SIMULINK中自定义模块的创建与封装.pdf

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1、系 统 仿 真 学 报 Vol.16 No.3 March.2004 SIMULINK中自定义模块的创建与封装 胡琳静,孙政顺（清华大学自动化系.北京 100084）摘 要：介绍 SIMULINK 中用 S-函数（System Function）创建和封装用户自定义算法模块的方法，并利用 S-函数基本的程序框架资源，编写了实现跟踪-微分器算法的 M 源文件，应用测试模型测试了其准确性。这一具体实例表明，SIMULINK 中 S-函数自定义算法模块可以大大减少工程人员的编程工作量，简化复杂模块组的搭建，并实现动态仿真过程的可视化，一方面简化了数字仿真过程，另一方面又扩展了 SIIMULINK 的

2、应用领域。关键词：SIMULINK；S-函数；自定义模块；M 源文件 文章编号：1004-731X（2004）03-0488-04 中图分类号:TP391 文献标识码:A Build and Encapsulate Custom Block in SIMULINK HU Lin-jing,SUN Zheng-shun（Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084,China）Abstract：The method to build and encapsulate user custom algorithmic block

3、 is presented using S-Function in SIMULINK.We programmed efficiently M resource file to perform algorithmic based on the program frame of S-Function.The program is proven valid by testing model.The example presents that S-Function custom algorithmic block can reduce the programming engineers，workloa

4、d,and simplify complex blocks group.In addition,it can visualize a process being simulated.S-Function extends application fields of SIMULINK as well as simplifies digit simulation course.Keywords：simulink;s-function;custom block;m source file 引 言1 SIMULINK 是窗口环境下面向对象的一种动态系统仿真软件，从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，

5、首先，“SIMU”一词表明它可以用于计算机仿真，而“LINK”一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。SIMULINK 作为对 MATLAB 语言运算环境的扩展，在保持 MATLAB 一般性能基础上，结合工具箱的使用，可以完成对连续系统、离散系统、连续与离散混合系统的动态性能的仿真与分析，并且可以观察仿真的执行过程，仿真结果在仿真结束时还可以利用变量存储在MAMTLAB的工作间中，也正是由于这些卓越的功能，使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。SIMULINK 采用系统模块直观地描述系统典型环节，其模块库中提供了丰富的模块，包括信号源模块

6、组（Sources）、输出池模块组（Sinks）、连续模块组（Continuous）、离散模块组（Discrete）、数学运算模块组（Math）、非线性模块组（Nonlinear）、函数与表格模块组（Function&Tables）、信号与系统模块组（Signals&Systems）、和子系统模块组（Subsystems）几个部分，此外还有和各个工具箱与模块集之间的联系构成的子模块组。尽管如此，并非所有的数学模型 收稿日期：2002-12-06 修回日期：2003-02-28 作者简介：胡琳静（1975-），女，硕士生，研究方向为控制系统的仿真;孙政顺（1945-），男，清华大学自动化系副教授

7、，实验中心主任，研究方向为控制理论与控制工程。都能利用 SIMULINK 模块轻易搭建起来，有的模型可能更适合于 MATLAB或 C 语言的编写方法，因此，用户仍然需要定义自己的模块，实现特殊的算法、特定功能的子系统以及仿真过程的图形动画等等。S-函数正好弥补了这一不足，它提供了扩展 SIMULINK 功能的有力工具，并且支持参数传递。用户可以建立一个能和 SIMULINK 模块库中的模块一起使用的新模块，利用封装产生一个与 S-函数文件相对应的对话框和模块图标，不断扩充 SIMULINK 的仿真功能。1 S-函数 S-函数实质上是具有特殊调用格式的 MATLAB函数，它使用特定的语法使动态系

8、统具有交互功能，以连续、离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应，表征系统动态特性。在仿真过程中，用户使用 S-函数，特别与下列情况有关系：增加一个模块函数至 SIMULINK，将一部分 C语言程序代码加入模型中，以数学方程形式描述系统，以及应用图形制作等等。SIMULINK 模型内的每个模块都有如下特征：输入向量u，输出向量 y，状态向量 x，这些不同向量之间的关系用如下等式来描述：0(,)yft x u=(,)cdxft x u=?1(,)kuxft x u+=Vol.16 No.3 March.2004 胡琳静,等：SIMULINK 中自定义模块的创建与封装 489 其中:x=

9、ckxx 状态向量由两部分组成：第一部分表示连续状态；第二部分表示离散状态。若模块不包含状态变量，则 x 是空向量。仿真过程中，SIMULINK 自始至终在向量更新阶段产生重复调用，这些任务一般由 S-函数的子程序完成，每个子程序常以 mdl开头。由 S-函数语法指定的 M 文件格式如下：function sys,x0,str,ts=function-name(t,x,u,flag,p1,pn)其中：t,x,u,flag：通过系统赋给S-函数的默认驱动变量，分别为时间、状态向量、输入向量和子程序调用标志，见表 1；p1,pn：用户自定义参数表，也就是希望赋给 S-函数的可选变量，其值通过相应的

10、对话框设置；sys：系统信息矩阵返回值，取决于 flag 值。当 flag=0时，sys(1)=连续状态数；sys(2)=离散状态数；sys(3)=输出数；sys(4)=输入数；这四个值可以置为-1，使其大小动态改变。flag为其它值时的实际长度等于输入 u；sys(5)=0为 root finding 保护；sys(6)=direct feedthough标志，1表示“yes”，0表示“no”；sys(7)=采样时间常数，等于 ts 的行数。x0：初始状态值；str：状态有序串，通常为空；ts：包含采样时间和状态复位信息的两列矩阵。以上参数中，t，x，u，flag 由 SIMULINK 自动

11、传给 S-函数。表1 标识器flag的含义 M 文件 标识阶段 调用“C-MEX file”函数 返回结果 模拟阶段 0 mdlInitializeSizes sizes,x0,str,ts 初始化 1 mdlDerivatives dx 连续状态更新 2 mdlUpdate ds 离散状态更新 3 mdlOutputs y 输出计算 4 mdlGetTimeOfNextVarHit rnext 下一采样计算（可选）9 mdlTerminate 仿真结束 2 S-函数M源文件的编写 在 SIMULINK 中，每个模块都对应一个 S-函数源文件，这些源文件具有一定的格式，可以用 M文件编写，也可

12、用 C或者 FORTRAN 文件编写，但都必须符合S-函数标准。用户根据需要创建自定义模块的关键也就在于 S-函数的正确编制及调用。在这里，主要以韩京清研究员及其合作者提出的微分-跟踪器2的设计及仿真为例，建立一个 SIMULINK 自定义模块，演示 S-函数的编写及应用。首先考虑微分-跟踪器，其离散实现为：x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tfst(x1(k),x2(k),u(k),r,h)式中，T 为采样周期，u(k)为第 k 时刻的输入信号，r 决定跟踪快慢的参数，而 h 为输入信号被噪声污染时，决定滤波效果的参数。fst 可以由下面的式子计算：=rh，

13、0=h，y=x1-u+hx2，a0=(2+8r|y|)1/2 当|y|?0时，a=x2+y/h 当|y|0时，a=x2+0.5(a0-)sign(y)当|a|?时，fst=-ra/当|a|时，fst=-rsign(a)/可以看出该算法涉及比较多的参数和代数关系，用Simulink 模块搭建起来比较困难，因此，我们利用 S-函数创建自定义模块 微分-跟踪器，其 S-函数 M源文件的编写过程如下：function sys,x0,str,ts=han_td(t,x,u,flag,r,h,T)switch flag,case 0%初始化 sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes

14、(T);case 2%离散状态更新 sys=mdlUpdates(x,u,r,h,T);case 3%输出量计算 sys=mdlOutputs(x);case 1,4,9%未使用的 flag值 sys=;otherwise%处置错误 error(Unhandle flag=,num2str(flag);end%*%mdlInitializeSizes 当 flag为 0 时进行整个系统的初始化%*function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes(T)%首先调用simsizes函数得出系统规模参数 sizes,并根据离散%系统的实际情况设置 sizes 变量 s

15、izes=simsizes;%读入初始化参数模板 sizes.NumContStates=0;%无连续状态 sizes.NumDiscStates=2;%有两个离散状态 sizes.NumOutputs=2;%输出是两个量，跟踪信号和微分信号 sizes.NumInputs=1;%系统输入信号一路 sizes.DirFeedthrough=0;%输入不直接传到输出口 sizes.NumSampleTimes=1;%单个采样周期 sys=simsizes(sizes);%根据上面的设置设定系统初始化参数 x0=0;0;%设置初始状态为零状态 str=;%将 str 变量设置为空字符串即可 ts=

16、-1 0;%采样周期，设它能继承上一级默认值%*Vol.16 No.3 系 统 仿 真 学 报 March.2004 490%mdlUpdate flag值为 2 时，更新离散系统的状态变量%*function sys=mdlUpdates(x,u,r,h,T)sys(1,1)=x(1)+T*x(2);sys(2,1)=x(2)+T*fst2(x,u,r,h);%*%mdlOutputs flag值为 3 时，计算输出变量：返回两个状态%*function sys=mdlOutputs(x)sys=x;%*%用户定义的子函数：fst2%*function f=fst2(x,u,r,h)delt

17、a=r*h;delta0=delta*h;y=x(1)-u+h*x(2);a0=sqrt(delta*delta+8*r*abs(y);if abs(y)=delta0 a=x(2)+y/h;else a=x(2)+0.5*(a0-delta)*sign(y);end if abs(a)=delta f=-r*a/delta;else f=-r*sign(a);end 我们将该程序以文件名 han_td.m 保存，从程序及其注释可以看出 S-函数 M源文件编写的一般框架，就是在主程序中根据需要调用有关子程序。在这里，通过正确编写 flag=0、2、3 标识的初始化、离散状态更新、输出计算等各阶

18、段，就能够实现微分-跟踪器的算法。该自定义模块的创建不仅能充分演示 S-函数的使用，简化 SIMULINK 模块的搭建，也能为某些系统的控制提供较好的解决方案。用 S-函数除了实现算法，产生用户自定义运算模块以外，在 SIMULINK 动态模型仿真中，我们还可以使用 MATLBA句柄图形在 S-函数中创建动画，使被仿真的过程可视化。动画 S-函数是没有状态没有输出的 S-函数，因此是自定义阱点Sinks。动画 S-函数有两个主要部分：Initialization和 Update，保持 M 源文件的基本框架不变，编程的核心应集中在Initialization 和 Update，在 Initial

19、ization 中创建图形窗口和运动物体，在 Update中改变物体的属性促使物体以 S-函数模块输入的函数方式运动或改变。动画 S-函数通常用于比较复杂的动态系统仿真中，涉及比较多的参数，编程过程参见文献1。在高版本的 SIMULINK 中还可以应用 Animation Toolbox工具箱实现动态仿真过程的可视化，这里不做赘述。3 模块的封装与测试 封装一组象 S-函数这样的块是 SIMULINK 很重要的功能。封装是为了完成一个特定的任务（如特殊算法、信号发生等）。从封装中可以看到连接每个用户域的特定模块的产生、对话框数目的减少、分层结构的组织方法，以及SIMULINK 模型的简化。当我

20、们根据需要按照上述框架编好 S-函数后，就可以对这些能实现特殊算法的模块进行封装和测试了，其步骤是：1）向模型窗口中加入 S-function 模块，双击该模块，打开参数设置对话框（Block Parameters），输入源文件名和用户定义的参数；2）选择该模块，按 Ctrl+M（或者点击右键），打开封装编辑器（Mask Edition）。在 Mask type 编辑框中输入模块类型名；在 Icon 页中 MATLAB 的有关绘图命令绘制模块图标；在 Initialization页中添加用户定义的变量参数，必要时对变量初始化；在 Documentation页中添加模块的说明和帮助文档；3）给模

21、块命名（注意：模块与 M源文件不能同名）；4）建立一个简单的仿真模型框图，测试模块功能。新模块创建成功后，可以连同 S-函数 M 源文件拷贝到其它 SIMULINK 模型中使用。在这里，我们搭建如图 1所示的仿真方框，并存为 ex_han.mdl 文件。双击其中的 S-function模块，将给出如图 2 所示的 S-函数参数设置对话框，在S-function name 栏目填写 han_td,就可以建立起该模块和我们编写的 han_td.m文件之间的联系，在 S-function parameters 栏目还可以给出 S-函数的附加参数，r,h和 T，在 MATLAB工作空间中用命令输入这些

22、参数。为了对模块进行测试，我们用 MATLAB函数的形式建立起输入信号的模块，编写了如下所示的 MATLAB 函数 han_fun()：function y=han_fun(x)if x=2*pi,%第一个周期生成标准的正弦信号 y=sin(x);elseif x=2.5*pi,%本周期内生成三角波，分为三个部分 y=2*(x-2*pi)/pi,elseif x=3.5*pi,y=1-2*(x-2.5*pi)/pi;elseif x=4*pi,y=-2+2*(x-3*pi)/pi;end end 图 1 仿真框图 Vol.16 No.3 March.2004 胡琳静,等：SIMULINK 中自

23、定义模块的创建与封装 491 图 2 参数设置对话框 输入信号选择为一个周期的正弦信号，后接一个周期的三角波信号。设置仿真的终止时间为 4，再进行仿真，就可以得到图 3 所示的各个信号的波形，可以看出采用跟踪-微分器就可以快速地跟踪输入信号，并能立即得出该信号的微分信号。在跟踪-微分器中，由于 r 参数决定跟踪的速度，该值越大则跟踪速度越快，同时不可避免地，在随机扰动下由较大的 r值引起的跟踪误差也增大，因此，这就需要增大 h值来抑制误差。4 结论 本文对仿真软件 SIMULINK 中 S-函数的工作原理、函数格式及其封装过程作了较详细的说明，通过对能实现跟踪-微分器算法的自定义模块的 M源文

24、件的编写，充分展示了 S-函数 M源文件的基本框架。在 SIMULINK 框图中，对于其它形式的自定义模块，比如图形动画、差分方程、离散系统方程、或者任意类型的算法，完全可以根据 M文件的基本框架，举一反三，快速实现 SIMULINK 的扩展，使仿真模型具有更强的有可移植性，便于研究分析。图 3 S-函数对给定模块的跟踪和微分 参考文献：1 James B.Dabney,Thomas L.Harman.Mastering SIMULINK2M.Upper Saddle River,N.J:Prentice Hall,1998.2 韩京清，袁露林.跟踪微分器的离散形式J.系统科学与数学，1999

25、，19(3)：268-273.3 王沫然.Simulink 4 建模及动态仿真M.北京：电子工业出版社，2002.4 薛定宇.基于 MATLAB/Simulin 的系统仿真技术与应用.M北京：清华大学出版社，2002.5 姚俊，马松辉.Simulink 建模与仿真M.西安：西安电子科技大学出版社，2002.（上接第 487 页）4 结论 本文针对直埋保温管道由于散热而形成的周围温度场问题，在以下几个方面进行了探讨：1)分析了大气温度周期性变化规律，同时考虑地表对流辐射边界条件；2)分析大地温度波衰减规律，确定终年恒温层；3)考虑大地温度场影响的基础上，建立热介质直埋保温管道传热数学模型；4)计

26、算时考虑管道周围土壤发生热物性非均匀性以及大气温度周期性变化等影响因素，采用有限差分数值方法进行求解；5)以新疆油田 401 直埋保温输油管道为例，数值计算出管道周围温度场值并计算出管道平均散热热流密度。本文在考虑大气温度季节性温度变化对土壤温度场影响的基础上，建立了直埋管道传热模型，将传统的半无限大区域求解简化为有界的矩形区域，从而简化了数值计算过程，并且计算时考虑管道周围土壤发生热物性非均匀性这两个因素的影响。数值计算出的直埋管道周围温度场与实际测出的温度数据基本相符，为此类热力问题提供了一种行之有效的解决途径。参考文献:1 穆树芳.直埋供热管道技术M.北京:中国矿业大学出版社,1997,2-3.2 樊洪明.地下直埋管道的温度场分析J.哈尔滨建筑大学学报,1999,32(5):60-63.3 姜笃志.输油管道非稳定热力过程数值分析J.油气储运,1996,15(8):21-24.4 章熙民.传热学M.北京:中国建筑工业出版社,1993,66-69.5 B.M.阿卡帕金,.克里沃夫舍因.原油和油品管道热力计算M.北京:石油工业出版社,1980,45-46.6 钱壬章,俞昌铭,林文贵.传热分析与计算M.北京:高等教育出版社,1987.7 D.R.克罗夫特,D.G.利.传热的有限差分计算M.北京:高等教育出版社,1980.