Simulink学习笔记——S-Function

前言：

构建S函数大致分为四种方法：M语言的S函数、C Mex S函数、利用S-Function Builder模块以及利用Legacy Code Tool模块。本文先讲解利用Level 1 M S函数模板搭建的S函数模块，然后介绍比较常用的且门槛低的S函数构建方法 —— 利用S-Function Builder模块。

一、熟悉 Level 1 M S函数模板

已知我们的状态空间方程为：dx=-x+u；y=x，对应的系统传递函数为G=1/(s+1)，搭建模型如下所示：

其中Parameter Initialization 用于初始化参数 x_initial，如下所示：

我们双击S-Function模块，可以看到对话框如下：

单击 Edit，可以看到基于Level 1 M S函数模板写的S函数，如下所示：

运行程序，可以看到：

显然，两个结果是一样的。

二、利用Level 1 M S函数模板构建分段函数

熟悉了模板以后，我们就可以自己动手实现一些简单的需求，假如我们需要构建一个如下所示的分段函数：

现在我们搭建模型，如下所示：

双击S-function模块，如下：

点击Edit，查看我们利用该模板写的S函数：

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = fenDuan_func(t,x,u,flag)

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);

  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)
if u<1
    sys = 3 * sqrt(u);
elseif  u>=1 && u<3
    sys = 3;
elseif  u>=3 && u<4
    sys = 3 -(u-3)^2; 
elseif  u>=4 && u<5
    sys = 2;
elseif  u>=5 && u<6
    sys = 2 -(u-5)^2; 
else
    sys = 1;
end


function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)

sampleTime = 1;   
sys = t + sampleTime;

function sys=mdlTerminate(t,x,u)

sys = [];

显然，算法实现的部分在mdlOutput函数部分。

运行模型，得到结果如下：

三、利用Level 1 M S函数模板完成信号的叠加

假如我现在有两个信号，一个是正弦信号，一个是随机信号，我需要把这两个信号进行叠加，如下所示：

当然这非常的简单，用加法模块就可以完成，但是我想利用S函数模块来做，也是一个很简单的应用。首先我们搭建模型如下：

其中Parameter Initialization 用于初始化参数 A（如果是减法运算，这里可以改成A=[1 -1]），如下所示：

双击S-function模块，如下：

点击Edit，查看我们利用该模板写的S函数：

function [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = my_sfunc(t,x,u,flag,A)

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,A);

  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      = 2;
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,A)
sys =  A * u ;


function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)

sampleTime = 1;   
sys = t + sampleTime;

function sys=mdlTerminate(t,x,u)

sys = [];

运行模型，得到结果如下所示：