MATLAB中的S-Function的用法（C语言）

1. S-Function简介  

S-Function是system-function的缩写。说得简单，S-Function就是用MATLAB所提供的模型不能完全满足用户，而提供给用户自己编写程序来满足自己要求模型的接口。

 

2. MEX函数与M文件的区别

第一，  MEX 函数能实现的回调函数比M-文件能实现的回调函数要多得多；

第二，  MEX 函数直接访问内部数据结构SimStruct，SimStruct 是Simulink 用来保存关于S-function 信息的一个数据结构；

第三，  MEX 函数也可使用MATLAB MEX 文件API 直接来访问MATLAB 的工作空间。

如果一个C MEX文件与一个M文件具有相同的名字，则C MEX文件被优先使用，即在S-Function块中使用的是C MEX文件。

 

3. 基础知识

3.1 直接馈通(direct feedthrough)

 直接馈通表示系统的输出或可变采样时间是否受到输入的控制。

a.  输出函数（mdlOutputs或flag==3）是输入u的函数。即，如果输入u在mdlOutputs中被访问，则存在直接馈通。

b.  对于一个变步长S-Function的“下一个采样时间”函数（mdlGetTimeOfNextVarHit或flag==4）中可以访问输入u。

例如，一个需要其输入的系统（也就是具有直接馈通）是运算y=kXu,其中，u是输入，k是增益，y是输出。

又如，一个不需要其输入的系统（也就是没有直馈通）是一种简单的积分运算：

输出：y=x；

导数：dx/dt=u

其中，x是状态，dx/dt是状态对时间的导数，u是输入，y是输出。

正确设置直接馈通标志是十分重要的，因为它影响模型中块的执行顺序，并可用检测代数环。

3.2 dynamically sized inputs 

主要是给出：输入连续状态数目（size.NumContStates),离散状态数目（size.NumDiscStates) ,输出数目（size.NumOutputs),输入数目(size.NumInputs),Direct Feedthrough(size.Dir Feedthrough)。 

3.3 setting sample times and offsets

setting smaple times and offsets主要设置采样时间.

3.4 Level-1 和Level-2

Level 1 提供一个简单的接口，可与少部分的S函数API交互。Matlab对于这种方式的支持更多的是为了保持与以前版本的兼容，现在推荐采用的是Level 2 S函数。

 

4. S-Function实例

S-Function的仿真流程

例如要创建一个有1输入（2维），2输出（1维），3个参数，还有全局变量的S-Function。 过程如下：

a. 新建sfunction的C语言文件

打开simulink，点击User-Defined Functions里面的S-Function Examples。这个里面有多个语言版本的模板，有C，C++，Ada，Fortran和M语言的版本，其实都大同小异，只要了解几个函数就很容易使用了。 选择C语言的版本：从S-function模块中选择C-file S-functions里面的Basic C-MEX template。打开后，另存为自己的模块名字，如test.c 。下面我们来分析代码： 

#define S_FUNCTION_NAME  test//这里把文件名sfuntmpl_basic修改为test
#define S_FUNCTION_LEVEL 2
#include "simstruc.h"
//程序里面要用到的头文件在这里引用，如“math.h”等。
float global_var; //定义全局变量
static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)
{
 //这个函数用来设置输入、输出和参数的。
    ssSetNumSFcnParams(S, 3);  /*设置参数个数，这里为3 */
    if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) {
        return;
    }
    ssSetNumContStates(S, 0);//设置连续状态的个数，缺省为0；
    ssSetNumDiscStates(S, 0);//设置离散状态的个数，缺省为0；
    if (!ssSetNumInputPorts(S, 1)) return;//设置输入变量的个数，这里为1
    ssSetInputPortWidth(S, 0, 2); //设置输入变量0的维数为2
ssSetInputPortRequiredContiguous(S, 0, true); //设置input0的访问方式，true就是临近访问，这样指针的增量后就可以直接访问下个input端口了。
ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1);// 设置输入端口的信号是否mdlOutputs函数中使用，这儿设置为true。
    if (!ssSetNumOutputPorts(S, 2)) return;//设置输出变量的个数
ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1);//设置输出变量0的维数为1维
    ssSetOutputPortWidth(S, 1, 1);//设置输出变量1的维数为1维
ssSetNumSampleTimes(S, 1); //设置采样时间，此处为1s。
    ssSetNumRWork(S, 0);//不管
    ssSetNumIWork(S, 0);
    ssSetNumPWork(S, 0);
    ssSetNumModes(S, 0);
    ssSetNumNonsampledZCs(S, 0);
ssSetOptions(S, 0);
//下面可以写全局变量的初始化程序
global_var=1;
}
static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S)//暂时不管
{
    ssSetSampleTime(S, 0, CONTINUOUS_SAMPLE_TIME);
    ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0);
 
}
#define MDL_INITIALIZE_CONDITIONS   /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_INITIALIZE_CONDITIONS)
 
  static void mdlInitializeConditions(SimStruct *S)//暂时不管
  {
  }
#endif /* MDL_INITIALIZE_CONDITIONS */
#define MDL_START  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_START) 
  static void mdlStart(SimStruct *S)//暂时不管
  {
  }
#endif /*  MDL_START */
static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid)//这里填入相关的运算、算法等
{
real_T *para1 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S,0));
real_T *para2 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S,1));
real_T *para3 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S,2));
const real_T *u = (const real_T*) ssGetInputPortSignal(S,0);
real_T       *y1 = ssGetOutputPortSignal(S,0);
real_T       *y2 = ssGetOutputPortSignal(S,1);
y1[0]=u[0]*para1[0]+u[1]*para2[0];
y2[0]=u[1]*para3[0]+u[0]*para1[0];
}
#define MDL_UPDATE  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_UPDATE)
 
  static void mdlUpdate(SimStruct *S, int_T tid)
  {
  }
#endif /* MDL_UPDATE */
#define MDL_DERIVATIVES  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_DERIVATIVES)
  static void mdlDerivatives(SimStruct *S)
  {
  }
#endif /* MDL_DERIVATIVES */
static void mdlTerminate(SimStruct *S)//这里需要把global变量全部初始化，否则下次运行程序时，全局变量还是之前的值。
{
}
 
#ifdef  MATLAB_MEX_FILE    /* Is this file being compiled as a MEX-file? */
#include "simulink.c"      /* MEX-file interface mechanism */
#else
#include "cg_sfun.h"       /* Code generation registration function */
#endif

 b. 编译

在matlab的command window 里面输入“mex test.c”，即可将test.c编译为mex文件。

c.调用sfunction

在simulink空间里面拉入sfunction，在s-function name里面填入test，参数里面填入要设定的参数，然后仿真即可。