Simulink中的自定义模块.doc

目录
Fcn 模块 1
MATLAB Fcn 模块 2
S Function (System Function) 2
1. 函数的函数头 3
2. 函数分析 3
3.带参数的S函数 5
4.S函数格式及说明 6
simulink中子模块的封装 11

Fcn 模块
Fcn模块对它的输入进行指定的表达式运算。使用的表达式可由下面的一个或多个部分组成。
u --- 模块的输入。 如果u是一个向量，u(i)表示此向量的第i个元素；u(1)或者u表示第一个元素
数值常数 (例如表达式5.2*u)
算术运算符(+ - * / ^ 例如表达式 u^2+5.2)
关系运算符(== != > < >= <=) --表达式返回1,如果关系为真; 否则返回0
逻辑运算符(&& || !) 表达式返回1,如果关系为真; 否则返回0
括号
数学函数 (abs, acos, asin, atan, atan2, ceil, cos, cosh, exp, fabs, floor, hypot, ln, log, log10, pow, power, rem, sgn, sin, sinh, sqrt, tan, tanh.)
Workspace中定义的变量 – 如果变量名字不是Matlab 保留字符(比如 sin)，变量名字会被传递给Matab，从而在Maltab Workspace中获取相应给定的值。矩阵或者向量必须具体到其对应的元素。(比如 A(1,1))
注意：Fcn模块中使用的表达式不支持矩阵运算，同样不支持 (:) 符。模块输入可以是标量或者向量，但输出总是标量数值。

MATLAB Fcn 模块
MATLAB Fcn模块对它的输入进行指定的Matlab函数或者表达式运算。输出尺寸必须和模块中定义的尺寸相符，否则报错。
下面是MATLAB Fcn模块中可以使用的有效表达式
sin atan2(u(1),u(2)) u(1)^u(2)
注意：
同Fcn模块相比，在仿真中MATLAB Fcn模块速度要慢，因为它需要在每个积分步骤中调用Maltab编译器。因此建议使用Fcn模块或者 Math Function模块代替MATLAB Fcn模块，或者编写M文件或者MEX文件S 函数代替它。

S Function (System Function)
S函数，即系统函数，用来扩展Simulink模块库。一个S函数，相当于一个Simulink模块，只不过这个模块不是在Simulink Library中已经存在的，用户需要根据自己对Simulink的功能需求，使用指定的编程语言来定制自己的Simulink模块。
S 函数 支持Matlab, C, C++, Ada, or Fortran等语言，编写S函数需要按照一定的格式，具体如何编写S函数，参考Matlab自带文档。
如果能用现有的Simulink 模块库中的模块满足需求，不建议使用S函数编写。
所谓s函数是system Function的简称, 用它来写自己的simulink模块. s函数可以用matlab、C、C++、Fortran、Ada等语言来写， 这儿只介绍怎样用matlab语言来写吧（主要是它比较简单）
先讲讲为什么要用s函数，我觉得用s函数可以利用matlab的丰富资源，而不仅仅局限于simulink提供的模块，而用c或c++等语言写的s函数还可以实现对硬件端口的操作， 还可以操作windows API等
先介绍一下simulink的仿真过程（以便理解s函数），simulink的仿真有两个阶段： 一个为初始化，这个阶段主要是设置一些参数，像系统的输入输出个数、状态初值、 采样时间等；第二个阶段就是运行阶段，这个阶段里要进行计算输出、更新离散状态、 计算连续状态等等，这个阶段需要反复运行，直至结束.

在matlab的workspace里输入edit sfuntmpl(这是matlab自己提供的s函数模板)，我们看它来具体分析s函数的结构.

1. 函数的函数头
函数的第一行：function [sys,x0,str,ts]=sfuntmpl(t,x,u,flag) , 先讲输入与输出变量的含义：
t是采样时间;
x是状态变量;
u是输入(是做成simulink模块的输入);
flag是仿真过程中的状态标志(以它来判断当前是初始化还是运行等)
sys输出根据flag的不同而不同(下面将结合flag来讲sys的含义);
x0是状态变量的初始值;
str是保留参数(mathworks公司还没想好该怎么用它, 一般在初始化中将它置空就可以了, str=[]);
ts是一个1×2的向量, ts(1)是采样周期, ts(2)是偏移量

2. 函数分析
下面结合sfuntmpl.m中的代码来讲具体的结构：
switch flag, %判断flag，看当前处于哪个状态
case 0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
// 解释说明
flag=0表示当前处于初始化状态，此时调用函数mdlInitializeSizes进行初始化，此函数在该文件的第149行定义. 其中的参数sys是一个结构体，它用来设置模块的一些参数，各个参数详细说明如下
size = simsizes; %用于设置模块参数的结构体用simsizes来生成
sizes.NumContStates = 0; %模块连续状 态变量的个数
sizes.NumDiscStates = 0; %模块离散状态变量的个数
sizes.NumOutputs = 0; %模块输出变量的个数
sizes.NumInputs = 0; %模块输入变量的个数
sizes.DirFeedthrough = 1; %模块是否存在直接贯通
sizes.NumSampleTimes = 1; %模块的采样时间个数, 至少是一个
sys = simsizes(sizes); %设置完后赋给sys输出
举个例子，考虑如下模型:
dx/dt=fc(t,x,u) 也可以用连续状态方程描述：dx/dt=A*x+B*u
x(k+1)=fd(t,x,u) 也可以用离散状态方程描述：x(k+1)=H*x(k)+G*u(k)
y=fo(t,x,u) 也可以用输出状态方程描述：y=C*x+D*u
设上述模型连续状态变量、离散状态变量、输入变量、输出变量均为1个，我们就只需改上面那一段代码为(一般连续状态与离散状态不会一块用, 我这儿是为了方便说明):
sizes.NumContStates=1;
sizes.NumDiscStates=1;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
其他的可以不变, 继续在mdlInitializeSizes函数中往下看：
x0 = []; %状态变量设置为空，表示没有状态变量，以我们上面的假设，可改为x0=[0,0](离散和连续的状态变量我们都设它初值为0)
str = []; %保留参数, 置[]就可以了, 没什么用
ts = [0 0]; %采样周期设为0表示是连续系统, 如果是离散系统在下面的mdlGetTimeOfNextVarHit函数中具体介绍

case 1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u);
//
flag=1表示此时要计算连续状态的微分, 即上面提到的dx/dt=fc(t,x,u)中的dx/dt, 找到193行的函数mdlDerivatives, 如果设置连续状态变量个数为0, 此处只需sys=[]就可以了, 按我们上述讨论的那个模型, 此处改成 sys=fc(t,x(1),u)或sys=A*x(1)+B*u, 我们这儿x(1)是连续状态变量, 而x(2)是离散的, 这儿只用到连续的, 此时的输出sys就是微分

case 2,
sys=mdlUpdate(t,x,u);
//
flag=2表示此时要计算下一个离散状态, 即上面提到的x(k+1)=fd(t,x,u), 找到mdlUpdate函数, 它这儿sys=[]表示没有离散状态, 我们这儿可以改成sys=fd(t,x(2),u)或sys=H*x(2)+G*u;%sys即为x(k+1)

case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u);
//
flag=3表示此时要计算输出, 即y=fo(t,x,u), 找到218行的mdlOutputs函数. 如果sys=[]表示没有输出, 我们改成sys=fo(t,x,u)或sys=C*x+D*u %sys此时为输出y

case 4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
//
flag=4表示此时要计算下一次采样的时间, 只在离散采样系统中有用(即上文的mdlInitializeSizes中提到的ts设置ts(1)不为0), 连续系统中只需在mdlGetTimeOfNextVarHit函数中写上sys=[]. 这个函数主要用于变步长的设置, 具体实现大家可以用edit vsfunc看vsfunc.m这个例子

case 9,
sys=mdlTerminate(t,x,u);
//
flag=9表示此时系统要结束，一般来说写上在mdlTerminate函数中写上sys=[]就可, 如果你在结束时还要设置什么，就在此函数中写完了.

3.带参数的S函数
此外, s函数还可以带用户参数, 下面给个例子, 它和simulink下的gain模块功能一样
function [sys,x0,str,ts] = sfungain(t,x,u,flag,gain)
switch flag,
case 0,
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];
case 3,
sys=gain*u;
case {1,2,4,9},
sys = [];
end
做好了s函数后, simulink --> user-defined function下拖一个S-Function到你的模型, 就可以用了. 在simulink --> user-defined function还有个s-Function Builder, 他可以生成用c语言写的s函数. 或者在matlab的workspace下打sfundemos, 可以看到很多演示s函数的程序

4.S函数格式及说明
function [sys,x0,str,ts] = sfuntmpl(t,x,u,flag)
% SFUNTMPL 是M-文件 S函数模板
% 通过剪裁，用户可以生成自己的S函数，不过一定要重新命名
% 利用S函数可以生成连续、离散混合系统等，实现任何模块的功能
%
% M-文件S函数的语法为：
% [SYS,X0,STR,TS] = SFUNC(T,X,U,FLAG,P1,...,Pn)
%
% 参数含义：
% t是当前时间
% x是S函数相应的状态向量
% u是模块的输入
% flag是所要执行的任务
%
% FLAG 结果 功能
% ----- ------ --------------------------------------------
% 0 [SIZES,X0,STR,TS] 模块初始化
% 1 DX 计算模块导数
% 2 DS 更新模块离散状态
% 3 Y 计算模块输出
% 4 TNEXT 计算下一个采样时间点
% 9 [] 结束仿真
%
%
% 用户切勿改动输出参数的顺序、名称和数目
% 输入参数的数目不能小于1，这四个参数的名称和排列顺序不能改动
% 用户可以根据自己的要求添加额外的参数，位置依次为第5，6，7，8，9等。
% S函数的flag参数是一个标记变量，具有6个不同值，分别为0，1，2，3，4，9
% flag的6个值分别指向6个不同的子函数
% flag所指向的子函数也成为回调方法(Callback Methods)
switch flag,
%初始化，调用“模块初始化”子程序%
case 0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
%连续状态变量计算，调用“计算模块导数”子函数%
case 1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u);
%更新，调用“更新模块离散状态”子函数%
case 2,
sys=mdlUpdate(t,x,u);
%输出，调用“计算模块输出”子函数%
case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u);
%计算下一时刻采样点，调用“计算下一个采样时刻点”子函数%
case 4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
%结束，调用“结束仿真”子函数%
case 9,
sys=mdlTerminate(t,x,u);
%其他的flag%
otherwise
DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag));
end
% end sfuntmpl

%=============================================================================
% “模块初始化”子函数
% 返回大小、初始条件和样本
function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
% 调用simsizes函数，返回规范格式的sizes构架
% 这条指令不要修改
sizes = simsizes;
% 模块的连续状态个数，0是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumContStates = 0;
% 模块的离散状态个数，0是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumDiscStates = 0;
% 模块的输出个数，0是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumOutputs = 0;
% 模块的输入个数，0是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumInputs = 0;
% 模块中包含的直通前向馈路个数，1是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.DirFeedthrough = 1;
% 模块中采样时间的个数，1是默认值，至少需要一个样本时间
% 用户可以根据自己的要求进行修改
sizes.NumSampleTimes = 1;
% 初始化后的构架sizes经simsizes函数处理后向sys赋值
% 这条指令不要修改
sys = simsizes(sizes);
% 给模块初始值变量赋值，[]是默认值
% 用户可以根据自己的要求进行修改
x0 = [];
% 系统保留变量
% 切勿改动，保持为空
str = [];
% “二元对”描述采样时间及偏移量。[0 0]是默认值
% [0 0]适用于连续系统
% [-1 0]则表示该模块采样时间继承其前的模块采样时间设置
ts = [0 0];
% end mdlInitializeSizes

%=============================================================================
% 计算导数向量
function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
% 此处填写计算导数向量的指令
% []是模块的默认值
% 用户必须把算得的离散状态的导数向量赋给sys
sys = [];
% end mdlDerivatives

%=============================================================================
% 计算离散状态向量
function sys=mdlUpdate(t,x,u)
% 此处填写计算离散状态向量的指令
% []是模块的默认值
% 用户必须把算得的离散状态向量赋给sys
sys = [];
% end mdlUpdate

%=============================================================================
% 计算模块输出向量
function sys=mdlOutputs(t,x,u)
% 此处填写计算模块输出向量的指令
% []是模块的默认值
% 用户必须把算得的模块输出向量赋给sys
sys = [];
% end mdlOutputs

%=============================================================================
% 计算下一采样时刻
function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
% 该子函数仅在“采样时间”情况下使用
% sampleTime = 1 是模块默认设置，表示在当前时间1秒后再调用本模块
% 用户可以根据自己的要求修改
sampleTime = 1;
% 将计算得到的下一采样时刻赋给sys
% 切勿改动
sys = t + sampleTime;
% end mdlGetTimeOfNextVarHit

%=============================================================================
function sys=mdlTerminate(t,x,u)
% 模板默认设置，一般情况不要改动
sys = [];
% end mdlTerminate
simulink中子模块的封装
对于比较复杂的系统，模块化思想是很有必要的，使得思路较为清晰、错误容易排查。对复杂的系统进行仿真，如果将其中独立的功能进行封装，会显得特别清爽。这学期做了电机仿真和伺服系统仿真，特别感觉到子模块封装的必要性，有效的提高了系统的可读和可维护性。
在simulink中建立子模块的步骤如下：
1、建立系统框图。这步需要确定输入输出的个数，输入端为sources中的in，输出端为sinks中的out。将Simulink库下的Ports&Subsystems中的Subsystem拉至simulink框图中。
2、功能的搭建。点击建好的子模块，在其中进行功能模块的搭建。
3、子模块的封装。所谓封装（masking），即将其对应的子系统内部结构隐含以来，访问该模块的时候仅仅出现一个参数设置对话框。需要如下几步完成：
3.1、右击模块，选择Mask Subsystem选项，蹦出Mask Editor对话框。
3.2、Icon属性。如果要显示端口的名称，Transparency属性设置成Transparent。Drawing commands编辑框允许给该模块图标上绘制图像，可以选择的有plot()、disp()等等，比如disp('PID Controller')。在Drawing commands中输入语句，如何写函数的提示在封装编辑对话框的下方。
3.3、Parameters属性。这个东西是给模块中的变量赋值的，选择左方有朝左的小箭头的按钮是添加变量的，这时右方会有一横栏，Prompt是该变量的提示信息，Variable是相关联的变量名称，一定要与模块中的变量名称一样,Type是变量的类型，edit(可编辑)、popup(下拉框)，选择后者的时候需要在左下方的popups中分行写上可以选择的数值。左方的叉按钮是删除变量的。
3.4、Initialization属性。对模块进行初始化操作。
3.5、Documentation属性。对模块进行说明。封装后双击模块就可以看见Mask Description中的内容。
关于模块封装的一些操作还有：
（1）如果要观察模块的内部结构，右键模块，然后选择Look Under Mask即可。编辑模块封装选择Edit Maks。
（2）把要封装的东西全部用鼠标框起来，选择Edit中的Creat Subsystem就可以将选中的东西封装起来了。左键单击模块，用Edit中的Mask Subsystem即可进行模块的封装。同样用Edit下的Look Under Mask即可观察模块的内部结构。