(完整版)子系统与模块封装技术,S-函数编写-SIMULINK高级仿真
仿真_6_SIMULINK_子系统和封装共37页文档
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
有 久久不会退去的余香。
仿真_6_SIMULINK_子系统和封装 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
Simulink仿真入门到精通（十）S函数
Simulink仿真⼊门到精通（⼗）S函数10.1 S函数概述S函数也称为Simulink中的系统函数，是⽤来描述模块的Simulink宏函数，⽀持M、C等多种语⾔。
当Simulink默认的模块不能满⾜⽤户的需求时，⽤户可以通过S函数⾃⼰打造⼀个模块，实现⾃定义的算法或期待的动作。
10.2 S函数的类型S函数有多种类型，按照语⾔分类有M、C、C++、Fortran等编写的；按照所⽀持功能多少分类，包括Level1和Level2；按照执⾏⽅式分类，可分为直接解释运⾏的M S函数和编译为Mex⽂件后执⾏的C Mex S函数。
Level1 M S函数输⼊输出端⼝最多位1且数据维数固定，Level2 M S函数的输⼊输出端⼝个数可以为多个，数据维数也可以动态改变。
编写⼀个既能⽤于仿真⼜能⽤于代码⽣成的算法时，需要给S函数编写同名的TLC⽂件。
由于M语⾔需要调⽤MATLAB解释器，故C Mex S函数运⾏速度⽐M S函数更快。
10.3 S函数的要素⼀个Simulink模块包括输⼊、输出以及内部的状态量。
除了3要素之外，还有⼀个⽆处不在的时间量。
所谓状态量，根据系统性质分为连续系统中的微分量和离散系统中的差分量。
dx/dt=f(t,x,u)y=g(t,x,u)10.4 S函数的组成及执⾏顺序执⾏顺序：main{初始化模型;计算下⼀个采样时间点（⼤步长）;while(未到达仿真终⽌时间）{计算模块的输出;更新离散状态量;if(此模型带有连续状态模块){here:计算微分;计算模块的输出;if(精度未达标)goto here;过零检测;计算写⼀个采样时间点（⼤步长）;}}执⾏仿真终⽌动作;}仿真运⾏时，模型⾸先要对模块进⾏初始化，这个过程包括模块的实例化：输⼊/输出端⼝、信号唯独、端⼝数据类型及采样时间等的确定，模块参数的获取及个数检查，并决定模块的执⾏顺序等。
实例化：Simulink标准库中提供的模块类似于C++等⾯向对象语⾔中的⼀个类，每当模块被拷贝或拖曳到模型中时，就相当于创建了这个类的⼀个对象，继承了这个类的属性并载⼊了默认的构造函数⽅法对其参数、端⼝等各个属性进⾏了初始化⼯作。
SimulinkS-Function编程（C语言）与模块封装技术1．S-Function概念S
Simulink S-Function 编程（C语言）与模块封装技术1．S-Function概念S-Function（System function）是Simulink模块的计算机语言描述。
可以用M、C/C++、Ada、Fortran 语言以MEX（Matlab Executable，MATLAB可执行文件，在Windows系统中就是其为DLL）文件的形式编写。
S-Function以特殊的方式与Simulink方程求解器交互。
这种交互和Simulink内建模块的做法非常相似。
S-Function模块可以是连续、离散或者混合系统。
通过S-Function，用户可以将自己的模块加入Simulink模型中。
从而可以实现用户自定义的算法或者与硬件设备交互等。
2．S-Function工作机制2.1 Simulink模块的数学描述Simulink模块包括一系列输入、状态和输出。
输出是采样时间、输入、模块状态的函数。
下面的方程描述了输入、输出和状态的数学关系。
2.2 仿真过程Simulink模型的执行按下述几个步骤。
首先是初始化阶段。
在这一阶段Simulink将库模块集合到模型，传播宽度、数据类型和采样时间，评估模块参数，确定模块执行顺序，分配内存。
然后是仿真阶段。
此时Simulink进入一个仿真循环，循环的每次执行对应一个仿真步。
在每个仿真步，Simulink按初始化阶段确定的顺序执行各个模块。
对每个模块，Simulink计算模块在当前采样时间的状态、微分和输出。
这将持续到仿真结束。
图1描述了Simulink的仿真过程。
图1 Simulink执行仿真的步骤2.3 S-function的回调（Callback）方法S-function包括一系列的回调方法，用以执行每个仿真步骤所需的任务。
在一个模型的仿真过程中，每个仿真步骤，Simulink将调用各S-function的适当方法。
S-function执行的方法包括：●初始化：在首次仿真循环中执行。
用S函数编写Simulink模块
《通信系统仿真》实验报告一、实验目的1、掌握S函数的结构和标准接口2、掌握S函数的编程方法3、掌握用S函数编写Simulink仿真模块的方法4、掌握S函数在Simulink仿真中的应用二、实验原理为了将系统数学方程与系统可视化模型联系起来，在Simulink中规定了固定的接口函数的形式，称为S函数，一切Simulink可视化模型都是基于S函数实现的。
系统可视化描述的直观性是以牺牲数学描述的简洁性为代价。
通过编写和使用S函数，用户也可以构建出采用Simulink的灵活性。
S函数可以用Matlab语言书写，也可以采用C++等语言编写。
S函数还可以进行编译，以提高执行速度。
Simulink内建的标准模块库就是用S函数编写并进行编译后形成的三、实验内容1、用S函数实现一个限幅器，当输入信号值小于设定的最小门限值时，输出为最小门限值；当输入信号值大于设定的最大门限值时，输出为最大门限值；如果信号值介于最小门限和最大门限之间，则直通。
写出限幅器的数学模型，对S函数实现的模块进行封装，要求能够在封装对话框中设置限幅的门限。
给出测试系统和测试仿真结果，并与Simulink基本库中的Saturation模块进行对比。
实验代码：function [sys,x0,str,ts]=xianSfun(t,x,u,flag,max,min)switch flag,case 0 %flag=0 初始化sizes= simsizes; %获取simulink仿真变量结构sizes.NumContStates = 0; %连续系统的状态数为0sizes.NumDiscStates = 0; %离散系统的状态数为0sizes.MumOutputs = 1; %输出信号数目是1sizes.MumInputs = 1; %输入信号数目是1sizes.DirFeedthrough = 1; %该系统是直通的sizes.NumSampleTimes = 1; %这里必须为1sys= simsizes(sizes);str = []; %通常为空矩阵x0 =[]; %初始状态矩阵x0ts =[0 0]; %采样时间有外部模块给出%限幅器函数--------------------------------------case 3 %flag=3 计算输出if u>maxsys=max;elseif u<minsys=min;elsesys=u;endcase {1,2,4,9} %其他不做处理的flag sys=[];otherwise %异常处理error(['Unhandled flag=',num2str(flag)]);end%主函数结束---------------------------------------仿真模型：运行结果：实验结论：限幅器的作用是限幅，输入幅度为2的余弦波，通过门限为0.5和-0.5的限幅器后，幅度大于0.5和幅度小于-0.5的部分都被限制了，即不能输出。
Simulink 第八章 子系统及其封装技术
m 3 3 k 3 ( x 2 x 3 ) 0 x 3 x 1 m3
m3
k 3 ( x 2 x 3 )
单个质量的运动方程：
n x
1 mn
k n ( x n 1 x n ) k n 1 ( x n 1 x n )
0
Left Disp Right Spring-mass1 Left Disp Right Spring-mass2 Left
0.4
Displacement
Scope
Gain
0.8
Gain1
操作步骤： （1）使用范围框将要压缩的子系统的部分选中，包括木块和信 号线；（注意：只能使用范围框，而不能使用 Shift逐个 选定） （2）在模块窗口选项中选择【Edit>Creat Subsystem】， Simulink 将会用一个子系统模块代替被选中的模块组； （3）进行模型美观调整。
作业：
封装第六章所建立的蹦极系统。要求：封装后的蹦极 子系统只有一个输出端口，封装后子系统的参数设置包括 蹦极者的体重、弹性绳索的弹性常数。通过仿真分析蹦极 系统在下述情况下是否安全，并绘制响应的响应曲线： （1）蹦极者体重 80 kg，弹性绳索的弹性常数为 30； （2）蹦极者体重 70 kg，弹性绳索的弹性常数为 20。
Simulink子系统技术
块库中的Subsystem模块建立子系统，首先构成系统的整体模型，然后编辑空的子
系统内的模块。注意，对于多输入与多输出子系统而言，需要使用Sources模块库
中的In1输入虚模块与Sinks模块库中的Out1输出虚模块来实现。
•
双击子系统图 标进行编辑
首先建立空的子系统， 然后对其进行编辑
图7.2 子系统建立：生成空子系统 并编辑
辑。
•
(3) 子系统的输入：使用Sources模块库中的Inport输入模块（即In1模块）作为
子系统的输入端口。
•
(4) 子系统的输出：使用Sinks模块库中的Outport输出模块（即Out1模块）作为
子系统的输出端口。
7.2 Simulink高级子系统技术
•
条件执行子系统的执行受到控制信号的控制，根据控制信号对条件子系统执行的
发子系统为一原子子系统。
•
在Simulink中有两种方法可以建立原子子系统：
•
(1) 建立一个空的原子子系统。
•
(2) 将已经建立好的子系统强制转换为原子子系统。
建立空原子 子系统并进
行编辑
强制转换已有 的子系统为原
子子系统
图7.11 原子子系统的建立方法
• 7.2.6 其它子系统介绍
•
在Simulink Block Library（Simulink模块库，版本4.1）中的Subsystems子系统模
人口动态变化的非线性离散模型生成包含所选模块组的子系统选择需要封装的子系统单击鼠标右键选择masksubsystem或是使用edit菜单项中的相应命令以封装子系统选择需要封装的子系统单击鼠标右键选择masksubsystem或使用edit菜单项中的相应命令以封装子系统图14子系统封装流程示意图32封装编辑器之图标编辑对话框当选择masksubsystem菜单命令进行子系统封装时将出现如图15所示的封装编辑器并显示图标编辑对话框
第6讲 Simulink子模块封装及S函数
几个常用的输入输出模块的使用
• • • • To Workspace: 参见PID_2 To File：参见PID_3 From File：参见ex_4 From Workspace：参见ex_5
Structure Array结构数组（P25）
student = struct('name','Tom','score',[80 86 97]) student(2).name='Jack'; student(2).score=[60 70 100] student(3)=struct('name','Mary','score',[59 81 91])
< > 主菜单 退出
5.2 模块的封装
选中Subsystem功能模块，再打开 Edit菜单中的Mask Subsystem进入 mask的编辑窗口
5.2 模块的封装
• • • • Icon：设定功能模块的外观。 Parameters：设定输入数据窗口 Initialization：设定输入数据的初始值 Documentation：设计模块的文字说明
Simulink动态系统仿真２
完成下列练习并回顾上次课内容
1. 已知某二阶系统的开环传递函数为：
25 G(s)= 2 s s 25
用Simulink搭建该对象的开环单位阶跃响应 模型．
完成下列练习并回顾上次课内容
2.
25 G(s)= 2 s s 25
对该对象施加PID控制作用（要求利用Gain， Integer，Derivative模块自己搭建PID控制 器），用Simulink构建该系统的单位负反馈 模型，调整PID参数，并观察结果．
数学模型的simulink实现子系统S函数
时变系统的仿真
例5-5已知受控对象模型 y(t) e0.2t y(t) e5t sin(2t 6) y(t) u(t)
考虑一个PI控制系统模型如图
其中Kp=200,Ki=10，饱和非线性的宽度为 2
试分析闭环系统的阶跃响应曲线。
首先先要将被控对象变换成一阶微分方程组
取状态变量
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然后在MATLAB命令窗口进行
---电气工程系研究生
MATLAB教程
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---电气工程系研究生
多采样速率系统的仿真
例5-6假设在如图给出的双环电机控制系统中，内环为电流环，采样速率 为T1=0.001s，控制器模型为D1(z)=(0.0967z-0.0965)/(z-1)，控制器外 环的采样周期为T2=0.01s，控制器模型为D2(z)=(5.2812z-5.2725)/(z1).
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Simulink建模的基础知识（简介，模块） >>open_system(simulink)%打开模型库
或 >>simulink
Simulink建模与仿真（步骤、仿真算法与控制参数）
除了用simulink菜单启动系统仿真的进程外，还可以调用sim()函数来进行仿真分 析，调用格式为：
x(t) y(t) z(t)
y(t) x(t) ay(t)
z(t) b [x(t) c]z(t)
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---电气工程系研究生
Out端口可向MATLAB工作空间中返回两个变量，tout和yout，其中tout为列向量，表示 各个仿真时刻，yout为列向量（本例中使用三个单信号out口，则为三列）。该电路 仿真完成后，可以在MATLAB命令窗口使用绘图语句显示波形：
第7章simulink子系统-PPT精品
如下两种方法： (1) 在已经建立好的系统模型之中建立子系统（如图
7.1所示）。首先选择能够完成一定功能的一组模块， 然 后 选 择 Simulink 模 型 创 建 编 辑 器 中 Edit 菜 单 下 的 Create Subsystem，即可建立子系统并将这些模块封装 到此子系统中，Simulink自动生成子系统的输入与输出 端口。
第7章 技Simulink子系统术
(4) 下方使能子系统中饱和模块（Saturation），其参 数设置为：饱和上限为0.75，饱和下限为-0.75。
(5) 偏移常数信号，其参数设置分别为[2 0]与[0 2]， 如图7.4中系统模型所示。
(6) 系统输出Scope模块参数设置，如图7.6所示。 系统仿真参数设置如下：
第7章 技Simulink子系统术
7.2.4 触发使能子系统 在介绍条件执行子系统时已经提到，对于某些条
件执行子系统而言，其控制信号可能不止一个。在很 多情况下，条件执行子系统同时具有触发控制信号与 使能控制信号，这样的条件执行子系统一般称之为触 发使能子系统。顾名思义，触发使能子系统指的是子 系统的执行受到触发信号与使能信号的共同控制，也 就是说，只有当触发条件与使能条件均满足的情况下， 子系统才开始执行。触发使能子系统的工作原理如图 7.10所示。
(1) 仿真时间：设置仿真时间范围为0至20 s。 (2) 求解器设置：采用默认设置，即连续变步长，具 有过零检测能力的求解器。
第7章 技Simulink子系统术
同时显示三个 示波器以输出
三组信号
标记所有的示 波器坐标系
图7.6 Scope模块参数设置
子系统与模块封装技术,S-函数编写-SIMULINK高级仿真
实验三：SIMULINK高级仿真技术实验—子系统与模块封装技术，S-函数编写一、子系统与模块封装技术应用1、建立如图所示的模型，选择输入输出模块之间的所有模块对象创建子系统，得到创建带有子系统的模型和子系统模型。
lab1_1B.mdl Terminator2、线性系统由下列微积分方程组成：1122231312322123535x x x x x x u x x x x u y x u u=-+⎧⎪=--+⎪⎨=---+⎪⎪=-+-⎩（1） 采用积分器方法在SIMULINK 上建立模型。
（2）对上述模型进行子系统封装，要求子系统的输入信号两个u1和u2，输出信号有四个x1，x2，x3和y 。
lab1_2B.mdl二、基于SIMULINK 的微分方程求解： 1、考虑下面给出的微分代数方程：11231222122321230.20.325210x x x x x x x x x x x x x x x =-++⎧⎪=--⎨⎪++-=⎩已知初始条件为123(0)0.8,(0)(0)0.1x x x ===。
在SIMULINK 上搭建微分代数方程的仿真模型，利用MATLAB 的函数模块进行编程，并对系统进行仿真。
-0.4-0.20.20.40.60.812、延迟微分方程的SIMULINK 求解。
考虑下面给出的延迟微分方程式：3()13()(1)0.2(0.5)(0.5)()3()2()4()x t x t y t x t x t y t y t y t x t =-------⎧⎨++=⎩要求：（1）建立延迟微分方程的SIMULINK 模型（2） 在阶跃输入下的系统状态变量和输出响应曲线，并在图上标注(),()x t y t 。
0123456789100.050.10.150.20.250.30.350.4tx &y三、双输入双输出系统的状态方程表示为：2.255 1.250.5462.25 4.25 1.250.25240.250.5 1.251221.25 1.750.250.75020001022x x u y x ---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦输入信号分别是sin(),cos()t t ，要求：（1） 在SIMULINK 搭建上述多变量系统仿真模型，并利用MATLAB 语言绘制系统的输出曲线和状态曲线。
matlabsimulink子系统的封装
matlabsimulink⼦系统的封装⼦系统的封装的意义⼦系统封装技术可以让⼀个⼦系统有⾃⼰的特点。
封装后的⼦系统可以有⾃⼰的图标、⾃⼰的参数和具有功能描述的控制对话框，甚⾄⾃⼰的help⽂档，同时参数的修改更为⽅便（不⽤深⼊⼦系统，只需在对话框中修改便可），内部结构也不易被修改。
封装技术的简要介绍封装是在Mask Editor中进⾏的。
要打开Mask Editor，需要两步：①选中要封装的⼦系统；②选择菜单Edit->Edit Mask或者右键菜单中的Edit Mask。
Mask Editor的样⼦如下：图⼀可见，Mask Editor中共有如下四个选项页：●Icon&Port，主要是对⼦系统的外观图标进⾏设置；●Parameters，主要对封装⼦系统的参数进⾏设置。
如果⼦系统中有⼀个或多个模块需要⼿动设置参数，那么在仿真之前需要进⼊到⼦系统⾥⾯去对这些模块分别进⾏参数设计，很⿇烦。
⽽⽤Mask Editor中的Parameters设置参数，使这些参数能够将参数值传⼊到subsystem的模块中去。
这样就可以直接对subsystem进⾏参数设计，既明了⼜⽅便；●Initialization，提供了⼀个Matlab语⾔命令框，可以在其中写⼊⼀些程序，当⼦系统有被载⼊、改变参数或初始化等情况发⽣时，Simulink会⾃动执⾏这些程序。
所以可以将⼀些仿真前需要对subsystem做的设置，以程序的形式写⼊到编辑框内来实现；●Documentation，编辑⼦系统的描述和⽣成help⽂档。
注意：左下⾓的Unmask按钮可以取消对subsystem的封装。
详细阐述下⾯对这四个选项页进⾏详细阐述，由于Icon&Port和Documentation对subsystem的功能影响不是很⼤，故只做简要介绍，详细内容参考help⽂档。
Icon&port如图⼀所⽰，该选项页有三部分：Options、Icon Drawing Commands和Examples of drawing commands。
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实验三：SIMULINK高级仿真技术实验—子系统与模块封装技术，S-函数编写
一、子系统与模块封装技术应用
1、建立如图所示的模型，选择输入输出模块之间的所有模块对象创建子系统，得到创建带有子系统的模型和子系统模型。
lab1_1B.mdl Terminator
2、线性系统由下列微积分方程组成：
1
1
2
2
2
3
1
3
1
2
3
2
2
1
2
3535x x x x
x x u x x x x u y x u u
=-+⎧
⎪=--+⎪⎨
=---+⎪⎪=-+-⎩&&&
（1） 采用积分器方法在SIMULINK 上建立模型。
（2）对上述模型进行子系统封装，要求子系统的输入信号两个u1和u2，输出信号有四个x1，x2，x3和y 。
lab1_2B.mdl
二、基于SIMULINK 的微分方程求解： 1、考虑下面给出的微分代数方程：
1
1
2
3
12
2
2
1
2
2
3
2
1
2
3
0.20.325210x x x x x x x x x x x x x x x =-++⎧⎪
=--⎨⎪++-=⎩
&&
已知初始条件为12
3
(0)
0.8,(0)(0)0.1x x x ===。
在SIMULINK 上搭建微分代数方程的仿真模型，利用MATLAB 的函数模块进行编程，并对系统进行仿真。
-0.4
-0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
2、延迟微分方程的SIMULINK 求解。
考虑下面给出的延迟微分方程式：
3
()13()(1)0.2(0.5)(0.5)()3()2()4()x t x t y t x t x t y t y t y t x t =-------⎧⎨
++=⎩
&&&& 要求：（1）建立延迟微分方程的SIMULINK 模型
（2） 在阶跃输入下的系统状态变量和输出响应曲线，并在图上标注
(),()x t y t 。
01234
5678910
0.050.10.150.20.25
0.30.350.4t
x &y
三、双输入双输出系统的状态方程表示为：
2.255 1.250.54
62.25 4.25 1.250.25240.250.5 1.251221.25 1.750.25
0.750200010
2
2x x u y x ---⎡⎤⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥---⎢
⎥⎢
⎥=+⎢⎥⎢⎥---⎢
⎥⎢
⎥---⎣⎦⎣⎦
⎡⎤
=⎢
⎥⎣⎦
& 输入信号分别是sin(),cos()t t ，要求：
（1） 在SIMULINK 搭建上述多变量系统仿真模型，并利用MATLAB 语言绘制
系统的输出曲线和状态曲线。
lab3_1mdl+initialab3.m+plotlab4.m
State
t
x
01234
5678910
-4
-3-2-1
Out
t
y
（2）在SIMULINK 上搭建如图所示的仿真模型，用MATLAB 语言编写S-函数（lab4sf12），绘制系统的输出曲线和状态曲线。
lab3_2.mdl+lab3sf.m+plotlab4.m
四、利用S-函数设计跟踪微分器，跟踪微分器是为了减少噪声放大效应提出的，根据功能划分为两个环节即：
2
1
2
2
2
(),()2r
w s w s s s rs r
==++
其中1()w s 的阶跃响应保证无超调达到设定值，并随r 的增大加快到达设定值。
整个跟踪微分器为1
2
()
()()w s w s w s =g ，写成状态空间的形式为：
1
2
2
2
1
2
()2v v v
r u v r v =⎧⎨
=--⎩&&g
要求：
（1） 在SIMULINK 上建立下列的跟踪微分器仿真模型。
（2）编写M文件的S函数——active_control_lab4sf22。
先把
12
2
212
()2
v v
v r u v r v
=
⎧
⎨
=--
⎩
&
&g写成状态方程形式。
r=60
r=120
r=10
五、基于SIMULINK 的动态系统仿真应用：某控制系统的传递函数为：
要求：（1）在SIMULINK 上建立仿真模型
（2）用示波器观察记录下单位阶跃信号下响应曲线
lab331.mdl
s+30s +23s
2Transfer Fcn
Step
Scope
2
()()30
,()()1()23Y s G s s G s X s G s s s
+==++。