Simulink中S函数的应用

【摘要】  　　首先介绍了S函数的工作原理及仿真流程，然后通过举例说明了三种S函数的编写方法。根据不同的对象，通过对S函数的灵活运用，可在实际应用当中轻松实现所需要的功能模块。

【关键词】  Matlab　Simulink　S函数　模块封装

　　The Application of S Function in Simulink

    LUO Ting

    (Department of Basics of Computer Science,Chengdu Medical College,Chengdu 610083,China)

    Abstract：The principle and simulation processes of the S function were introduced firstly.Then three ways to write the S function were explained through examples.It could be concluded that necessary functional modules could be easily obtained through flexible manipulation of the S function in practical applications.

    Key words:Matlab;Simulink;S function;module mask

   1  引言

    S函数是System Function的简称。在很多情况下，Simulink现有的模块已经不能满足用户的需要，这时可以自己编写相应的代码来完成对模块功能的需求。S函数则提供了一个代码和Simulink模块之间的接口，用来实现对模块的编程。其中S函数的代码可以用Matlab语言编写，也可以是C、C++、Ada、Fortran等语言编写。而非Matlab语言在应用当中须先被编写成MEX文件，即Matlab Executable文件［3］［6］。

    2  S函数工作机理［1］

    每个Simulink模块都可用输入信号u，输出信号y和当前模块的状态x等三个变量描述。如下图所示：

    在simulink当中，对于连续和离散的系统，它的处理方式是不一样的。在t时刻模块内部的状态是由两个状态构成，连续状态xc和离散状态xd，则这个时刻对应的状态为

    图1  simulink模块的工作原理示意图

    Fig.1 Operating principle of Simulink module

    x=xc+xd,y=f(t,x,u)，系统输出为。对于连续系统来说，更新系统状态是通过对目标函数进行求导以及积分来实现的，而对于离散系统来说，则没有求导以及积分的处理，直接在当前时刻更新其状态，得到系统的输出。

    此时系统可用以下方程进行描述

    连续状态方程：x′=fd(t,x,u)

    离散状态方程：xk+1=fu(t,x,u)

    系统输出方程：y=f0(t,x,u)3  Simulink的仿真流程

    simulink的仿真过程可分为三个阶段：初始化阶段；仿真循环阶段；仿真结束阶段。

    在仿真过程当中，Simulink会调用相应的仿真例程来完成相应的功能。首先，在初始化阶段，Simulink将对整个系统模块的参数进行初始化，检查各个模块的数据长度和类型，制订仿真模块的执行顺序，设置相应的仿真时间间隔以及内存的分配等等；接下来，在仿真循环阶段，按照初始化制订的仿真顺序依次执行每一个模块。对于离散状态，会更新当前时刻的离散状态并进行输出，而对于连续时间则处理起来相对复杂，它会计算两次输出，这两次输出会在求解器当中进行一致性检查，当超过求解器设置的容限时，求解器会以一个更小的步长进行计算输出，而且在连续时间状态情况下存在一个过零检测的问题，即在仿真循环当中如果检测到过零点，simulink系统会自动在此过零点周围进行插值。

    仿真过程是由求解器和simulink系统交互控制的，它们之间的交互关系可由下面一个图进行说明［4］：

    图2  求解器和simulink系统的交互行为示意图

    Fig.2  Interactive behavior of the solution implement and simulink system

    4  M文件S函数

    M文件的S函数分为两种， level 1和level 2。它们互有缺点，前者运行速度快，但无法处理复数以及基于帧数据的处理，后者运行速度稍慢，但能处理复数数据和基于帧的数据［5］。下面分别对两种M文件S函数的编写进行描述。

    4.1  Level1级S函数

    在大多数情况下，运用level 1的S函数即可满足用户的需要。下面针对Simulink给的level 1的S函数模块介绍S函数的具体编写方法，此文件名为sfuntmpl.m（在Matlabroot/toolbox/simulink/blocks下），或者直接在命令行输入>>edit sfuntmp1，即打开该函数，因为在Matlab下已将此路径设置为搜索路径。

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

    此函数有4个输入参数：

    ①t:采样时间

    ②x:系统状态

    ③u:输入

    ④flag:仿真流程控制标志

    函数的输出有4个:

    ①sys:各子函数返回值，随调用子函数不同意义不同

    ②x0:各状态的初始值

    ③str:保留参数，设置为［］

    ④ts:系统采样时间，为一个n×2的矩阵，第一列表示抽样时间，第二列表示时间偏移量下面举例说明M文件S函数的编写过程。

    例：实现一个具有信号增益效果的模块（单输入、单输出），且增益可调。

    首先需要修改的是函数名称（自定）以及添加一个系统输入参数gain，添加的方式为: function［sys,x0,str,ts］=VariableGain_Level1(t,x,u,flag,gain)

    除了基本的初始设置以外，只需对VariableGain_Level1中的mdlOutputs子函数进行配置即可实现对输入信号增益的功能，如下

    sys=gainu

    这里gain是增益参数，u是输入的数据，sys在mdlOutputs子函数当中

    接下来就是需要用Simulink模块的S函数模块与此VariableGain_Level1函数相关联。此模块在Simulink＼User-Defined Functions里:

    双击此模块，会弹出以下这个对话框:

    现在需要将上面编辑的S函数名VariableGain_Level1放写在“S-function name”栏，且将需要用到的参数gain写在“S-function parameters”栏（当出现多个参数时，各个参数之间需用逗号隔开），如果不出现错误，此时已经将Simulink下S-Function模块与编写的VariableGain_Level1函数关联在一起。

    此时模块中将显示关联的S函数名，且已经完成该模块应有的功能。

    4.2  Level2级S函数

    下面介绍level 2级的S函数的编写。首先level 2级的S函数的结构与level 1级的S函数不一样，但其基本处理流程一样。它的处理方式是基于模块的描述，比如对模块进行初始化，对模块内部参数的描述，对内部工作空间的使用等等。level 2级的S函数模版是放在Matlabroot/toolbox/simulink/blocks下，文件名为msfuntmpl.m。

    下面给出一个用Level 2的M文件编写的一个S函数的例子，同样用来实现前面用Level 1级书写的增益函数。为了完成该功能，需要在Output函数当中添加如下语句进行实现：

    gain=block.DialogPrm(1).Data;（4-2-1）

    block.OutputPort(1).Data=gainblock.InputPort(1).Data;（4-2-2）

    （4-2-1）句是将需要设置的增益参数传递给变量gain，（4-2-2）句是将输入端口1的数据乘以增益变量gain，并将得到的数据输出到输出端口1。

    下面将此S函数进行模块封装，该模块在Simulink＼User-Defined Functions里:

    双击此模块，将弹出的对话框如下

    其中第一栏的'M-file name'中填入S函数的名称VariableGain_Level2，第二栏的'Parameters'中填入需用到的参数gain（当出现多个参数时，各个参数之间需用逗号隔开）。完成此操作之后，模块将可以实现和level 1级的S函数一样的功能：

    此时模块中将显示关联的S函数名。

    5  C Mex S函数［2］

    C语言S函数采用通用的C语言规范，它比M文件S函数具有更强的处理能力，更快的执行速度，并且可以生成独立可执行的C-Mex文件。

    C语言的S函数的编写方式与M文件S函数比较相似，都是采用回调函数的方式。根据Simulink的不同指令调用不同的函数，然后返回相应的结果。与M文件S函数相比，C语言S函数提供了更多的回调函数。对于仿真过程中的每一个模块，Simulink都建立了一个SimStruct的数据结构，用于保存该模块的相关信息。在M文件S函数中，这个数据结构是不能被读取的，但在C语言S函数中，我们能够读取和修改SimStruct结构中的内容，因此能够实现对仿真过程更强的控制功能。另外，C语言的S函数能够处理更多类型的数据类型，比如矩阵信号等。为此，Simulink为C语言S函数定义了更多的回调函数，用于实现更多的数据处理功能。

    与M文件S函数类似，C语言S函数也有与之对应的模版，不同的是它有两个版本，一个为基本的模版sfuntmpl_basic.c，其中包含了必要的几个回调函数，可以满足用户基本的需求，另一个则是比较详尽的模版Sfuntempl_doc.c，它们都在Matlabroot＼simulink＼src目录下。

    下面给出一个用C语言编写的一个S函数的实例，同样用来实现前面用M文件S函数写的增益函数,此时只需用到C语言的基本模版。与M文件S函数的编写类似，C Mex的S函数主要完成功能也是在子函数mdlOutputs当中，不同的是C语言是通过指针对数据进行访问，首先应该给该函数命名：

    #define S_FUNCTION_NAME VariableGain_C

    而mdlOutputs中的关键代码如下：

    int_T i;

    InputRealPtrsType uPTRS=ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);(5-1)

    real_T y=ssGetOutputPortRealSignal(S,0);(5-2)

    int_T width=ssGetOutputPortWidth(S,0);(5-3)

    const real_T G=mxGetPr(ssGetSFcnParam(S,0));(5-4)

    for(i=0;i

    ｛

    y++=(G)(uPTRS［i］);(5-5) ｝

    (5-1)句是获得输入信号的指针；(5-2)句是获得输出信号的指针；(5-3)句是获得输出端口的宽度；(5-4)句是获得输入参数的指针，(5-5)句是完成信号增益的功能。

    至此，完成了对带有一个输入参数的C语言S函数的编写，如要实现在Simulink下调用此S函数，还需要将该C文件转换成MEX，即Matlab可执行文件。只需要在Matlab命令窗口中执行如下命令即可：

    mex VariableGain_C.c

    系统会自动生成一个VariableGain_C.mexw32的文件，此文件即可在Matlab下进行调用。接下来的操作与处理Level 1级的M文件S函数一样。生成的S函数模块如下：

    该模块已经能够完成对输入的增益参数进行相应的功能，模块中即显示为C Mex文件名。

    6  结束语

    在实际应用当中，通过对三种S函数模块的比较，Level1级的M文件S函数能处理的对象较少，只能应付普通的基于点数据的操作；Level2级的M文件S函数则功能相对完备，只是运行速度不及前者，当然也不及C Mex的S函数；而C Mex的S函数在运行速度上为最优，功能最强大，但其缺点是对矩阵的处理略显复杂。所以根据不同的对象，应选取不同的S函数编写方式。

【参考文献】
  　　［1］The Math Works Inc.Using SIMULINK,Natick,MA.July 2002.

［2］The Math Works Inc.Writing S-Functions,Natick,MA.July 2002.

［3］Tomas Co.Short Tutorial on Matlab.2004.

［4］姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真［M］.西安：西安电子科技大学出版社, 2002.

［5］陈永春.从Matlab/Simulink模型到代码实现［M］.北京：清华大学出版社,2002.

［6］邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解［M］.北京： 人民邮电出版社, 2003.