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simulink 状态机

randolf2022年6月6日
大约 6 分钟

simulink 状态机

Simulink 状态机

定义

matlab 使用Stateflow图表示有限状态机，由：状态、转移、数据组成。

下面是有限状态机的一个例子：半波整流器。下面这个例子包含两个状态：On、Off。在 On 状态下，图输出信号 y 等于输出 x。在 Off 状态下，输出信号设置为 0。在输入信号跨越某个阈值 t0 时，图在这些状态之间转移。各个状态的动作在仿真的每一时间步都会更新 y 的值。

Stateflow chart with two states

构造 StateFlow

打开 Stateflow Editor

首先确定控制系统的设计逻辑：

  • 要建立周期性或连续时间 Simulink 算法的条件、基于事件和基于时间的逻辑模型，请创建一个可在 Simulink 模型中作为模块进行仿真的 Stateflow 图

    • sfnew rectify     % create chart for simulation in a Simulink model

  • 要为 MATLAB 应用程序设计可重用的状态机和时序逻辑，请创建可作为 MATLAB 对象执行的独立 Stateflow 图。

    • edit rectify.sfx  % create chart for execution as a MATLAB object

Stateflow Editor 的主要组件是对象选项板、图画布和 Symbols 窗格。

  • 图画布是一个绘图区域，您可以在其中通过组合状态、转移和其他图形元素来创建图。
  • 在画布的左侧有一个对象选项板，其中显示了一组可向图中添加图形元素的工具。
  • 在画布的右侧有一个 Symbols 窗格，您可以用它向图添加新数据并解析任何未定义或未使用的符号。
  • image-20210918154018069

添加状态和转移

按照 构造并运行 Stateflow 图open in new window 提示的构建方式，建立模型如下图：

image-20210918154708621

使用 Simulink 进行仿真结果如下：

image-20210918155112486

可以发现仿真结果滤掉了复输入值。

PS：将图作为 Matlab 对象执行

要在 MATLAB 命令行窗口中执行图，请创建一个图对象，并调用其 step 函数。如果您要在 Simulink 模型中对图进行仿真，请参阅 将图作为 Simulink 模块进行仿真open in new window。

进阶操作

状态和转移动作 是您在状态或转移旁编写的指令，用于定义 Stateflow® 图在仿真过程中的行为。

用动作定义图行为

下图中的动作定义了一个以实验方式验证 Collatzopen in new window 猜想实例的状态机。对于给定的数值输入 ，该图通过迭代以下规则计算冰雹序列 ：

  • 为偶数，
  • 为奇数，

Collatz 猜想指出，每个正整数都有一个最终达到 1 的冰雹序列。计算如下：

img

该图由三个状态组成。在仿真开始时，Init 状态初始化图数据：

  • 本地数据 n 设置为输入 u 的值。
  • 当 n 除以 2 时，本地数据 n2 设置为余数。
  • 输出数据 y 设置为 false。

根据输入的奇偶性，图转移到 Even 或 Odd 状态。当状态活动在 Even 和 Odd 状态之间切换时，图会计算冰雹序列中的数字。当序列达到 1 值时，输出数据 y 变为 true，并触发 Simulink® 模型中的 Stop Simulationopen in new window (Simulink) 模块。

状态动作类型

状态动作定义当状态被激活时 Stateflow 图的动作。最常见的状态动作类型是 entry、during 和 exit 动作。

状态动作类型缩写说明
entryen当状态被激活时，动作在时间步上发生。
duringdu当状态已激活并且图未转移出该状态时，动作在时间步上发生。
exitex当图转移出状态时，动作在时间步上发生。

您可以通过状态动作的完整关键字（entry、during、exit）或其缩写（en、du、ex）指定状态动作的类型。您还可以使用逗号组合各状态动作类型。例如，组合类型 entry,during 当状态被激活时在时间步上发生，并且在状态保持激活时在每个后续时间步上发生，也就是说逗号串联的状态动作为并列关系，类似于 Mathematica 的 case 的匹配序列。

下面是上面仿真图的状态动作的说明：

image-20210918160555285

转移动作的类型

转移动作定义当转移出激活状态时 Stateflow 图执行的动作。最常见的转移动作类型是条件和条件动作。要指定转移动作，请使用采用以下语法的标签：

[condition]{conditional_action}

condition 是布尔表达式，用于确定是否发生转移。如果不指定条件，则假定采用一个计算结果为 true 的隐含条件。

conditional_action 是在判断转移的条件为 true 时执行的指令。条件动作发生在条件后，但在任何 exit 或 entry 状态动作之前。

下表列出了冰雹图中每个转移动作的结果。

image-20210918161346329

仿真结果

image-20210918161539357

转移动作详解

转移可以有不同的动作类型，包括事件或消息触发器、条件、条件动作和转移动作。动作类型采用标签表示法，一般格式如下：

event_or_message trigger[condition]{condition_action}/{transition_action}

典型的转移方法：

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事件或消息触发器

在转移标签语法中，事件或消息触发器作为事件或消息的名称首先出现。没有特别的区分字符可以将它们与转移标签中的其他动作区别开来。在 转移动作的类型open in new window 中的示例中，来自状态 A 的两个转移都有事件触发器。状态 A 到状态 B 的转移带有事件触发器 event2，状态 A 到状态 C 的转移带有事件触发器 event1。

事件触发器指定在已指定条件且条件为 true 时导致转移发生的事件。可以选择是否指定事件。消息触发器指定如果消息队列中存在消息则发生转移。未指定事件或消息表示在发生任意事件时都会产生该转移。可以使用 OR 逻辑运算符 (|) 指定多个事件或消息。

转移动作

在转移标签语法中，转移动作以正斜线 (/) 开头，并括在花括号 ({}) 中。在 转移动作的类型open in new window 的示例中，从状态 A 到状态 B 的转移包含转移动作 data1 = 5。转移动作只在获取完整的转移路径之后才会执行。它们在转移目标确定为有效且条件（如果指定）为 true 后执行。如果转移由多个段组成，转移动作只在到最终目标的整个转移路径确定为有效后执行。

在线参考

使用 Simulink Start Page 的 Learn 模块，学习 Simulink 和 StateFlow 的一些操作。

Pasted image 20210919152039

参考

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