在活动图和环境图中捕获要求

活动图可以帮助您以图形方式捕获设定并理解系统的运作。层次结构可以帮助您进行分析，即使是大型系统。顶层的环境图描述系统环境以及它与被研究系统在数据交换和控制操作方面的交互。然后，您可以将系统分解为包含过程和控制设定 (CSPEC) 的活动图。

这些过程指导您如何分解层次结构。您可以使用另一个活动图或原始设定 (PSPEC) 指定每个过程。您可以通过多种基于形式语义的表示方法（例如 Simulink 模块图）来指定 PSPEC。此外，环境图还以图形方式捕获系统操作的环境。使用设定的数据定义。

环境图：电动车窗系统

下图表示电动车窗控制系统的环境图。方框用于捕获环境，在本示例中包括司机、乘客和车窗。司机和乘客都可以发出命令，使车窗向上和向下移动。控制器用于推断要发送给车窗作动器的正确命令（例如，司机命令的优先级高于乘客命令）。此外，该图还监视车窗控制系统的状态，以确定车窗何时完全打开和关闭，并检测车窗玻璃与窗框之间是否存在物体。

圆形（也称为圆泡）表示电动车窗控制器。圆形是过程的图形化表示。各过程捕获从输入数据到输出数据的转换。原始过程也可能生成这一转换。CSPEC 通常由组合逻辑或时序逻辑构成，用于根据输入控制推断输出控制信号。

要了解在 Simulink 环境中的实现，请参阅实现上下文图：电动车窗系统。

活动图：电动车窗控制系统

电动车窗控制系统包括三个过程和一个 CSPEC。其中两个过程负责验证司机和乘客输入，以确保他们的输入在给定的系统状态下有意义。例如，如果车窗已完全打开，则 MOVE DOWN 命令没有意义。第三个过程检测车窗是否完全打开或完全关闭，以及是否存在物体。CSPEC 接收控制信号并推断车窗是向上还是向下移动（例如，如果存在物体，车窗将向下移动大约一秒钟，或在到达停止位时停止）。

活动图：验证司机的输入

VALIDATE DRIVER 活动图中的每个过程都是原始过程，由后面的 PSPEC 指定。在 MAKE EXCLUSIVE PSPEC 中，出于安全方面的考虑，DOWN 命令的优先级高于 UP 命令。

PSPEC 1.1.1: CHECK DOWN
  CHECKED_DOWN = DOWN and not RESET

PSPEC 1.1.2: CHECK UP
  CHECKED_UP = UP and not RESET

PSPEC 1.1.3: MAKE EXCLUSIVE
  VALIDATED_DOWN    = CHECKED_DOWN
  VALIDATED_UP      = CHECKED_UP and not CHECKED_DOWN
  VALIDATED_NEUTRAL = (NEUTRAL and not (CHECKED_UP and not CHECKED_DOWN))
                        or not (CHECKED_UP or CHECKED_DOWN)

活动图：验证乘客的输入

VALIDATE PASSENGER 过程的内部与 VALIDATE DRIVER 过程相同。唯一的区别在于它们具有不同的输入和输出。

PSPEC 1.2.1: CHECK DOWN
  CHECKED_DOWN = DOWN and not RESET

PSPEC 1.2.2: CHECK UP
  CHECKED_UP = UP and not RESET

PSPEC 1.2.3: MAKE EXCLUSIVE
  VALIDATED_DOWN    =  CHECKED_DOWN
  VALIDATED_UP      =  CHECKED_UP and not CHECKED_DOWN
  VALIDATED_NEUTRAL = (NEUTRAL and not (CHECKED_UP and not CHECKED_DOWN))
                        or not (CHECKED_UP or CHECKED_DOWN)

要了解在 Simulink 环境中的实现，请参阅活动图：验证乘客的输入。

活动图：检测障碍物和停止位

POWER WINDOW CONTROL 活动图中的第三个过程检测是否存在障碍物，或者车窗何时到达顶部或底部 (ENDSTOP)。检测机制基于车窗作动器的电枢电流。在正常操作中，此电流在一定的范围内。当车窗到达顶部或底部时，电动机会使用大电流（高于 15 A 或低于 –15 A），以尝试并保持其角速度。正常操作时的电流约为 2 A 或 –2 A（取决于是打开还是关闭车窗）。当存在物体时，电流会稍微偏离此值。为了使车窗对物体施加的作用力小于 100 N，当控制系统检测到电流小于 –2.5 A 时，将切换到紧急操作状态。只有当车窗向上移动时（在此模型的电路中对应的电流为负），此操作才是必要的。DETECT OBSTACLE ENDSTOP 活动图体现了此功能。

CSPEC 1.3: DETECT OBSTACLE ENDSTOP
  RESET = OBSTACLE or ENDSTOP

PSPEC 1.3.1: DETECT ENDSTOP
  ENDSTOP = WINDOW_POSITION > ENDSTOP_MAX

PSPEC 1.3.2: DETECT OBSTACLE
  OBSTACLE = (WINDOW_POSITION > OBSTACLE_MAX) and MOVE_UP for 500 ms

要了解在 Simulink 环境中的实现，请参阅活动图：检测障碍物和停止位。

控制输入

slexPowerWindowCntlInteract 模型中以开关的形式表示此控制输入。双击这些开关可以手动操作它们。

通过运行输入测试向量并检查它是否达到所需的内部状态并生成输出，测试控制电动车窗的状态机。电动车窗具有以下外部输入：

每个输入都包含一个以这些输入为值的向量。

根据下表映射上移和下移信号，生成乘客和司机输入信号：

这些输入根据按下电动车窗控制开关生成的 up 和 down 事件显式生成 neutral 事件。这些输入以真值表形式输入到 passenger neutral, up, down map 和 driver neutral, up, down map 中。

验证控制子系统

使用模型覆盖率工具验证车窗的离散事件控制。此工具可帮助您确定模型测试用例执行到的控制器条件分支的范围。它可以帮助评估在给定测试用例中，离散事件控制的所有状态转移是否都发生，以及实现特定转移的某个条件的所有子句是否都满足。多个子句可以实现一个状态转移，例如，当经过了 100 个计时单位后或到达停止位时，就会从 emergency 状态回到 neutral 状态。

要实现完全覆盖，对于使用的测试用例，每个子句计算都要涵盖 true 和 false 两种情况。测试用例产生的转移的百分比称为模型覆盖率。模型覆盖率用于衡量一个测试执行模型的全面程度。

使用 Simulink Coverage™ 软件，您可以对电动车窗控制器应用以下测试。

在此测试中，当时间为 0 时，所有开关都处于非活动状态。在间隔 1 秒的各步中，一个或多个开关的状态发生了改变。例如，1 秒之后，driver down 开关处于活动状态。要自动运行这些输入向量，可将手动开关替换为指定的输入序列。要查看预构造的模型，请执行以下操作：

对于 slexPowerWindowCntlCoverage 模型，该报告显示此测试处理了来自 driver neutral, up, down map 模块的 100% 的决策输出。但是，对于 passenger neutral, up, down map 模块，测试仅实现 50% 的覆盖率。此覆盖率意味着 slexPowerWindowCntlCoverage 的整体覆盖率为 45%，而 slexPowerWindowControl 模型的整体覆盖率为 42%。影响覆盖率水平的几个因素包括：

提高模型覆盖率

要将整体覆盖率提高到 100%，您需要考虑到司机、乘客、障碍物和停止位设置的所有可能组合。当您对控制行为满意时，即可创建电动车窗控制系统。有关详细信息，请参阅 使用基于模型的设计创建模型。

此示例演示车窗离散事件控制验证的模型覆盖率如何得以提升。首先，此示例使用来自 slexPowerWindowCntlCoverage 的输入作为模型覆盖率的基准。然后，为了进一步验证车窗的离散事件控制，它创建了更多输入集。这些输入集包含在电子表格文件 inputCntlCoverageIncrease.xlsx 中，每个工作表为一个输入集。

在此示例中，使用 slexPowerWindowSpreadsheetGeneration 工具函数（它从控制器模型 slexPowerWindowControl 中创建电子表格模板）创建 inputCntlCoverageIncrease.xlsx。在 inputCntlCoverageIncrease.xlsx 中，该函数使用控制器模型中的模块名称作为信号名称。slexPowerWindowSpreadsheetGeneration 定义工作表名称。slexWindowSpreadsheetAddInput 工具函数使用信号数据填充 inputCntlCoverageIncrease.xlsx。

这些输入集的工作表名称和描述如下：

要自动运行这些输入向量，将离散事件控制的输入替换为使用 inputCntlCoverageIncrease.xlsx 文件的 From Spreadsheet 模块。此文件包含这些输入集。要查看预构造的模型，请执行以下操作：

实现上下文图：电动车窗系统

要查看以环境图形式表示的要求，请参阅环境图：电动车窗系统。

创建一个类似于环境图的 Simulink 模型。

您可以使用电动车窗控制系统活动图（活动图：电动车窗控制系统）分解环境图中的电动车窗控制器。此图显示了环境图中出现的输入信号和输出信号，以便跟踪它们的来源。

实现电动车窗控制系统

要满足全部要求，电动车窗控制系统必须要验证司机和乘客的输入并检测停止位。

要查看以活动图形式表示的要求，请参阅活动图：电动车窗控制系统。

双击 slexPowerWindowExample/power_window_control_system 模块以打开以下子系统：

实现活动图：验证

要查看以活动图形式表示的要求，请参阅活动图：验证司机的输入和活动图：验证乘客的输入。

活动图添加了针对司机和乘客命令的数据验证功能，以确保操作正确。例如，当车窗到达顶部时，软件将阻止 up 命令。该实现使用新的子系统分解每个验证过程。以司机命令的验证为例（乘客命令的验证大体相同）。检查模型能否根据以下条件执行 up 或 down 命令：

第三个活动图过程检查软件是否仅向控制器发送三个命令（neutral、up 和 down）之一。在实际的实现中，up 和 down 可以同时为 true（例如，由于开关的弹跳效应）。

在 power_window_control_system 子系统中，validate_driver_state 子系统如下所示：

在 power_window_control_system 子系统中，validate_passenger_state 子系统如下所示：

实现活动图：检测障碍物和停止位

要查看以活动图形式表示的要求，请参阅活动图：检测障碍物和停止位。

在 slexPowerWindowExample 模型中，power_window_control_system/detect_obstacle_endstop 模块采用 Variant Subsystem 模块的连续变体来实现此活动图。在设计迭代期间，您可以添加更多变体。

双击 slexPowerWindowExample 模型的 power_window_control_system/detect_obstacle_endstop/Continuous/verify_position 模块。

混合动态系统：合并离散事件控制和连续被控对象

设计并验证离散事件控制后，可将其与连续时间被控对象行为进行整合。此步骤是使用最简单的被控对象版本进行的第一次设计迭代。

在工程中，导航到文件，然后点击工程。在 configureModel 文件夹中，运行 slexPowerWindowContinuous 实用工具以打开并初始化模型。

window_system 模块使用 Variant Subsystem 模块，在对被控对象进行建模时可达到不同的保真度。双击 window_system/Continuous/2nd_order_window_system 模块以查看以下连续变体。

被控对象建模为二阶微分方程，其输入随每步变化：

此阶段可对离散事件状态行为、采样率以及连续的车窗移动行为之间的交互情况进行分析。可通过以下这些阈值来得出窗框顶部和底部：

双击 slexPowerWindowExample 模型的 ower_window_control_system/detect_obstacle_endstop/Continuous/verify_position 模块以查看连续变体。

当您运行 slexPowerWindowContinuous configureModel 实用工具时，模型将使用连续时间求解器 ode23（博加基-尚派恩）。

对系统进行结构分析可得到以下内容：

结构分析还可以包括实现架构（不属于本文讨论范围）。

此实现还添加了一个控制机制，方便在存在和不存在物体两种情况之间进行切换。

预期的控制器响应.  要查看车窗移动，请在工程快捷方式中，双击 SimHybridPlantLowOrder。您也可以运行任务 slexPowerWindowContinuousSim。

位置示波器显示了控制器的预期结果。在移动 30 厘米之后，模型生成 obstacle 事件，Stateflow 图进入 emergencyDown 状态。在此状态下，输出为 windowDown，直到车窗降低约 10 厘米为止。由于 passenger window up 开关仍处于 on 状态，因此车窗再次开始上移并重复此过程。停止仿真并打开位置示波器，以观察振荡过程。在紧急情况下，离散事件控制将车窗下移大约 10 厘米。

电效应的详细建模

对离散事件控制和连续动态特性进行初步分析之后，您可以使用详细的被控对象模型来评估更真实情况下的执行情况。最好是在电力域（即以电量流的形式）设计这一详细程度级别的模型。有几个用于特定域的 MathWorks 模块集可以帮助您实现此目的。

要将电量流考虑在内，可向 window_system 可变子系统中添加一个更详细的包含电力电子系统和多体系统的变体。

要打开模型并查看更详细的被控对象变体，请在工程中运行 configureModel slexPowerWindowPowerEffects。

双击 slexPowerWindowExample 模型的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system 模块。

电力电子元件子系统.  该模型必须将离散事件控制器生成的控制信号放大到足够强的程度，以驱动直流电机移动车窗。

放大模块负责对此行为进行建模。它们显示开关要么将直流电机连接到电池电压，要么连接到地线。通过反接电池，系统生成负电压，车窗可以上移、下移或静止不动。车窗始终以最大功率驱动。换言之，没有直流电机控制器应用预定的速度。

要查看实现，请双击 slexPowerWindowExample 模型的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system/amplification_up 模块。

多体系统.  此实现使用 Simscape™ Multibody™ 模块为车窗建模。

要查看作动器的实现，请双击 slexPowerWindowExample 模型中的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system/actuator 模块。

要查看车窗的实现，请双击 slexPowerWindowExample 模型的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system/plant 模块。

此实现使用 Simscape Multibody 模块表示车身、接头和作动器。车窗模型包括：

下图显示了机械零部件如何移动。

设计迭代.  这一更详细的实现有一个重要特点，即没有车窗位置测量值。实际上，该模型需要通过测量直流电机电流并使用测量值来检测停止位以及是否存在障碍物。系统设计的下一阶段是对控制进行分析，确保它在存在障碍物时不会产生过大的作用力。

在原来的系统中，设计删除了基于车窗位置的障碍物和停止位检测，将其替换为基于电流的实现。它还将该过程关联到控制器以及车窗位置和作用力测量值。要反映使用的不同信号，您必须修改数据定义。此外请注意，由于电效应的原因，现在的单位是安。

PSPEC 1.3.1: DETECT ENDSTOP
  ENDSTOP = ARMATURE_CURRENT > ENDSTOP_MAX

PSPEC 1.3.2: DETECT OBSTACLE
  OBSTACLE = (ARMATURE_CURRENT > OBSTACLE_MAX) and MOVE_UP for 500 ms

PSPEC 1.3.3: ABSOLUTE VALUE
  ABSOLUTE_ARMATURE_CURRENT = abs(ARMATURE_CURRENT)

下表列出了环境图：Power Window System 数据定义中使用的其他信号。

下表列出了活动图：检测障碍物停止位数据定义

要查看车窗子系统，请双击 slexPowerWindowExample 模型的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system/plant/window 模块。

该实现使用查找表，并添加噪声以评估控制的稳健性。要查看摩擦力子系统的实现，请双击 slexPowerWindowExample 模型的 window_system/Power Effects - Visualization/detailed_window_system/plant/window/friction 模块。

控制律评估

理想的连续被控对象须能访问车窗位置以生成 endStop 和 obstacle 事件。在更符合实际的实现中，模型必须从可访问的物理变量中生成这些事件。对于电动车窗系统，此物理变量通常是驱动涡轮的直流电机的电枢电流 Ia。

当车窗移动时，此电流的值约为 2 A。当您开启车窗开关时，模型使用大约为 10 A 的瞬变电流。当电流超过 15 A 时，模型激活停止位检测。不管输入电压为正还是为负，当电机的角速度保持在几乎为 0 时，模型将使用此电流。

在这一系统设置中，检测是否存在物体更加困难。因为出于安全方面的考虑，车窗作用力被限制为小于 100 N，所以一个远低于 10 A 的电枢电流就应当能够检测到物体。但是，此行为与正常操作时出现的瞬变电流值发生冲突。

因此需要实现一个控制律，在出现瞬变电流值时禁用物体检测。这样，当系统检测到电枢电流高于 2 A 时，它会认为窗口存在物体，并进入离散事件控制的 emergencyDown 状态。打开作用力示波器窗口（测量值以牛顿为单位），检查当存在物体时，车窗施加的作用力始终小于 100 N 并反转速度方向。

在真实情景中，可能存在并实现更为复杂的控制律。例如，您可以实现基于神经网络的学习前馈控制技术，以模拟每个车辆的摩擦力特性以及随时间的变化。

系统动态可视化

如果安装了 Simulink 3D Animation™ 软件，您可以通过虚拟现实查看系统的动态几何特征。如果尚未打开 VR Sink 模块，请在 slexPowerWindowExample/window_world/Simulink_3D_Animation View 模型中双击 VR Sink 模块。

要使用刚性求解器进行模型仿真，请执行以下操作：

实际的电枢电流测量值

电动车窗控制系统中使用的电枢电流是一个理想值，该值是通过作动器模型而得出的。在更为真实的实际情形中，数据采集组件必须测量此电流值。

要使用数据采集组件，请向 window_system 可变子系统中添加更符合实际情形的测量变体。这个实际情形测量变体包含一个信号调节模块，它基于电压测量值计算出电流。

要打开模型并配置符合实际情形的测量系统，请在工程中运行 configureModel 任务 slexPowerWindowRealisticArmature。

要查看 Realistic Armature - Communications Protocol 模块的内容，请双击 SlexPowerWindowExample 模型的 window_system/Realistic Armature - Communications Protocol/detailed_window_system_with_DAQ。

测量电压在基于给定的位数进行离散化的模数转换器 (ADC) 的范围内。您必须基于电阻值和 ADC 的范围对得到的值进行定标。

这些运算会作为定点计算包含在模型中。要实现具有给定范围的必要分辨率，必须使用 16 位，而不是 8 位。

研究同一场景：

通信协议

与电动车窗输出控制项类似，硬件必须生成输入事件。在本例中，硬件是车门和中央控制面板上的车窗控制开关。本地处理器生成这些事件，然后通过 CAN 总线将其传递给车窗控制器。

要考虑这些事件，请添加一个变体，其中包含来自 CAN 总线的输入信号以及生成事件的开关组件（生成的事件通过 CAN 总线发送给 driver switch 和 passenger switch 可变子系统）。要打开模型并配置 CAN 通信协议，请运行 configureModel 任务 slexPowerWindowCommunicationProtocolSim。

要查看 switch 子系统的实现，请双击 slexPowerWindowExample/driver_switch/Communication Protocol/driver window control switch 模块。

注意，这一结构与车窗控制系统非常相似，其中包含：

您可以像前面描述的阶段一样，添加通信效应（例如使用 CAN 总线的其他系统）和更为实际的因素。这样每阶段都可越来越接近实际地对离散事件控制器进行分析。当您掌握足够多的细节后，可以自动生成适用于任何特定目标平台的控制器代码。