MATLAB第5章S函数

第5章 S-函 数 5.1 S-函数概述 5.2 S-函数的工作原理 5.3 编写M文件S-函数 5.1 S-函数概述 5.1.1 S-函数的基本概念 S-函数是系统函数(System Function) 的简称，是指采用非图形化的方式描述的一个功能块。用户可以采用MATLAB代码，C，C++等语言编写S-函数。S-函数由一种特定的语法构成，用来描述并实现连续系统、离散系统以及复合系统等动态系统。 简单来说，用户可以从如下的几个角度来理解S-函数： (1) S-函数为Simulink的“系统”函数。 (2) 能够响应Simulink求解器命令的函数。 (3) 采用非图形化的方法实现一个动态系统。 (4) 可以开发新的Simulink模块。 (5) 可以与已有的代码相结合进行仿真。 (6) 采用文本方式输入复杂的系统方程。 (7) 扩展Simulink功能。M文件S-函数可以扩展图形能力，C MEX S-函数可以提供与操作系统的接口。 5.1.2 如何使用S-函数 在动态系统设计、仿真与分析中，用户可以使用Functions & Tables模块库中的S-function模块来使用S-函数；S-function模块是一个单输入单输出的系统模块，如果有多个输入与多个输出信号，可以使用Mux模块与Demux模块对信号进行组合和分离操作。 一般而言，S-函数的使用步骤如下： (1) 创建S-函数源文件。创建S-函数源文件有多种方法，当然用户可以按照S-函数的语法格式自行书写每一行代码，但是这样做容易出错且麻烦。Simulink为我们提供了很多S-函数模板和例子，用户可以根据自己的需要修改相应的模板或例子即可。 (2) 在动态系统的Simulink模型框图中添加S-function模块，并进行正确的设置。 (3) 在Simulink模型框图中按照定义好的功能连接输入输出端口。 【例5.1】 使用S-函数实现系统：y=2u。 解：(1) 打开模板M文件S-函数模板文件sfuntmpl.m ，在\MATLABroot\work目录下另存为doublesfunction.m。 (2) 找到函数mdlInitializeSizes，修改以下代码： sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1; (3) 找到函数mdlOutputs，加入以下代码： sys=2*u; (到现在为止我们的第一个S-函数写完了。下面演示一下它的作用。) (4) 在Simulink空白页中添加S-function 块，打开S-function 块对话框，参数S-function name设置为doublesfunction 。按照图5.2添加连接好其余的各个模块。 (5) 开始仿真，在Scope中观察输出结果，可以看到输入正弦信号被放大为原来的2倍，如图5.2所示。 5.2 S-函数的工作原理 5.2.1 状态方程 在对动态系统建模时，总是能够采用广义的状态空间形式对无论是线性系统还是非线性系统进行描述。这个描述包含以下两个方程： 状态方程： 输出方程： 其中A、B、C、D分别是状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、前馈矩阵。 Simulink框图的大部分模块都具有一个输入向量u、一个输出向量y和一个状态向量x，如图5.3所示。 S-函数同样是一个Simulink模块。它的以下几个例程函数清楚地体现了状态空间所描述的特性。 (1) ?S-函数中的连续状态方程描述。状态向量的一阶导数是状态x、输入u和时间t的函数。在S-函数中，状态的一阶导数是在mdlDerivatives例程中计算的，并将结果返回供求解器积分。 (2) ?S-函数中的离散状态方程描述。下一步状态的值依赖于当前的状态输入u和时间t。这是通过mdlUpdate例程完成的，并将结果返回供求解器在下一步时使用。 (3) ?S-函数中的输出方程描述。输出值是状态、输入和时间的函数。 5.2.2 Simulink仿真的两个阶段 理解S-函数首先要很好地了解Simulink的仿真过程。仿真包含两个主要阶段，第一个阶段是初始化，这时块的所有参数都已确定下来。初始化阶段完成了以下工作： (1) 传递参数给MATLAB进行求值。 (2)