Simulink中的自定义模块

目录Fcn 模块 (1)MATLAB Fcn 模块 (2)S Function (System Function) (3)1. 函数的函数头 (4)2. 函数分析 (4)3.带参数的S函数 (8)4.S函数格式及说明 (9)simulink中子模块的封装 (16)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Maltab Workspace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。

MATLAB Fcn 模块MATLAB Fcn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MATLAB Fcn模块中可以使用的有效表达式sin atan2(u(1),u(2)) u(1)^u(2)注意：同Fcn模块相比，在仿真中MATLAB Fcn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Math Function模块代替MATLAB Fcn模块，或者编写M文件或者MEX文件S 函数代替它。

S Function (System Function)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Simulink Library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, or Fortran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system Function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windows API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edit sfuntmpl(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：switch flag, %判断flag，看当前处于哪个状态case 0,[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*ux(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 = [0 0]; %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case 1,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case 2,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)case 3,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ycase 4,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edit vsfunc看vsfunc.m这个例子case 9,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)switch flag,case 0,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];case 3,sys=gain*u;case {1,2,4,9},sys = [];end做好了s函数后, simulink --> user-defined function下拖一个S-Function到你的模型, 就可以用了. 在simulink --> user-defined function还有个s-Function Builder, 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% 1 DX 计算模块导数% 2 DS 更新模块离散状态% 3 Y 计算模块输出% 4 TNEXT 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。