SFunction是systemfunction的缩写当Matlab所提供的.docx
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SFunction是systemfunction的缩写当Matlab所提供的
S-Function是system-function的缩写。
当Matlab所提供的simulink模型不能完全满足用户需要时,就可以通过S-函数提供用户自己编写程序啦满足自己要求模型的接口。
S-函数可以用Matlab、C、C++、Ada和Fortran语言编写,但是后四种语言编写的S-函数需要编译成MEX文件。
在同名的M文件和MEX文件的S-函数情况下,Matlab和simulink优先调用MEX。
S-函数主要用来实现下面几个方面的功能:
(1)向simulink模块中增加一个通用目标的模型
(2)使用S-函数的模块来充当硬件的驱动
(3)在仿真中嵌入已经存在的C代码
(4)将系统表示成一系列的数学方程
(5)在simulink中使用动画
使用S-函数的一个优点是,你可以建立一个通用目标的模块,在一个模型中可以多次调用,每一个模块可以有不同的参数。
本教程的目录如下
2#S-函数工作原理
2.1模型的数学描述
2.2S-函数仿真过程
2.3S-函数回调方法
3#M文件S-函数的编写和模板
4#M文件S-函数实例
4.1简单单摆仿真实验
4.2混合系统M文件S-函数
一、S-函数工作原理
模型的数学描述
simulink模块一般由若干输入、状态和输出组成,其中输出是时间、状态和输入的函数
2009-3-2520:
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可以通过下面的几个数学表达式来描述上面的过程,具体如下:
输出:
y=f(x,u,t)
状态:
x'=g(x,u,t)
S-函数仿真过程
simulink模型的处理主要有两个过程:
1第一个阶段是初始化
这时侯的所有参数都将被确定,主要完成以下几个过程:
(1)传递参数表达式给Matlab进行求解
(2)得到的数值作为实际的参数使用
(3)展开模型的层次,每个子系统被它们所包含的模块替代
(4)检查好相邻模块间的连接
(5)确定状态初值和采样时间
2第二阶段是模型仿真运行
仿真开始运行,仿真过程是求解器和simulink引擎交互控制的。
求解器的作用是传递模块的输出,对状态导数进行积分,并确定采样时间,周而复始,直到仿真结束。
仿真运行阶段的工作可以概括为:
(1)计算模型输出
(2)更新模型离散状态
(3)计算模型连续状态,连续状态的计算过程
(4)计算模型输出,过零可能被激活(过零点,就是输出y从正变到负或从负变到正)
S-函数回调方法(具体看后面的实例)
一个S-函数有对应的回调函数,这些回调函数(也叫方法)在模型仿真时,告诉simulink如何操作和计算。
S-函数回调方法主要完成以下几个方面:
(1)初始化模型(mdlInitializeSizes)
在仿真之前,simulink在这个阶段初始化S-函数,主要有以下几个过程:
注意:
如果下面字段代表的向量宽度(也就是**的个数)为动态可变,则必须将它们赋值为-1
①初始化结构体SimStruct,它包含了S-函数的所有信息
②设置输入(NumOutputs)输出(NumInputs)端口数,也就是输入变量的个数
③设置状态变量个数(NumStates),注意有连续和离散之分
④设置是否有直接馈通(DirFeedthrough),简单的理解就是输入能否控制输入出,如果有则为1,否则为0,在以下两种情况需要直接馈通:
a、某一时刻的系统输出y中包含某一时刻的系统输入u
b、系统是一个变采样时间系统(variablesampletimesystem)且采样时间计算与输入u相关
⑤设置采样时间个数(NumSampleTimes),也就是ts变量的行数,与用户对ts的定义有关
(2)计算下一个采样时间(mdlGetTimeOfNextVarHit)
在创建一个变时间样本时,这个步骤计算下一个样本的时间点,即计算下一步的仿真步长
(3)计算下一个时间步的输出(mdlOutputs)
当这一步完成后,此模块的所有端口对于当前时间按步都是合法的
(4)更新模块状态(mdlUpdate)
此过程在每一步长处都要执行一次,可以在这个过程中添加每一个仿真都需要更新的内容,此过程离散状态的更新
(5)对状态变量进行积分(mdlDerivatives)
用于连续状态的求解和非采样过零点,如果S-函数存在连续状态,simulink就在minorsteptime内调用mdlDrivatives和mdlOutput两个函数。
如果存在非采样过零点,则调用mdlOutput和mdlZeroCrossing函数
二、M文件S-函数的编写和模板
Matlab中提供了直接的S-函数的模板,不需要我们直接编写原始文件,只需要根据我们的需要修改其中的一部分就可以了
只有在Matlab中输入
1.>>editsfuntmpl
复制代码
就会出现源文件,你将源模板另存,在根据需要编辑
S-函数的参数形式如下
[sys,x0,str,ts]=system_function_name(t,x,u,flag)
t:
时间变量,当前的时间数值
x:
状态变量,当前状态变量数值
u:
模块输入,外界输入的数据
flag:
所要执行的回调,根据flag决定到底调用哪个子函数,具体意义参加下表
2009-3-2521:
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下面我提供了一个编辑好的S-函数模板,里面有详细的解释和使用说明,你只要根据需要更改我指出的那部分就可以了
三、简单单摆S-函数仿真实验
使用S-函数来对一个单摆系统进行仿真,主要演示以下三个方面:
(1)利用S-函数对单摆系统进行建模
(2)利用simulink进行仿真,研究单摆的位移
(3)利用S-函数动画来演示单摆的运动
2009-3-3119:
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(1)单摆的动力学方程为
2009-3-3119:
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其中M是摆球质量,u是外力,Kd阻尼系数,Fg重力
(2)将系统动力学方程转换为状态方程
2009-3-3119:
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(3)根据状态方程,在模板的基础上编写S-函数
我们根据状态方程并结合题目分析下
输入:
u,故1个
输入:
θ,故1个
连续状态变量:
x1=θ和x2=θ',故2个
离散状态变量:
由于是连续系统,故0个
直通前向馈路:
由于输出θ与输入u没有任何联系,故没有直接馈通,所有为0
采样时间数量:
在这个系统中我们统一成一个就可以了,故1个
状态变量初值:
也就是x1=θ和x2=θ'的初值,这里我们取初始角度60°,速度为0,故x0=[x1x2]=[600]
采样时间:
由于是连续系统,故ts=[00]
1.function[sys,x0,str,ts]=Single_Pendulum_Demo(t,x,u,flag,M,xx0,Kd,g)
2.%M=varargin{1};%摆球质量
3.%xx0=varargin{2};%状态变量初值
4.%Kd=varargin{3};%阻尼系数
5.%g=varargin{4};%重力加速度
6.
7.switchflag,
8. case0,
9. [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(xx0);
10. case1,
11. sys=mdlDerivatives(t,x,u,Kd,g,M);
12. case2,
13. sys=mdlUpdate(t,x,u);
14. case3,
15. sys=mdlOutputs(t,x,u);
16. case4,
17. sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
18. case9,
19. sys=mdlTerminate(t,x,u);
20. otherwise
21. DAStudio.error('Simulink:
blocks:
unhandledFlag',num2str(flag));
22.end
23.
24.
25.function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(xx0)
26.sizes=simsizes;
27.sizes.NumContStates =2;%2个连续状态
28.sizes.NumDiscStates =0;%0个离散状态
29.sizes.NumOutputs =1;%1个输出变量
30.sizes.NumInputs =1;%1个输入变量
31.sizes.DirFeedthrough=0;%没有直接馈通,简单的说就是输出y中有没有输入参数u
32.sizes.NumSampleTimes=1;%采用时间个数
33.sys=simsizes(sizes);
34.x0 =s0;%状态变量初值
35.str=[];%Matlab自已预留的,全部保留空着,不要动
36.ts =[00];%[00]适用于连续系统
37.
38.functionsys=mdlDerivatives(t,x,u,Kd,g,M)
39.%状态变量一阶导数表达式
40.sys=[x
(2);-Kd*x
(2)-M*g*sin(x
(1))+u];
41.
42.functionsys=mdlUpdate(t,x,u)
43.%由于是连续系统,故不需填写
44.sys=[];
45.
46.
47.functionsys=mdlOutputs(t,x,u)
48.%输入变量是摆角θ,即x
(1)
49.sys=x
(1);
50.
51.functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
52.%由于是连续系统这个用不到,可以不理它
53.sampleTime=1;
54.sys=t+sampleTime;
55.
56.functionsys=mdlTerminate(t,x,u)
57.%模块解决没有什么操作,也不需要理它
58.sys=[];
复制代码
(4)使用simulink建模
在sink中拖出scop,scouce中拖出sinewave,user-definedfunction中拖出S-function,并如下如连接三个模块
2009-3-3120:
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双击sinewave输入设置属性
2009-3-3120:
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双击S-Function,如下设置参数
2009-3-3120:
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运行仿真,得到以下结果
2009-3-3120:
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Single_Pendulum_Demo.m
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下载积分贝壳-1
1.36KB,下载次数:
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Sim_Single_Pendulum_Demo.mdl
2009-3-3120:
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下载积分贝壳-1
18.46KB,下载次数:
105