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构造并运行 Stateflow

Stateflow® 图是有限状态机的图形表示,由状态、转移和数据组成。您可以创建 Stateflow 图来定义 MATLAB® 算法或 Simulink® 模型如何响应外部输入信号、事件和基于时间的条件。有关详细信息,请参阅对有限状态机建模

例如,下面的 Stateflow 图展示半波整流器的基础逻辑。该图包含两个标签为 OnOff 的状态。在 On 状态下,图输出信号 y 等于输入 x。在 Off 状态下,输出信号设置为零。当输入信号跨越某个阈值 t0 时,图在这些状态之间转移。各个状态下的动作在仿真的每一时间步都会更新 y 的值。

Stateflow chart with two states.

此示例说明如何创建这样的 Stateflow 图,以在 Simulink 中进行仿真和在 MATLAB 中执行。

构造 Stateflow

打开 Stateflow 编辑器

Stateflow 编辑器是一个图形环境,用于设计状态转移图、流程图、状态转移表和真值表。在打开 Stateflow 编辑器之前,需要先确定最能满足您需求的图执行模式。

  • 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,请使用 sfnew 函数创建一个可在 Simulink 模型中作为模块进行仿真的 Stateflow 图。在 MATLAB 命令提示符处,输入:

    sfnew rectify     % create chart for simulation in a Simulink model

    Simulink 创建一个名为 rectify 的模型,其中包含一个空的 Stateflow Chart 模块。要打开 Stateflow 编辑器,请双击图模块。

  • 要为 MATLAB 应用程序设计可重用的状态机和时序逻辑,请使用 edit 函数创建可作为 MATLAB 对象执行的独立 Stateflow 图。在 MATLAB 命令提示符处,输入:

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

    如果文件 rectify.sfx 不存在,Stateflow 编辑器将创建名为 rectify 的空图。

Stateflow 编辑器的主要组件是图画布、对象选项板和符号窗格。

  • 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符合窗格,您可以用它向图添加新的数据、事件和消息并解析任何未定义或未使用的符号。

Default view of the Stateflow Editor.

提示

在构造 Stateflow 图后,您可以将其内容复制到另一个具有不同执行模式的图中。例如,您可以构造在 MATLAB 中执行的图,并将其内容复制到在 Simulink 中进行仿真的图中。

添加状态和转移

  1. 在对象选项板中,点击状态图标 并将指针移至图画布。将出现具有默认转移的状态。要放置该状态,请点击画布上的某个位置。在文本提示中,输入状态名称 On 和状态动作 y = x

    Chart with one state, On.

  2. 添加另一个状态。右键点击并拖动 On 状态。蓝色图形提示可以帮助您水平或垂直对齐状态。新状态的名称变为 Off。双击该状态并将状态动作修改为 y = 0

    Chart with two states, On and Off.

  3. 重新对齐两个状态并在两个状态之间的空白处停留片刻。蓝色转移提示指示您可以连接状态的几种方式。要添加转移,请点击适当的提示。

    或者,要绘制转移,请点击并从一个状态的边拖动到另一个状态的边。

    Chart with the two states joined by transitions.

  4. 双击每个转移并输入适当的转移条件 x<t0x>=t0。条件出现在方括号内。

    Chart with transition conditions.

  5. 清理图:

    • 为使图更加清晰,将每个转移标签移到其对应转移上方或下方的方便位置。

    • 要对齐图的图形元素并调整其大小,请在格式选项卡中,点击自动排列或按 Ctrl+Shift+A

    • 要调整图的大小以适合画布,请按空格键或点击适应视图大小图标

解析未定义的符号

在执行图之前,必须定义图中使用的每个符号并指定其作用域(例如,输入数据、输出数据或局部数据)。在符号窗格中,未定义的符号用红色错误标记 进行标记。类型列根据每个未定义符号在图中的使用情况显示其建议作用域。

  1. 打开符号窗格。

    • 如果您构建的是 Simulink 模型中的图,请在建模选项卡中,在设计数据下,选择符号窗格

    • 如果您构建的是要在 MATLAB 中执行的独立图,请在状态图选项卡中选择添加数据 > 符号窗格

  2. 符号窗格中,点击解析未定义的符号

    • 如果构建的是在 Simulink 模型中的图,Stateflow 编辑器会将符号 xt0 解析为输入数据 ,将 y 解析为输出数据

    • 如果您构建的是要在 MATLAB 中执行的独立图,Stateflow 编辑器则将 t0xy 解析为局部数据

    Before and after views of the Symbols pane resolving the undefined symbols t0, x, and y.

  3. 由于阈值 t0 在仿真过程中不会更改,因此将其作用域更改为常量数据。在类型列中,点击 t0 旁边的数据类型图标,然后选择常量数据”。

  4. 设置阈值 t0 的值。在列中,点击 t0 旁边的空白输入框,并输入值 0。

  5. 保存您的 Stateflow 图。

您的图现在即可在 Simulink 中进行仿真,或者在 MATLAB 中执行。

将图作为 Simulink 模块进行仿真

要在 Simulink 模型中对图进行仿真,请通过输入和输出端口将图模块连接到模型中的其他模块。如果您要从 MATLAB 命令行窗口中执行图,请参阅将图作为 MATLAB 对象执行

  1. 要返回到 Simulink 编辑器,请在画布顶部的浏览器栏中点击 Simulink 模型的名称:rectify”。如果浏览器栏不可见,请点击对象选项板顶部的隐藏/显示资源管理器栏图标

  2. 执行以下操作以将信源添加到模型中:

    • 从 Simulink Sources 库中,添加一个 Sine Wave (Simulink) 模块。

    • 双击 Sine Wave 模块并将采样时间设置为 0.2。

    • Sine Wave 模块的输出连接到 Stateflow 图的输入。

    • 将信号标记为 x

  3. 向模型中添加一个信宿:

    • 从 Simulink Sinks 库中,添加一个具有两个输入端口的 Scope (Simulink) 模块。

    • Sine Wave 模块的输出连接到 Scope 模块的第一个输入。

    • 将 Stateflow 图的输出连接到 Scope 模块的第二个输入。

    • 将信号标记为 y

  4. 保存 Simulink 模型。

    In a Simulink model, a Sine Wave block creates an input signal for the chart. A Scope block plots the input and output of the chart.

  5. 要仿真模型,请点击运行 。在仿真过程中,Stateflow 编辑器通过图动画突出显示激活状态和转移。

  6. 对模型进行仿真后,双击 Scope 模块。示波器显示 Stateflow 图的输入信号和输出信号图。

    Scope block showing the input and output of the chart.

    仿真结果显示整流器滤除了负输入值。

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

  1. 通过使用包含图定义作为函数的 sfx 文件的名称,创建一个图对象 r。将图数据 x 的初始值指定为名称-值对组。

    r = rectify(x=0);
  2. 初始化图执行的输入和输出数据。向量 X 包含来自正弦波的输入值。向量 Y 是一个空的累加器。

    T = 0:0.2:10;
    X = sin(T);
    Y = [];
  3. 通过多次调用 step 函数来执行图对象。将来自向量 X 的单个值作为图数据 x 传递。在向量 Y 中收集 y 的结果值。在执行过程中,Stateflow 编辑器通过图动画突出显示激活状态和转移。

    for i = 1:51
        step(r,x=X(i));
        Y(i) = r.y;
    end
  4. 从 MATLAB 工作区中删除图对象 r

    delete(r)
  5. 检查图执行的结果。例如,您可以调用 stairs 函数来创建一个阶梯图,用于比较 XY 的值。

    ax1 = subplot(2,1,1);
    stairs(ax1,T,X,color="#0072BD")
    title(ax1,"x")
    
    ax2 = subplot(2,1,2);
    stairs(ax2,T,Y,color="#D95319")
    title(ax2,"y")

    MATLAB figure showing the input and output of the chart.

    执行结果显示整流器滤除了负输入值。

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