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使用时序逻辑调度图动作

要定义 Stateflow® 图在仿真时间的行为,请在图的状态和转移动作中包含时序逻辑运算符。时序逻辑运算符是内置函数,可以告知状态保持激活的时间长度或布尔条件保持为 true 的时间长度。使用时序逻辑,您可以控制以下各项的时序:

  • 各状态之间的转移

  • 函数调用

  • 变量值的更改

有关详细信息,请参阅使用动作定义图行为

时序逻辑运算符

最常用的绝对时间时序逻辑运算符是 afterelapsedduration

运算符语法描述

after

after(n,sec)

如果自关联状态激活以来经过的仿真时间达到 n 秒,则返回 true。否则,运算符返回 false

elapsed

elapsed(sec)

返回自关联状态激活以来经过的仿真时间的秒数。

duration

duration(C)

返回自布尔条件 C 变为 true 以来经过的仿真时间的秒数。

每个运算符都会在满足以下条件时将其关联计时器重置为零:

  • 包含运算符的状态重新激活。

  • 包含运算符的转移的源状态重新激活。

  • duration 运算符中的布尔条件变为 false

注意

某些运算符(如 after)支持以秒 (sec)、毫秒 (msec) 和微秒 (usec) 计的基于事件的时序逻辑和绝对时间时序逻辑。有关详细信息,请参阅使用时序逻辑控制图的执行

时序逻辑的示例

此示例使用时序逻辑对调节锅炉内部温度的 Bang-Bang 控制器建模。

该示例由 Stateflow 图和 Simulink® 子系统组成。Bang-Bang Controller 图将当前锅炉温度与参考设定值进行比较,并确定是否开启锅炉。Boiler Plant Model 子系统对锅炉内部的动态特性进行建模,根据控制器的状态升高或降低温度。然后,锅炉温度返回到控制器图,以进行下一步仿真。

Bang-Bang Controller 图使用时序逻辑运算符 after 来实现以下目的:

  • 当锅炉在开启和关闭之间切换时,调节 Bang-Bang 循环的时序。

  • 根据锅炉的工作模式控制以不同速率闪烁的状态 LED。

定义锅炉行为和 LED 子系统行为的计时器彼此独立运行,并不阻断或中断控制器的仿真。

Bang-Bang 循环的时序

Bang-Bang Controller 图包含一对代表锅炉两种工作模式的子状态:OnOff。该图使用激活状态输出数据 boiler 来指示哪个子状态为激活状态。

Chart modeling a bang-bang controller. Subcharts appear as opaque boxes to hide the low-level details of the chart.

OnOff 子状态之间转移上的标签定义 Bang-Bang 控制器的行为。

转移标签描述
OnOffafter(20,sec)On 状态下保持 20 秒后转移到 Off 状态。
OffOnafter(40,sec)[cold()]当锅炉温度低于由图形函数 cold() 确定的参考设定值时,在 Off 状态下至少保持 40 秒,然后转移到 On 状态。
OnOffturnOff当处于 On 状态的内部转移逻辑由于锅炉温度等于或高于参考设定值而要求锅炉关闭时,转移到 Off 状态。

由于存在这些转移动作,Bang-Bang 循环的时序取决于锅炉的当前温度。在仿真开始时,锅炉较冷,控制器在 Off 状态下保持 40 秒,在 On 状态下保持 20 秒。在时间到达 t = 478 秒时,锅炉的温度达到参考值。自这一时刻起,锅炉仅需补充在 Off 状态下的热损失。因而控制器在 Off 状态下保持 40 秒,在 On 状态下保持 4 秒。

Simulation Data Inspector showing the output of the chart.

状态 LED 的时序

Off 状态包含子状态 Flash,其自环转移由动作 after(5,sec) 确定。由于这种转移,当 Off 状态被激活时,子状态将执行其 entry 动作并每隔 5 秒就调用一次图形函数 flash_LED。该函数使输出符号 LED 的值在 0 和 1 之间切换。

The Off substate.

On 状态将图形函数 flash_LED 作为 en,du 类型的状态动作进行调用。当 On 状态被激活时,它会在仿真的每个时间步(本例中为每秒)调用该函数,使输出符号 LED 的值在 0 和 2 之间切换。

The On substate.

因此,状态 LED 的时序取决于锅炉的工作模式。例如:

  • t = 0 秒到 t = 40 秒,锅炉关闭,并且 LED 信号每隔 5 秒就在 0 和 1 之间交替一次。

  • t = 40 秒到 t = 60 秒,锅炉开启,并且 LED 信号每隔一秒就在 0 和 2 之间交替一次。

  • t = 60 秒到 t = 100 秒,锅炉再次关闭,并且 LED 信号每隔 5 秒就在 0 和 1 之间交替一次。

Simulation Data Inspector showing the output of the chart.

探索示例

使用其他时序逻辑来研究随着锅炉温度接近参考设定值,Bang-Bang 循环的时序如何变化。

  1. 输入调用 elapsedduration 运算符的新状态动作。

    • On 状态下,让 Timer1 作为 On 状态被激活的时间长度:

      en,du,ex: Timer1 = elapsed(sec)

    • Off 状态下,让 Timer2 作为锅炉温度等于或高于参考设定值的时间长度:

      en,du,ex: Timer2 = duration(temp>=reference)

    标签 en,du,ex 指示只要对应状态被激活,就会发生这些动作。

  2. 符号窗格中,点击解析未定义的符号 。Stateflow 编辑器将符号 Timer1Timer2 解析为输出数据

  3. Timer1Timer2 启用记录。在符号窗格中,选择每个符号。然后,在属性检查器中的记录下,选择记录信号数据

  4. 仿真选项卡中,点击运行

  5. 仿真选项卡中的 查看结果下,点击数据检查器

  6. 在仿真数据检查器中,在同一坐标区中显示信号 boilerTimer1。绘图表明:

    • 通常情况下,在锅炉冷时 Bang-Bang 循环的 On 阶段持续 20 秒,在锅炉热时持续 4 秒。

    • 在锅炉第一次达到参考温度时,循环会提前中断,控制器在 On 状态仅保持 18 秒。

    • 在锅炉变热后,第一个循环的时间比随后的循环时间略短,在该循环中控制器在 On 状态仅保持了 3 秒。

    Simulation Data Inspector showing the output of the chart.

  7. 在仿真数据检查器中,在同一坐标区中显示信号 boilerTimer2。绘图表明:

    • 在锅炉变热后,Bang-Bang 循环的 Off 阶段通常需要 9 秒才能冷却。

    • 锅炉第一次达到参考温度时,用了超过两倍于 9 秒的时间(19 秒)来冷却。

    Simulation Data Inspector showing the output of the chart.

较短的循环和较长的冷却时间是由于 On 状态内的子状态层次结构导致的。当锅炉首次达到参考温度时,从 HIGHNORM 的转移会使控制器在一个额外的时间步内保持开启,导致锅炉温度超过正常值。而在后面的循环中,历史结点 导致 On 阶段以激活的 NORM 子状态开始。然后,控制器在锅炉达到参考温度后立即关闭,从而冷却锅炉。

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