p2,...是模块参数

在模型仿真过程中,Simulink反复调用functionName,对于特定的调用使用flag来指示需执行的任务。

MATLAB安装目录R2019b\toolbox\simulink\blocks\sfuntmpl.m给出了S-function的模板。

标准格式如下:

仿真阶段 被执行的程序 对应的flag
初始化 mdlInitializeSizes 0
计算下一步的采样步长(仅用于变步长模块) mdlGetTimeOfNextVarHit 4
计算输出 mdlOutputs 3
更新离散状态 mdlUpdate 2
计算导数 mdlDerivatives 1
结束仿真时的任务 mdlTerminate 9

S-function的输入参数

Simulink传递如下参数给S-function:

  • t:当前时间
  • x:状态向量
  • u:输入向量

S-function的输出参数

  • sys:通用的返回参数,返回值取决于flag
  • x0:初始状态值,若没有则为空,只作用于初始化阶段,其余阶段被忽略
    • str:MATLAB的S-function必须设置该元素为空矩阵
    • ts:两列的矩阵,包含块的采样时间和偏移量

    对于ts

    1. 设置S-function在每个时间步(连续采样时间)都运行,ts=[0,0]
    2. 设置S-function按其所连接块的速率运行,ts=[-1,0]
    3. 设置其在仿真开始0.1秒后每0.25秒运行一次(离散采样时间),ts=[0.25,0.1]

    可创建一个S-function按不同速率执行不同任务!

    信息的传递

    mdlInitializeSizes子函数开头必须先调用simsizes,将S-function信息加载到sizes中:

    sizes = simsizes;
    

    sizes结构说明如下:

    结构 说明
    sizes.NumContStates 连续状态的数量
    sizes.NumDiscStates 离散状态的数量
    sizes.NumOutputs 输出的数量
    sizes.NumInputs 输入的数量
    sizes.DirFeedthrough 直接馈通标志
    sizes.NumSampleTimes 采样时间的数量

    设置完成以上信息后,需要再次调用simsizes,将其传递给保持Simulink所用信息的向量sys

    sys = simsizes(sizes);
    

    标准模板

    function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = sfuntmpl(t,x,u,flag)
    	% 主函数
    	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 %
    	  otherwise
    		DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));
    
    	end
    
    %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
    %%%%%                    以下为子函数定义                    %%%%%
    %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
    function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes
    
    	sizes = simsizes;% 必须首先调用且必须存在
    
    	sizes.NumContStates  = 0;% 连续状态数
    	sizes.NumDiscStates  = 0;% 离散状态数
    	sizes.NumOutputs     = 0;% 输出个数
    	sizes.NumInputs      = 0;% 输入个数
    	sizes.DirFeedthrough = 1;% 1为存在直接馈通,0为不存在
    	sizes.NumSampleTimes = 1;% 采样时间个数,至少是1
    
    	sys = simsizes(sizes);
    
    	x0  = [];% 初始状态
    	str = [];% str 置空
    	ts  = [0 0];% 初始化采样时间数组
    
    
    function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
    	%该函数可无
    	sys = [];%表示状态导数,即dx
    
    function sys=mdlUpdate(t,x,u)
    	%每个仿真步都会调用该函数,在此描述离散状态方程和其他每个仿真步长必须执行的过程
    	sys = [];
    	
    function sys=mdlOutputs(t,x,u)
    	%该函数必须存在
    	sys = [];
    
    function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
    	%计算下一个采样时间,仅在系统为变采样时间系统时调用
    	sampleTime = 1;    % 设置下一个采样时间为1s以后
    	sys = t + sampleTime;%
    
    function sys=mdlTerminate(t,x,u)
    	%仿真结束时调用,在此完成仿真结束的收尾工作
    	sys = [];
    

    模块使用

    在这里插入图片描述

    • S-function name:填写Edit中写的M文件中的S-function函数名称
    • S-function parameters:填写需要输入的外部参数,多个变量使用,隔开
    • S-function modules:使用MATLAB写的不需要此参数,其他语言需要

    Edit进入编辑模式,以增益模块为例

    function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = mySfunDemo1(t,x,u,flag,gain)
    switch flag,
      case 0,
        [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes;
      case 1,
        sys=mdlDerivatives(t,x,u);
      case 2,
        sys=mdlUpdate(t,x,u);
      case 3,
        sys=mdlOutputs(t,x,u,gain);
      case 4,
        sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
      case 9,
        sys=mdlTerminate(t,x,u);
      otherwise
        DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));
    end
    function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=mdlInitializeSizes
    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];
    simStateCompliance = 'UnknownSimState';
    function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
    sys = [];
    function sys=mdlUpdate(t,x,u)
    sys = [];
    function sys=mdlOutputs(t,x,u,gain)
    sys =gain*u;
    function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
    sampleTime = 1;   
    sys = t + sampleTime;
    function sys=mdlTerminate(t,x,u)
    sys = [];
    

    封装变量输入框到模块:
    在这里插入图片描述
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    注意,封装后,双击模块无法再打开设定输入参数的界面,此时按如下操作:
    快捷键:Ctrl+U
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    设置模块输入的变量:

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    效果:
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    参考《MATLAB Simulink系统仿真超级学习手册》