SIMULINK s-function的設計

SIMULINK? s-function的設計
Simulink為用戶提供了許多內置的基本庫模塊，通過這些模塊進行連接而構成系統的模型。對于那些經常使用的模塊進行組合并封裝可以構建出重復使用的新模塊，但它依然是基于Simulink原來提供的內置模塊。
而Simulink s-function是一種強大的對模塊庫進行擴展的新工具。一、s-function的概念
s-function是一個動態系統的計算機語言描述，在MATLAB里，用戶可以選擇用m文件編寫，也可以用c或mex文件編寫，在這里只給大家介紹如何用m文件編寫s-function。
S-function提供了擴展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調用語法，使函數和Simulink解法器進行交互。
S-function最廣泛的用途是定制用戶自己的Simulink模塊。它的形式十分通用，能夠支持連續系統、離散系統和混合系統。
二、建立m文件s-function
1、使用模板文件：sfuntmp1. m
該模板文件位于MATLAB根目錄下toolbox/simulink/blocks目錄下。
模板文件里s-function的結構十分簡單，它只為不同的flag的值指定要相應調用的m文件子函數。比如當flag=3時，即模塊處于計算輸出這個仿真階段時，相應調用的子函數為sys=mdloutputs(t,x,u)。
模板文件使用switch語句來完成這種指定，當然這種結構并不唯一，用戶也可以使用if語句來完成同樣的功能。而且在實際運用時，可以根據實際需要來去掉某些值，因為并不是每個模塊都需要經過所有的子函數調用。
模板文件只是Simulink為方便用戶而提供的一種參考格式，并不是編寫s-function的語法要求，用戶完全可以改變子函數的名稱，或者直接把代碼寫在主函數里，但使用模板文件的好處是，比較方便，而且條理清晰。
使用模板編寫s-function，用戶只需把s-函數名換成期望的函數名稱，如果需要額外的輸入參量，還需在輸入參數列表的后面增加這些參數，因為前面的4個參數是simulink調用s-function時自動傳入的。對于輸出參數，最好不做修改。接下去的工作就是根據所編s-function要完成的任務，用相應的代碼去替代模板里各個子函數的代碼即可。
Simulink在每個仿真階段都會對s-function進行調用，在調用時，Simulink會根據所處的仿真階段為flag傳入不同的值，而且還會為sys這個返回參數指定不同的角色，也就是說盡管是相同的sys變量，但在不同的仿真階段其意義卻不相同，這種變化由simulink自動完成。
m文件s-function可用的子函數說明如下：
mdlInitializeSizes：定義s-function模塊的基本特性，包括采樣時間、連續或者離散狀態的初始條件和sizes數組。
mdlDerivatives：計算連續狀態變量的微分方程。
mdlUpdate：更新離散狀態、采樣時間和主時間步的要求。
mdlOutputs：計算s-function的輸出。mdlGetTimeOfNextVarHit：計算下一個采樣點的絕對時間，這個方法僅僅是在用戶在mdlInitializeSizes 里說明了一個可變的離散采樣時間。
mdlTerminate：實現仿真任務必須的結束。

概括說來，建立s-function可以分成兩個分離的任務：
初始化模塊特性包括輸入輸出信號的寬度，離散連續狀態的初始條件和采樣時間。
將算法放到合適的s-function子函數中去。
2、定義s-function的初始信息
為了讓Simulink識別出一個m文件s-function，用戶必須在s-函數里提供有關s-函數的說明信息，包括采樣時間、連續或者離散狀態個數等初始條件。這一部分主要是在mdlInitializeSizes子函數里完成。
Sizes數組是s-function函數信息的載體，它內部的字段意義為：
NumContStates：連續狀態的個數（狀態向量連續部分的寬度）
NumDiscStates：離散狀態的個數（狀態向量離散部分的寬度）
NumOutputs： 輸出變量的個數（輸出向量的寬度）
NumInputs：輸入變量的個數（輸入向量的寬度）
DirFeedthrough：有無直接饋入
NumSampleTimes：采樣時間的個數
如果字段代表的向量寬度為動態可變，則可以將它們賦值為－1。
注意DirFeedthrough是一個布爾變量，它的取值只有0和1兩種，0表示沒有直接饋入，此時用戶在編寫mdlOutputs子函數時就要確保子函數的代碼里不出現輸入變量u；1表示有直接饋入。
NumSampleTimes表示采樣時間的個數，也就是ts變量的行數，與用戶對ts的定義有關。
需要指出的是，由于s-function會忽略端口，所以當有多個輸入變量或多個輸出變量時，必須用mux模塊或demux模塊將多個單一輸入合成一個復合輸入向量或將一個復合輸出向量分解為多個單一輸出。
3、輸入和輸出參量說明
S-function默認的4個輸入參數為t、x、u和flag，它們的次序不能變動，代表的意義分別為：
t：代表當前的仿真時間，這個輸入參數通常用于決定下一個采樣時刻，或者在多采樣速率系統中，用來區分不同的采樣時刻點，并據此進行不同的處理。
x： 表示狀態向量，這個參數是必須的，甚至在系統中不存在狀態時也是如此。它具有很靈活的運用。
u：表示輸入向量。
flag：是一個控制在每一個仿真階段調用哪一個子函數的參數，由Simulink在調用時自動取值。
S-function默認的4個返回參數為sys、x0、str和ts，它們的次序不能變動，代表的意義分別為：
sys：是一個通用的返回參數，它所返回值的意義取決于flag的值。
x0： 是初始的狀態值（沒有狀態時是一個空矩陣[]），這個返回參數只在flag值為0時才有效，其他時候都會被忽略。
str：這個參數沒有什么意義，是MathWorks公司為將來的應用保留的，m文件s-function必須把它設為空矩陣。
ts：是一個m×2的矩陣，它的兩列分別表示采樣時間間隔和偏移。
例1 csfunc.m（連續狀態s-function）
例2 dsfunc.m（離散狀態s-function)
例3 mixedm.m（混合系統s-function）
例4 vsfunc.m（可變步長仿真系統）
例5 filt.m，rect.m，rload.m（非模板文件形式）