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1、S-函数概述1、什么是S函数S函数（系统函数）提供一个有力的途径用于扩展Simulink仿真环境的能力。S函数是用MATLAB、C、C+、Fortran编写的，用来描述Simulink模块。C、C+、Fortran编写的用mex公用程式编译为MEX文件（具体参考building MEX-File）.与其他的MEX文件一样，S函数是一个MATLAB翻译器可以自动加载执行的动态链接子程序。S函数使用一种特殊的调用语法条用S函数应用程序，使你们可以与仿真引擎交互。这种交互同发生在引擎与仿真环境中的模块的交互相似。S函数遵循一种通用的格式，可以兼容连续、离散和混合系统。遵守一系列简单的规则，你们可以在
2、S函数中实现算法并且将S函数模块添加到仿真模块中。当你编写自己的S函数后，将其名字添加到S函数块（在用户定义函数模块库中可以找到），你可以使用masking(在Creating Custom Blocks 中可以查看)来定做用户界面。你可以用实时Workshop产品使用S函数，你也可以通过编写目标语言编译器文件（TLC）来定制生成S函数的代码，可以查看（Integrating External Code With Generated C and C+）。2、在建模中使用S函数A、兼容C MEX S函数或者旧版（MATLAB level-1）的S函数，从用户定义函数库拖动S函数到模型中，然后指定
3、S函数的名字（名字中包含了函数的信息），level-2的版本操作也一样（当路径中有同名的C MEX文件和MATLAB文件时，优选执行C MEX文件）。B、向S函数传递参数：S函数块的“Parameters”文件允许指定参数值传递到相应的S函数。为了使用这些文件，必须知道S函数需要的参数、参数的顺序，如果不知道，可以咨询S函数的作者、文档或者源代码。输入参数用逗号分开，按照S函数要求的顺序输入，参数的值可以是常数、变量名（定义在MATALB、建模工作空间或者MATALB表达式中）。当调用level-1S函数时，仿真引擎通常传递标准参数快（t，x,u，flag）到S函数作为函数参数。引擎可以传递附
4、加的由用户指定的块参数到S函数。用户在S函数的“S-function parameter”文件中指定参数（参见Passing Parameters to S-Functions）。如果块对话框指定额外的参数，引擎传递参数到S函数作为额外的函数参数。额外的参数遵循在S函数中的参数列表顺序标准。C、何时使用S函数：1、建立一个人新的通用模块；2、添加硬件驱动模块；3、兼容现在的C代码到仿真中（参见Integrating Existing C Functions into Simulink Modules with the legacy Code Tool）；4、描述一个具有复杂数学方程的系统；5、
5、使用图形激励。其中最常使用S函数的是建立用户仿真块（参见Creating Custom Block）。当使用S函数来建立通用模块时，可以在一个模型中多次使用，根据实际情况指定具体模块的参数。3、在项目中使用S函数A、Mathematics of Simulink Blocks:一个仿真模块包含了一系列的输入、输出和状态，输出是时间、输入、状态的函数。y=f0t,x,u 输出x=fdt,x,u 状态方程 xdk+1=fut,xc,xdk,u 更新状态 x=xc;xdB、仿真阶段：执行一个仿真模型分阶段进行。首先是初始化阶段，仿真引擎加载库模块到模型中，传递信号宽度、数据类型、采样时间、模块参数赋
6、值、确定模块执行顺序、定位内存；随后引擎进入Simuliation Loop，在这个过程中，每一个循环视为一个仿真步；在每一步中，仿真引擎按初始化确定的顺序执行模型中的每个模块的计算；对于模块，引擎调用函数计算模块采样时刻的状态、导数（微分）、输出。左边的图演示了仿真阶段。Inner integration loop只有在连续状态仿真时发生。模块仿真引擎执行循环直到求解器达到状态计算的指定精度。整个仿真循环不断执行，直到停止。可以参考（Simulation Dynamic System）了解仿真执行的具体信息；可以参考How the Simulink Engine Interacts with
7、 C S-Function,描述了引擎在初始化和仿真过程中如何调用S-Function API。C、S函数的回调原理：一个S函数包含一系列的S函数回调方法来执行每一个仿真阶段的任务。在模型仿真中，在每一个仿真进行阶段，仿真引擎为每一个S函数模块调用相应的方法。由S函数回调方法实现的任务有：1、初始化：优先于第一个仿真循环，引擎初始化S函数，包括：初始化SimStruct(一种包含关于S函数信息的仿真结构)；设置输入输出的数值和维数；设置模块采样时间；定义存储区域2、计算下一个采样点：如果使用了变采样时间，这个阶段计算下一个采样点的时间，也就是计算下一个步长（采样间隔）；3、计算主时间步的输出：
8、在这个调用结束之后，所有模块输出都确定。4、在主时间步长更新离散状态：这个调用是说模块执行每一步一次的动作，如更新离散状态；5、集成：它应用于具有连续信号或者非过零点采样。如果S函数具有连续的状态，引擎调用S函数在Minor time steps的输出和微分，所以求解器可以计算S函数的状态。如果S函数具有非采样过零点，引擎也调用S函数在Minor time step输出和过零点以便于它定位过零点。4、实现S函数A、MATLAB的S函数：LEVEL2-MATLAB S-Function允许在仿真环境中创建具有多种特征和功能的模块，这其中有：l 多输入输出口l 接收矢量和矩阵信号l 支持各种信号属
9、性：数据类型、混合、信号模型l 处理多种采样频率LEVEL2-MATLAB S-Function由一个设置程序来配置基本属性，一系列的在仿真中的相应时间调用的回调方法组成。一个基本注释的模板在“msfuntmpl_basic.m”。其中模板由一个高级设置函数和一系列骨架子函数（每一个都与相应的回调方法相对应）组成。每一个回调方法实现一个具体的S函数在仿真中相应节点的任务。引擎调通过定义在设置程序中的函数句柄调用函数。关于支持LEVEL2-MATLAB S-Function的回调方法可参见“Level-2 MATLAB S-Function Callback Methods”；更加详细的LEVE
10、L2-MATLAB S-Function模板信息在“msfuntmpl.m”中。作者建议在建立LEVEL2-MATLAB S-Function时按照模板格式来规划结构和命名，这对于他人对S函数进行理解和维护很方便，如何创建LEVEL2-MATLAB S-Function参见“Writing S-Functions in MATLAB”。MEX S-Functions就像LEVEL2-MATLAB S-Function一样，由一系列在仿真中引擎调用来实现各种模块相关任务的回调方法组成。S-Function可以有C、C+、Fortran实现，引擎直接调用MEX S-Function程序而不是通过函
11、数句柄，由于引擎 直接调用函数MEX S-Function必须根据S-Fuction API指定的命名规则。具有注释的模板在“sfuntmpl_doc.c”。模板包含了实现各种要求和可选的回调方法的骨架，C MEX S-Function可以实现的。更多的模板的基本版本可在“sfuntmpl_basic.c”中查到。MEX Verse MATLAB S-Function：LEVEL2-MATLAB S-Function和MEX S-functions各有优点，前者的优点在于开发的方便简单，可以节约compile-link-execute循环所花费的时间，它也可以更方便使用工具箱函数并利用Edit
12、or和Dubugger；后者的优势在于执行的速度上，也可以集成已有的代码到仿真模块中，对于更加复杂的系统，由于前者每次回调都需要翻译执行，会花费更多的时间。权衡选择可参考“Selecting an S-Function Implementation”。5、S-Function的概念Direct Feedthrough：意味着输出（或者可变采样系统的采样时间）由输入端口信号值直接控制。（即输入量直接作用于输出量，如比例关系，如果输出不是输入U的有理函数，则不属于Direct Feedthrough）输入端口Direct Feedthrough典型的情况有：l 输出函数（mdloutputs）是输
13、入U的函数，也就是说输入U可以被mdloutputs所获取即存在Direct Feedthrough。输出也可以包含图像输出，比如XY图像的示波器。l 变采样时间S函数的下一个采样点函数（mdlGetTime0fNextVarHit）可以访问输入量U。正确设置Direct Feedthrough flag是非常重要的，它影响模型中模块的执行顺序并且用于检测algebraic loop(代数循环)，具体信息参见“Algebraic Loop”。如果模型中S函数的仿真结果没有收敛或者仿真失败，有可能是Direct Feedthrough flag设置错误。尝试开启Direct Feedthroug
14、h flag并设置algebraic loop求解器的诊断方法来给出提示,具体参见“ Diagnostics Pane: Solver”，接着运行仿真将显示模型中的所有代数循环并且如果引擎将S函数加入代数循环时也将显示出来。Dynamically Sized Arrays：S函数的输入的维数是可以任意指定的，所以，仿真引擎在仿真开始的时候检测驱动S函数的输入矢量的维数来确定实际的输入信号的维数，S函数也可以利用输入维数来确定连续状态的数目、离散状态的数目、和输出的数目。（在具体模型或者不同的仿真中，输入的维数的尺寸对于每一个具体的使用情况可以有所不同，但是在一个特定的仿真过程中，每一个S函数输
15、入的维数是固定不变化的）。C MEX函数和Level-2MATLAB函数可以含有多个输入和输出端口，每一个端口可以具有不同的维数，端口的个数和个端口的具体维数可以动态的确定。如图所示的例子，S函数第一个由三元素的矢量驱动，第二个由一维的标量驱动，通过指定S函数具有动态的输入维数，同样的S函数可以兼容以上的两种情况。仿真引擎自动调用模块并赋予模块合适的输入矢量的尺寸。同样的，其他的模块属性如输出个数、离散或者连续状态的数目，都是动态确定的，引擎自动将这些矢量的尺寸设置与输入向量一致。Setting Sample Times and Offsets：Level-2 MATLAB C MEX S-f
16、unctions函数如下的采样时间选择，提供高度灵活的选择来执行S函数。l 连续采样时间对S函数来说就是连续状态和非过零检测，可以在“How Simulink Works in Using Simulink for an explanation of zero crossings”查看具体信息。这种情况下，S函数的输出以minor时间步长进行更新。l 连续状态但是在minor time阶段保持不变这种情况的S函数需要在major time期间执行，但是在minor time 期间不改变输出。l 离散采样时间如果S函数的特性是具有离散的时间间隔，可以定义采样时间来实现控制，此时，也可以定义一个补偿来为每个采样点进行延时操作，但补偿不能增加相应的采样周期T
