MATLAB S-Function编写详解及实例

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《MATLAB的S-Function编写指导》是一份详细的文档，旨在帮助用户理解和应用MATLAB中的S-Functions进行Simulink模型设计。S-Functions是MATLAB Simulation环境中的一种高级功能，它们允许用户扩展Simulink的模拟能力，通过编写自定义函数来实现复杂的数学模型和算法。该文档首先介绍了S-Function的基本概念，包括其在模型中的作用，如用于建模和仿真复杂的数学关系、传递参数以及提供系统级别的控制。S-Function的工作原理涉及Simulink块的数学关系，强调了它们在仿真过程中作为模型内部组件的角色，比如回调程序的执行。文档详细探讨了两种主要类型的S-Function实现：M-Files和MEX Files。M-Files是用MATLAB本身的脚本语言编写，而MEX Files则是编译后的C/C++代码，具有更高的性能。两者之间的比较揭示了各自的优缺点，适合不同场景的选择。接下来，作者通过实例演示，展示了如何使用M文件、C、Fortran、C++和Ada等不同的编程语言编写S-Function，以及如何配置和使用S-FunctionBuilder工具来自动化生成和配置这些函数。例如，M文件S-Function范例涵盖了从简单的一次函数到连续和离散状态系统的复杂示例，而C语言的CMEXS-Function则涉及到自动生成和设置必要的路径、初始化选项以及数据属性。对于S-Function的参数处理和输出定义，文档提供了详细的指导，包括设置采样时间和偏移量，以及如何利用它们来构建特性并处理输入和输出。最后，文档强调了编写MS-Function（混合Simulink和MEX的S-Function）的概念，并给出了实际范例，以便读者可以根据需求灵活运用。《MATLAB的S-Function编写指导》是一份全面的教程，涵盖了从S-Function基础到实战应用的各个环节，无论你是初学者还是高级用户，都能从中获得编写和优化Simulink模型所需的知识和技能。

Simulink——S-Function 的编写

S-Function 的概念

了解以下几个关键概念有助于正确编写 S-function

n 直接馈通

n 动态宽度的输入

n 设置采样时间和偏移量

直接馈通

直接馈通意味着输出（或者是对于变步长采样块的可变步长）直接受控于一个输入口的值。

有一条很好的经验方法来判断输入是否为直接馈通，如果：

n 输出函数（mdlOutputs 或 flag==3）是输入 u 的函数。即，如果输入 u 在 mdlOutputs 中被访问，

则存在直接馈通。输出也可以包含图形输出，类似于一个 XY 绘图板。

n 对于一个变步长 S-function 的“下一步采样时间”函数（mdlGetTimeOfNextVarHit 或 flag==4）中

可以访问输入 u。

例如，一个需要其输入的系统（也就是具有直接馈通）是运算 y = k×u，其中，u 是输入，k 是增

益，y 是输出。

又如，一个不需要其输入的系统（也就是没有直接馈通）是一种简单的积分运算：

输出：y = x

导数：x = u

其中，x 是状态，x 是状态对时间的导数，u 是输入，y 是输出。注意 x 是 Simulink 的积分变量。

正确设置直接馈通标志是十分重要的，因为它影响模型中块的执行顺序，并可用来检测代数环。

动态维矩阵

S-function 可编写成支持任意维的输入。在这种情况下，当仿真开始时，根据驱动 S-function 的输

入向量的维数动态确定实际输入的维数。输入的维数也可用来确定连续状态的数量、离散状态的数量、

以及输出的数量。

M-文件的 S-function 只可有一个输入端口，而且输入端口只能接受一维（向量）的信号输入。但

是，信号的宽度是可以变化的。在一个 M-文件的 S-function 内，如果要指示输入宽度是动态的，必须

在数据结构 sizes 中相应的域值指定为-1，结构 sizes 是在调用 mdlInitializeSizes 时返回的一个结构。当

S-function 通过使用 length(u)来调用时，你可以确定实际输入的宽度。如果指定为 0 宽度，那么 S-function

块中将不出现输入端口。

一个 C S-function 可以有多个 I/O 端口，而且每个端口可以具有不同的维数。维数及每维的大小可

以动态确定。

例如，下图所示为在一个模型中，将一个相同的 S-function 块进行了两次使用：

第一章 S-Function 概述

图中上面的 S-function 块由一个带三元素输出的块来作为输入；下面的 S-function 块由一个标量输

出块来驱动。通过指定该 S-function 块的输入端口具有动态宽度，那么同一个 S-function 可以适用于两

种情况。Simulink 会自动地按照合适宽度的输入端口来调用该块。同样地，如果块的其它特性，如输

出数量、离散状态数量或连续状态数量，被指定为动态宽度，那么 Simulink 会将这些向量定义为与输

入向量具有相同的长度。

C S-function 在指定输入和输出宽度时提供了更多的灵活性。具体介绍可参考第七章中的“创建输

入和输出端口”一节的内容。

设置采样时间和偏移量

M-文件与 C MEX 文件的 S-function 在指定 S-function 何时执行上都具有高度的灵活性。Simulink

对于采样时间提供了下列选项：

n 连续采样时间——用于具有连续状态和/或非过零采样的 S-function。对于这种类型的

S-function，其输出在每个微步上变化。

n 连续但微步长固定采样时间——用于需要在每一个主仿真步上执行，但在微步长内值不发生

变化的 S-function。

n 离散采样时间——如果 S-function 块的行为是离散时间间隔的函数，那么可以定义一个采样

时间来控制 Simulink 何时调用该块。你也可以定义一个偏移量来延迟每个采样时间点。偏移

量的值不可超过相应采样时间的值。

采样时间点发生的时间按照下面的公式来计算：

TimeHit = (n * period) + offset

其中，n 是整数，当前仿真步。n 的起始值总是为 0。

如果定义了一个离散采样时间，Simulink 在每个采样时间点时调用 S-function 的 mdlOutput 和

mdlUpdate。

n 可变采样时间——采样时间间隔变化的离散采样时间。在每步仿真的开始，具有可变采样时

间的 S-function 需要计算下一次采样点的时间。

n 继承采样时间——有时，S-function 块没有专门的采样时间特性（即，它既可以是连续的也可

以是离散的，取决于系统中其它块的采样时间）。你可以指定这种块的采样时间为 inherited

（继承）。比如，一个增益块就是继承采样时间的例子，它从其输入块继承采样时间。

一个块可以从以下几种块中继承采样时间：

Mux

system

S-Function

Mux

system

S-Function1

Clock

Simulink——S-Function 的编写

w 输入块

w 输出块

w 系统中最快的采样时间

要将一个块的采样时间设置为继承，那么在 M-文件的 S-function 中使用-1 作为采样时间，在

C S-function 中使用 INHERITED_SAMPLE_TIME 作为采样时间。

S-function 可以是单速率的，也可以是多速率的，多速率系统有多个采样时间。

采样时间是按照固定格式成对指定的：[采样时间，偏移时间]。有效的采样时间对如下：

[ CONTINUOUS_SAMPLE_TIME， 0.0 ]

[ CONTINUOUS_SAMPLE_TIME，FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET ]

[ discrete_sample_time_period，offset ]

[ VARIABLE_SAMPLE_TIME，0.0 ]

其中：

CONTINUOUS_SAMPLE_TIME = 0.0

FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET = 1.0

VARIABLE_SAMPLE_TIME = -2.0

斜体字是必须给定的实际值。

另外，还可指定采样时间为从驱动块继承而来。在此情况下，S-function 只能有一个采样时间对：

[ INHERITED_SAMPLE_TIME， 0.0 ]

或者，

[ INHERITED_SAMPLE_TIME，FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET ]

其中：

INHERITED_SAMPLE_TIME = -1.0

以下指导方针也许有助于你指定采样时间：

w 一个在积分微步期间变化的连续 S-function 应该采用[ CONTINUOUS_SAMPLE_TIME，0.0 ]

作为采样时间。

w 一个在积分微步期间不变化的连续 S-function 应该采用[ CONTINUOUS_SAMPLE_TIME，

FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET ] 作为采样时间。

w 一个在指定速率下变化的离散 S-function 应该采用离散采样时间对

[discrete_sample_time_period，offset ]。其中：

discrete_sample_period > 0.0 和 0.0 = offset < discrete_sample_period

w 一个在指定速率下变化的离散 S-function 应该采用离散采样时间对

[VARIABLE_SAMPLE_TIME，0.0]

对于变步长的离散任务，mdlGetTimeOfNextVarHit 程序被调用以确定下一个采样时间点。

如果你的 S-function 没有本身特定的采样时间，你必须将采样时间指定为继承。有两种情况：

w 即使在积分微步内，S-function 的变化都是随着输入而变化的，应该采用

[INHERITED_SAMPLE_TIME，0.0]作为其采样时间。

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