对有限状态机建模

Stateflow^® 是基于有限状态机的图形化编程环境。使用 Stateflow，您可以测试和调试您的设计，考虑不同仿真场景，并从状态机生成代码。

有限状态机是从一种工作模式（状态）转移到另一种工作模式的动态系统的表示。状态机可以：

作为复杂软件设计过程的高级起点。
让您能够专注于工作模式和从一种模式转至下一种模式所需的条件。
帮助您设计即使模型复杂度增加也能保持简洁清晰的模型。

控制系统设计在很大程度上依赖于状态机来管理复杂的逻辑。应用包括设计飞机、汽车和机器人控制系统。

Stateflow 图的示例

Stateflow 图将状态、转移和数据组合起来实现有限状态机。以下 Stateflow 图提供了汽车四速自动传动系统换挡逻辑的简化模型。该图通过状态表示每个挡位，分别显示为一个带有 first、second、third 或 fourth 标签的矩形。像它们代表的挡位一样，这些状态是互斥的，因此在某个时刻只有一个状态被激活。

Stateflow chart with states labeled first, second, third, and fourth. The chart transitions between the states when the speed is higher or lower than a specified amount.

图左侧的箭头表示默认转移，并指示第一个状态被激活。当您执行该图时，此状态在画布上突出显示。其他箭头表示各状态之间可能的转移。要定义状态机的动态，请将每个转移与一个布尔条件或触发事件相关联。例如，下图监控车速，并在速度超过固定阈值时切换到另一个挡位。在仿真过程中，图中的突出显示随着不同状态被激活而变化。

Chart animation showing states and transitions activating.

此图仅提供了简单设计，未考虑发动机转速和扭矩等重要因素。您可以通过将此 Stateflow 图与 MATLAB^® 或 Simulink^® 中的其他组件链接起来，构建一个更全面和更真实的模型。以下示例说明三种可能的方法。

将图作为 MATLAB 对象执行

打开脚本

此示例展示了自动传输系统的一个修改版本，其中包含了状态层次结构、时序逻辑和输入事件。

层次结构：该图包含一个父状态 gear_logic，其中包含了上例中的四速自动变速器图。此父状态控制车辆的速度和加速度。在执行期间，gear_logic 始终处于激活状态。
时序逻辑：在 gear_logic 状态中，动作 on every(0.25,sec) 决定车速。运算符 every 创建一个 MATLAB 计时器，它执行图并每隔 0.25 秒更新一次图数据 speed。
输入事件：输入事件 SpeedUp、Cruise 和 SlowDown 重置图数据 delta 的值。此数据决定汽车在每个执行步中是加速还是保持其速度。

您可以通过命令行窗口或使用脚本直接在 MATLAB 中将该图作为对象来执行。您还可以编写一个 MATLAB App 以通过图形用户界面控制图状态。例如，当您点击某按钮时，该用户界面向图发送输入事件。在图中，MATLAB 函数 widgets 控制界面上仪表和信号灯的值。要启动示例，请在 App 设计工具的工具条中，点击运行。示例将继续运行，直到您关闭用户界面窗口。

或者，在 Stateflow 编辑器的状态图选项卡中，点击运行。要控制车速，请在符号窗格中使用加速、减速和巡航按钮。要停止示例，请点击停止。

有关将 Stateflow 图作为 MATLAB 对象执行的详细信息，请参阅在 MATLAB 中执行。

将图作为具有局部事件的 Simulink 模块进行仿真

此示例使用:

打开模型

此示例提供了一种更复杂的自动变速器系统设计。Stateflow 图在 Simulink 模型中显示为模块。模型中的其他模块代表相关汽车组件。该图通过输入和输出连接来共享数据，进而与其他模块进行对接。要打开该图，请点击 shift_logic 模块左下角的箭头。

该图合并了状态层次结构、并行机制、激活状态数据、局部事件和时序逻辑。

层次结构：状态 gear_state 包含四速自动变速器图的一个修改版本。状态 selection_state 包含代表稳定状态、升挡和降挡工作模式的子状态。当需要升挡或降挡时，这些子状态将被激活。
并行机制：并行状态 gear_state 和 selection_state 显示为带有虚线边框的矩形。这些状态同时工作，即使其内部的子状态存在互斥也是如此。
激活状态数据：输出值 gear 反映仿真过程中挡位的选择。图会根据 gear_state 中的激活子状态生成此值。
局部事件：此图不使用布尔条件，而是使用局部事件 UP 和 DOWN 触发挡位之间的转移。这些事件由 selection_state 中的 send 命令触发，当车速超出所选挡位的工作范围时会发出这些命令。Simulink 函数 calc_th 根据选择的挡位和发动机转速确定工作范围的边界值。
时序逻辑：为了防止连续快速换挡，selection_state 使用时序逻辑运算符 after 来延迟 UP 和 DOWN 事件的广播。仅当所需的换挡时间超过某个预定时间 TWAIT 时，状态才会广播这些事件之一。

要运行模型仿真，请执行以下操作：

双击 User Inputs 模块。在“信号编辑器”对话框中，从激活场景列表中选择一个预定义的刹车到油门的配置文件。默认配置文件是 Passing Maneuver。
点击运行。在 Stateflow 编辑器中，图动画会突出显示仿真过程中的激活状态。要减慢动画速度，请在调试选项卡中，从动画速度下拉列表中选择 Slow。
在 Scope 模块中，检查仿真结果。每个示波器都会在仿真过程中显示其输入信号的图形。

将图作为带时序条件的 Simulink 模块进行仿真

此示例使用:

打开模型

此示例提供了汽车传动系统建模的另一种方法。Stateflow 图在 Simulink 模型中显示为模块。模型中的其他模块代表相关汽车组件。该图通过输入和输出连接来共享数据，进而与其他模块进行对接。要打开该图，请点击 Gear_logic 模块左下角的箭头。

该图合并了状态层次结构、激活状态数据和时序逻辑。

层次结构：此模型将四速自动变速器图置于父状态 gear 中。该父状态监控车辆速度和发动机转速，并触发换挡。状态 gear 左上角列出的动作确定了所选挡位的运行阈值以及布尔条件 up 和 down 的值。标签 en,du 指示在状态第一次被激活 (en = entry) 和在状态已激活时的每个后续时间步 (du = during) 执行状态动作。
激活状态数据：输出值 gear 反映仿真过程中挡位的选择。图会根据 gear 中的激活子状态生成此值。
时序逻辑：为了防止连续快速换挡，布尔条件 up 和 down 使用时序逻辑运算符 duration 来控制挡位之间的转移。当车速保持在所选挡位工作范围之外超过某个预定时间 TWAIT（以秒为单位测量）时，条件有效。

要运行模型仿真，请执行以下操作：

双击 User Inputs 模块。在“信号编辑器”对话框中，从激活场景列表中选择一个预定义的刹车到油门的配置文件。默认配置文件是 Passing Maneuver。
点击运行。在 Stateflow 编辑器中，图动画会突出显示仿真过程中的激活状态。要减慢动画速度，请在调试选项卡中，从动画速度下拉列表中选择 Slow。
在 Scope 模块中，检查仿真结果。示波器显示仿真期间的挡位选择变化图。