用C语言编写S函数在simulink实现仿真

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我是靠谱客的博主冷酷书包，最近开发中收集的这篇文章主要介绍用C语言编写S函数在simulink实现仿真，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

C语言编写s函数

S函数简单介绍

为什么要编写S函数？因为MALTAB提供的模型不能满足用户需求。

Simulink与一个C MEX S-Function之间的相互关系：是通过调用S-Function中的回调函数来实现的。说白了就是调用API函数的过程。

Simulink S函数运行过程：初始化完成之后进入循环，直至结束。初始化设置输入输出参数，采样时间等。循环是更新状态，进行运算等。
在这里插入图片描述

主要使用到的函数

初始化设置使用到的两个函数:
static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)，用于指定输入，输出，以及状态等等

static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S),用于指定采样时间

初始化状态：
static void mdlStart(SimStruct *S),此函数在模型执行开始时调用一次。自己需要初始化的函数可以放在这里面。

输出函数：
static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid),用于计算S函数的输出，算法一般是在这里实现的。

结束函数：
static void mdlTerminate(SimStruct *S)，函数结束时执行的操作，例如释放内存,更新变量等必要操作。

注意事项：

变量设置：mdlOutputs()变量需要全局变量，否则会出现不可知错误。

数据类型需要是real_T 类型。real_T 类型tmwtypes.h中定义。这样定义可以灵活适应更多的平台。可以在16、32、64位的平台使用。real_T的用法基本与和double的用法一致。同理int_T和int用法一致。

S函数代码分析

我们在maltab的工作台的路径下先创建一个test.c，然后在C文件写入代码。

代码写入，使用MEX命令编译C文件，创建C-MEX文件

在simulink中的S-Function调用C-MEX文件。

#include"math.h"
//********************************PID算法部分************************************//
#define OUT_MIN		-1000
#define OUT_MAX		1000
int Error;//偏差
/****************************************************************************************/
//定义PID结构体//
/****************************************************************************************/

typedef struct
{
   volatile double      Proportion;             // 比例常数 Proportional Const
   volatile double      Integral;               // 积分常数 Integral Const
   volatile double      Derivative;             // 微分常数 Derivative Const
   volatile double      Error1;                 // Error[n-1]
   volatile double      Error2;                 // Error[n-2]
   volatile double      iError;                 // Error[n]
   volatile	double      Error_sum;
   volatile	double	    index;                  //积分分离标志
} PID;

//PID指针
PID pid_increase;
PID* sptr_increase=&pid_increase;

//PID初始化
void PID_Init(PID *sptr)
{
		sptr->Derivative=0;//Kd
		sptr->Proportion=0;//Kp
		sptr->Integral=0;//Ki
		sptr->Error2=0;
		sptr->Error1=0;
		sptr->iError=0;
		sptr->Error_sum=0;
        sptr->index=1;
}

//PID输出限幅处理
double PID_OutputLimit(double output)  
{
		
    if (output < OUT_MIN)
	{
        output = (double)OUT_MIN;
    }		
	else if (output > OUT_MAX)
		
	{
        output = (double)OUT_MAX;
    }
    return output;
}

/****************************************************************************************/
//										位置式PID                     					//
//                      	pwm=Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd[e（k）-e(k-1)]
//                                                                                    	//
/****************************************************************************************/
double PID_increase(int iError,PID* sptr) 
{

	double	iIncpid=0;
  sptr->iError=iError;                                    // 计算当前误差
    sptr->iError=iError;
    
   //积分分离处理 
  if(fabs(sptr->iError)> 40) sptr->index=0; 
  else sptr->index=1;
	sptr->Error_sum+=sptr->iError;
  iIncpid=sptr->Proportion * sptr->iError                  // P
         +sptr->Integral * sptr->Error_sum                // I
         +sptr->Derivative * (sptr->iError-sptr->Error1); // D
  iIncpid=PID_OutputLimit(iIncpid);//限幅处理	
  sptr->Error1=sptr->iError;					// 存储误差，用于下次计算							
  return(iIncpid);          // 返回计算值
	
}


//下面是主要编写S函数的部分


#define S_FUNCTION_NAME  test   //修改s函数名称，此处为test
#define S_FUNCTION_LEVEL 2      //不需要改使用LEVEL 2，可以提供更过API函数
#define SAMPLE_TIME 0.01        //自己设置的采样时间

#include "simstruc.h"//必须包含的头文件

//**输出函数：**
static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)
{
    ssSetNumSFcnParams(S, 3); /*设置参数个数，这里为3，分别设置PID的三个参数分别是P I D */
    if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) /*判断参数个数，这里为3 ，在S-Function的对话框里面设置3个*/
    {
        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, 1);//指定输入端口的宽度。0号，1维
    ssSetInputPortRequiredContiguous(S, 0, true); //指定进入端口的信号元素必须是连续的。
    //连续指的是：指定端口的信号元素必须占用内存的连续区域。以便于访问信号指针即可访问信号的元素，可以使用ssGetInputPortSignal访问。
    //指定进入指定端口的信号元素必须占用内存的连续区域。以便于访问信号指针即可访问信号的元素ssGetInputPortSignal
   
    
    //端口的输入用于mdlOutputs或mdlGetTimeOfNextVarHit函数。设置直接馈通标志（1=yes，0=no）   
    ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1);
 
    if (!ssSetNumOutputPorts(S, 1)) return;设置输出变量的个数
    ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1);//指定输入端口的宽度。0号，1维

    ssSetNumSampleTimes(S, 1);//设定的样本采样次数,此处为1次
    ssSetNumRWork(S, 0);//用于mdlInitializeSizes将real_T工作向量元素的数量指定为0，
    ssSetNumIWork(S, 0);//可以不用管，一些清零操作
    ssSetNumPWork(S, 0);//可以不用管，一些清零操作
    ssSetNumModes(S, 0);//可以不用管，一些清零操作
    //如果该选项设置为使用默认SIM状态，并且S函数不使用PWorks，则Simulink将S函数视为内置块。
    ssSetNumNonsampledZCs(S, 0);

    ssSetOptions(S, 0);//有许多选项，使用or连接，采取默认值
}

//指定采样时间函数
static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S)
{
    ssSetSampleTime(S, 0, SAMPLE_TIME);//指定采样时间SAMPLE_TIME也就是0.01 秒，索引从0开始的采样时间段
    ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0);//使用此宏mdlInitializeSizes指定从0开始的采样时间的偏移量。

}



#define MDL_INITIALIZE_CONDITIONS   /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_INITIALIZE_CONDITIONS)
  /* Function: mdlInitializeConditions ========================================
   * Abstract:
   *    In this function, you should initialize the continuous and discrete
   *    states for your S-function block.  The initial states are placed
   *    in the state vector, ssGetContStates(S) or ssGetRealDiscStates(S).
   *    You can also perform any other initialization activities that your
   *    S-function may require. Note, this routine will be called at the
   *    start of simulation and if it is present in an enabled subsystem
   *    configured to reset states, it will be call when the enabled subsystem
   *    restarts execution to reset the states.
   */
//初始化连续和离散状态,此处不使用，使用ssGetContStates(S) or ssGetRealDiscStates(S).访问状态
//例如 real_T *xdisc    = ssGetRealDiscStates(S);
  static void mdlInitializeConditions(SimStruct *S)
  {
  }
#endif /* MDL_INITIALIZE_CONDITIONS */



#define MDL_START  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_START) 

//此函数在模型执行开始时调用一次。自己需要初始化的函数可以放在这里面。*/
  static void mdlStart(SimStruct *S)
  {
      PID_Init(sptr_increase);//PID参数初始化
  }
#endif /*  MDL_START */



//用于计算S函数的输出，算法一般是在这里实现的。
static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid)
{

  real_T *para1 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S, 0));  //获得参数1,P
  real_T *para2 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S, 1));  //获得参数2,I
  real_T *para3 = mxGetPr(ssGetSFcnParam(S, 2));  //获得参数2,D
 
  const real_T *u1 = (const real_T*) ssGetInputPortSignal(S,0);  //获得输入u1
  real_T       *y1 = ssGetOutputPortSignal(S,0);  //输出y1
  sptr_increase->Proportion=(double)*para1;
  sptr_increase->Integral=(double)*para2;
  sptr_increase->Derivative=(double)*para3;
  Error=(int)*u1;
  *y1=(double)PID_increase(Error,sptr_increase);//PID输出
   
}



#define MDL_UPDATE  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_UPDATE)
  /* Function: mdlUpdate ======================================================
   * Abstract:
   *    This function is called once for every major integration time step.
   *    Discrete states are typically updated here, but this function is useful
   *    for performing any tasks that should only take place once per
   *    integration step.
   */ 
   //离散状态通常在此更新，做任何任务都应该更新一次，需要k'kssSetNumDiscStates宏指定它具有离散状态。
  static void mdlUpdate(SimStruct *S, int_T tid)
  {
  }
#endif /* MDL_UPDATE */



#define MDL_DERIVATIVES  /* Change to #undef to remove function */
#if defined(MDL_DERIVATIVES)
  /* Function: mdlDerivatives =================================================
   * Abstract:
   *    In this function, you compute the S-function block's derivatives.
   *    The derivatives are placed in the derivative vector, ssGetdX(S).
   */
  //计算S函数块的导数。
  //*导数被放置在导数向量ssGetdX（S）中
  static void mdlDerivatives(SimStruct *S)
  {
  }
#endif /* MDL_DERIVATIVES */



/* Function: mdlTerminate =====================================================
 * Abstract:
 *    In this function, you should perform any actions that are necessary
 *    at the termination of a simulation.  For example, if memory was
 *    allocated in mdlStart, this is the place to free it.
 */
  //函数结束时执行的操作，例如释放内存等必要操作
static void mdlTerminate(SimStruct *S)
{
    Error=0;
    PID_Init(sptr_increase);
}


/*=============================*
 * Required S-function trailer *
 *=============================*/

#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