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S-Function 概述

S-Function(系统函数)能够极大地扩充 Simulink® 环境的功能。S-Function 是以 MATLAB®、C、C++ 或 Fortran 语言编写的 Simulink 模块的计算机语言描述。使用 mex 实用工具将 C、C++ 和 Fortran S-Function 编译为 MEX 文件(请参阅编译 C MEX 函数)。与其他 MEX 文件一样,S-Function 是动态链接的子例程,MATLAB 执行引擎可以自动加载和执行它们。

S-Function 使用一种称为 S-Function API 的特殊调用语法,使您能够与 Simulink 引擎进行交互。这种交互与该引擎和内置 Simulink 模块之间发生的交互非常相似。

S-Function 遵循一般形式,可以适应连续、离散和混合系统。通过遵循一组简单的规则,您可以在 S-Function 中实现算法,并使用 S-Function 模块将其添加到 Simulink 模型。在编写 S-Function 并将其名称放入 S-Function 模块(在 User-Defined Functions 模块库中提供)后,您可以使用封装来自定义用户界面(请参阅创建模块封装)。

如果您有 Simulink Coder™,可以在模型中使用 S-Function 并生成代码。您还可以通过编写目标语言编译器 (TLC) 文件来自定义为 S-Function 生成的代码。有关详细信息,请参阅 S-Function 和代码生成 (Simulink Coder)

S-Function 的工作原理

S-Function 定义模块在仿真的不同部分(例如初始化、更新、求导、输出和终止)如何工作。在仿真的每一步,仿真引擎都会调用一个方法来完成特定任务。学习 S-Function 基础知识需要基本掌握模块输入、状态和输出之间的数学关系。要了解 S-Function 的工作原理,首先您需要了解 Simulink 如何仿真模型的数学原理,即仿真的各个阶段。有关更多详细信息,请参阅动态系统的仿真阶段

Simulink 模块的数学原理

Simulink 模块由一组输入、一组状态、一组参数和一组输出组成,其中输出是仿真时间、输入、参数和状态的函数。

以下方程表达了输入、输出、参数、状态和仿真时间之间的数学关系。

y=f0(t,x,u)                 (Outputs)x˙=fd(t,x,u)                 (Derivatives)xdk+1=fu(t,xc,xdk,u),   (Update)

其中 x=[xc;xd].

仿真阶段

Simulink 模型的执行分阶段进行。在初始化阶段,Simulink 引擎将库模块合并到模型中,传播信号宽度、数据类型和采样时间,计算模块参数,确定模块执行顺序,并分配内存。然后,引擎进入仿真循环,每经历一次循环就称为一个仿真步。在每个仿真步,引擎按照在初始化过程中确定的顺序执行模型中的每个模块。对于每个模块,引擎调用相应函数来计算当前采样时间的模块状态、导数和输出。然后,整个仿真循环继续执行,直到仿真完成。

模型初始化 - 模型为仿真做准备。在此阶段,计算模块参数,确定模块执行顺序,并为每个运算分配内存。在此阶段后,模块经历一个仿真循环。

连续状态和时间的更新 - 仅当模型具有连续状态时才发生。您可以修改子时间步方法(如 mdlOutputsmdlDerivativesmdlZeroCrossing)来计算输出

S-Function 回调方法

S-Function 由一组 S-Function 回调方法组成,这些方法执行每个仿真阶段所需的任务。在模型仿真期间的每个仿真阶段,Simulink 引擎都会为模型中的每个 S-Function 模块调用适当的方法。S-Function 回调方法执行的任务包括:

  • 编译 - 在此阶段,Simulink 引擎初始化 S-Function。任务包括:

    • 将库模块合并到模型中,并传播信号宽度、数据类型和采样时间

    • 设置输入和输出端口的数目和维度

    • 计算模块参数,并确定模块执行顺序

    • 分配内存和存储区域。

  • 计算输出 - 在此状态下,计算输出,直到所有模块输出端口都对当前时间步有效,即所有输出值都在某个误差界限内。

  • 更新离散状态 - 在此调用中,模块执行那些在每个时间步执行一次的活动,如更新离散状态。

  • 初始化和终止方法 - 这些可选方法只执行一次 S-Function 所需的初始化和终止活动。初始化活动可能包括设置用户数据,或在 S-Function 中初始化状态向量。终止方法执行任何操作,例如当仿真终止或从模型中删除 S-Function 模块时释放所需的内存。

  • 积分 - 这适用于具有连续状态和/或非采样过零点的模型。如果您的 S-Function 具有连续状态,引擎会在子时间步上调用 S-Function 的输出和导数部分。这是为了让求解器可以计算 S-Function 的状态。如果 S-Function 具有非采样过零点,引擎还会在子时间步上调用 S-Function 的输出和过零点部分,以便能够定位过零点。

要了解关于仿真的术语,尤其关于 S-Function 的术语,请参阅 S-Function Concepts

在模型中使用 S-Function

  1. 要将 C MEX S-Function 合并到模型中,请从 Simulink 库浏览器中拖动一个 S-function 模块。同样,要将 Level-2 MATLAB S-function 合并到模型中,请将 Level-2 MATLAB S-function 模块拖到模型中。

  2. 打开模块参数对话框,在 S-Function 名称字段指定 S-Function 名称,以便为 S-function 模块提供功能。例如,键入 timestwo 并点击应用以添加一个将传入信号乘以 2 的 C MEX S-Function。

注意

如果 MATLAB 路径中包括同名的 C MEX 文件和 MATLAB 文件,则 S-Function 模块在引用该名称时将使用 C MEX 文件。

向 S-Function 传递参数

S-function 模块和 Level-2 MATLAB S-Function模块参数窗口中,都可以指定要传递给对应 S-Function 的参数值。要使用这些字段,您必须知道 S-Function 需要的参数以及函数需要这些参数的顺序。(如果您不知道,请咨询 S-Function 的作者、参考相关文档或源代码。)按照 S-Function 要求的顺序输入各参数,以逗号分隔。参数值可以是常量、在 MATLAB 或模型工作区中定义的变量名称,或是 MATLAB 表达式。

以下示例说明如何使用参数字段为 2 级 MATLAB S-Function 输入用户定义的参数。

此示例中的模型 msfcndemo_limintm 包含示例 S-Function msfcn_limintm.m

msfcn_limintm.m S-Function 接受三个参数:下界、上界和初始条件。如果输入信号的时间积分在下限和上限之间,则 S-Function 输出时间积分;如果时间积分小于下界,则输出下界;如果时间积分大于上界,则输出上界。示例中的对话框指定下界和上界以及初始条件,它们分别为 -5.05.00。示波器显示当输入是振幅为 5 的正弦波时的结果输出。

有关如何在 S-Function 中访问用户指定参数的信息,请参阅Processing S-Function ParametersHandle Errors in S-Functions

您可以使用封装功能为 S-Function 模块创建自定义对话框和图标。通过封装对话框,可以更轻松地为 S-Function 指定其他参数。有关封装的讨论,请参阅创建模块封装

何时使用 S-Function

您可以将 S-Function 用于各种应用,包括:

S-Function 最常见的用途是创建自定义 Simulink 模块(请参阅模块创建基础知识)。当使用 S-Function 创建通用模块时,可以在一个模型中多次使用它,并根据模块的每个实例更改参数。

另请参阅

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