第十章：Stateflow 状态机

10.1 Stateflow 基础

10.1.1 什么是 Stateflow

Stateflow 是 Simulink 的扩展工具箱，用于设计和仿真有限状态机（FSM）和流程图。

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Stateflow 解决的问题：

纯 Simulink 擅长：
  连续/离散数学运算
  信号处理
  控制算法

Stateflow 擅长：
  逻辑判断和状态切换
  事件驱动的行为
  模式管理
  安全监控逻辑

典型应用：
  汽车变速箱控制（P/R/N/D档位切换）
  交通灯控制（红/黄/绿状态循环）
  电机控制模式（启动/运行/停止/故障）
  通信协议状态机（握手/传输/断开）
  飞行控制模式（起飞/巡航/降落/紧急）

10.1.2 有限状态机概念

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有限状态机（FSM）由以下要素组成：

① 状态集合 S = {S1, S2, S3, ...}
   系统在任意时刻处于且仅处于一个状态

② 输入事件集合 E = {e1, e2, e3, ...}
   触发状态转移的事件

③ 转移函数 δ: S × E → S
   在状态S收到事件e后，转移到新状态

④ 初始状态 S0
   系统启动时的初始状态

⑤ 输出函数
   在特定状态或转移时产生的输出

示例：简单开关状态机
  状态：{OFF, ON}
  事件：{press_button}
  转移：
    OFF + press_button → ON
    ON  + press_button → OFF
  初始状态：OFF

10.1.3 Stateflow 与 Simulink 的关系

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集成方式：

Simulink 模型
  └── Chart（Stateflow图表）
        ├── 状态（States）
        ├── 转移（Transitions）
        ├── 事件（Events）
        └── 数据（Data）

Stateflow Chart 作为 Simulink 的一个模块存在：
  输入端口：接收 Simulink 信号（触发事件或数据）
  输出端口：向 Simulink 输出数据

数据流向：
  Simulink 信号 ──→ Stateflow Chart ──→ Simulink 信号
  （连续/离散信号）  （逻辑状态机）    （控制信号/状态输出）

10.2 Stateflow 基本元素

10.2.1 状态（State）

状态表示系统的一种工作模式或条件。

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状态的图形表示：
  ┌─────────────────────────────┐
  │ StateName                   │
  ├─────────────────────────────┤
  │ entry: 进入时执行的动作      │
  │ during: 每个时间步执行的动作 │
  │ exit: 离开时执行的动作       │
  └─────────────────────────────┘

状态类型：
  普通状态（AND/OR）：
    OR 状态：同一层级只有一个激活
    AND 状态：同一层级同时激活（并行状态）

  超状态（Superstate）：
    包含子状态的状态
    实现层次化状态机

  历史节点（History Junction）：
    记住上次离开超状态时的子状态
    重新进入超状态时恢复到历史子状态

状态动作（Actions）：

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entry（进入动作）：
  进入该状态时执行一次
  用于初始化、复位操作
  例：entry: speed = 0; led = ON;

during（持续动作）：
  在该状态中每个时间步执行
  用于持续计算或监控
  例：during: temperature = read_sensor();

exit（退出动作）：
  离开该状态时执行一次
  用于清理、保存操作
  例：exit: save_data(); alarm = OFF;

on event_name（事件动作）：
  收到特定事件时执行
  例：on BUTTON_PRESS: count = count + 1;

10.2.2 转移（Transition）

转移定义了状态之间的切换条件和动作。

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转移的图形表示：
  [源状态] ──────────────────────────→ [目标状态]
              条件[guard]/动作{action}

转移语法：
  event[condition]{action}

  event：触发转移的事件（可省略）
  [condition]：转移条件（布尔表达式）
  {action}：转移时执行的动作

示例：
  TIMEOUT[speed > 0]{brake = ON}
  → 收到 TIMEOUT 事件，且速度大于0时，
    执行 brake=ON，然后转移到目标状态

默认转移（Default Transition）：
  没有源状态的转移
  用于指定初始状态
  图形：实心圆点 ●──→ [初始状态]

转移优先级：

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当多个转移同时满足条件时：
  优先级由转移的编号决定（数字越小优先级越高）
  可以在转移属性中设置优先级

最佳实践：
  避免多个转移同时满足条件
  使用互斥条件确保唯一性

10.2.3 事件（Event）

事件是触发状态转移的信号。

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事件类型：

① 输入事件（Input Event）：
   来自 Simulink 的触发信号
   在 Chart 输入端口显示为触发端口

② 输出事件（Output Event）：
   Stateflow 向 Simulink 发送的事件
   可以触发 Simulink 中的触发子系统

③ 局部事件（Local Event）：
   Chart 内部使用的事件
   用于状态间的内部通信

④ 时间事件（Temporal Event）：
   基于时间的事件
   after(n, sec)：n秒后触发
   after(n, tick)：n个时间步后触发
   every(n, sec)：每n秒触发一次

示例：
  after(5, sec)：5秒后触发
  after(10, tick)：10个仿真步后触发
  every(1, sec)：每秒触发一次

10.2.4 数据（Data）

Stateflow 中的数据用于存储和传递数值。

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数据作用域：

Local（局部）：
  只在 Chart 内部使用
  不与 Simulink 交换

Input（输入）：
  从 Simulink 接收数据
  对应 Chart 的输入端口

Output（输出）：
  向 Simulink 发送数据
  对应 Chart 的输出端口

Parameter（参数）：
  常量参数，不随时间变化
  从 MATLAB 工作区获取

Constant（常数）：
  固定不变的值

数据类型：
  double / single / int8 / uint8 / boolean / ...
  与 Simulink 数据类型一致

10.2.5 动作（Action）

动作是在状态或转移中执行的代码。

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支持的语法：

赋值：
  x = 5;
  y = x + 1;
  flag = true;

条件语句：
  if x > 0
      y = x;
  else
      y = -x;
  end

循环：
  for i = 1:10
      sum = sum + i;
  end

函数调用：
  y = my_function(x);
  [a, b] = another_function(x, y);

MATLAB 函数（部分支持）：
  y = abs(x);
  y = sqrt(x);
  y = mod(x, 10);

发送事件：
  send(EVENT_NAME);

广播事件：
  send(EVENT_NAME, target_state);

10.3 搭建状态机

10.3.1 创建 Chart

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方法1：从 Library Browser 添加
  Library Browser → Stateflow → Chart
  拖拽到 Simulink 模型画布

方法2：从菜单创建
  Simulink 模型中：
  菜单 Diagram → New → Chart

方法3：命令行
  add_block('stateflow/Chart', 'mymodel/MyChart')

Chart 属性配置：

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双击 Chart 进入编辑界面
右键 Chart → Properties：

General 标签：
  Action Language：
    MATLAB（推荐，语法熟悉）
    C（性能更高，代码生成）
  
  Update method：
    Inherited（继承 Simulink 采样时间）
    Discrete（指定采样时间）
    Continuous（连续更新）

  Enable super step semantics：
    允许在一个时间步内执行多次转移

10.3.2 添加状态和转移

添加状态：

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方法1：工具栏
  Chart 编辑器工具栏 → 状态图标（矩形）→ 点击画布

方法2：右键菜单
  在画布空白处右键 → Add State

方法3：快捷键
  按住 S 键 + 点击画布

配置状态：
  双击状态 → 输入状态名称
  在状态内部输入动作代码：
    entry: 初始化代码
    during: 持续执行代码
    exit: 退出代码

添加转移：

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方法1：拖拽
  鼠标悬停在源状态边缘
  出现蓝色箭头时拖拽到目标状态

方法2：工具栏
  选择转移工具 → 点击源状态 → 点击目标状态

配置转移：
  双击转移线 → 输入转移标签
  格式：event[condition]{action}
  例：TIMEOUT[speed > 0]{brake = ON}

添加默认转移（指定初始状态）：

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方法：
  工具栏选择默认转移工具
  点击目标状态（初始状态）
  → 生成从实心圆点到初始状态的箭头

每个层级必须有且只有一个默认转移

10.3.3 配置转移条件

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转移条件语法示例：

简单条件：
  [speed > 100]
  [temperature >= 80]
  [flag == true]

复合条件：
  [speed > 100 && temperature < 50]
  [mode == 1 || mode == 2]
  [~alarm_active]

时间条件：
  [after(5, sec)]        → 5秒后
  [after(100, tick)]     → 100个时间步后
  [every(1, sec)]        → 每秒（用于周期性转移）

事件+条件：
  BUTTON_PRESS[count > 3]
  → 收到 BUTTON_PRESS 事件且 count > 3 时转移

无条件转移（立即转移）：
  不写任何标签
  → 进入源状态后立即转移到目标状态
  （通常用于连接节点）

10.3.4 仿真调试

Stateflow 调试工具：

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运行仿真时，Chart 编辑器实时显示：
  当前激活的状态（高亮显示）
  已执行的转移（箭头高亮）
  数据的当前值

调试功能：
  断点：右键状态/转移 → Set Breakpoint
  单步执行：仿真暂停后，逐步执行
  数据监视：查看变量当前值

常见调试问题：

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问题1：状态机不转移
  检查：转移条件是否正确
  检查：事件是否正确触发
  检查：数据类型是否匹配

问题2：状态机在两个状态间振荡
  原因：转移条件互相满足，来回切换
  解决：添加时间延迟或计数器防抖

问题3：初始状态不正确
  检查：默认转移是否指向正确的初始状态
  检查：entry 动作中的初始化是否正确

10.4 实战：交通灯控制系统

10.4.1 需求分析

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交通灯控制需求：

状态：
  RED（红灯）：持续 30 秒
  GREEN（绿灯）：持续 25 秒
  YELLOW（黄灯）：持续 5 秒

转移规则：
  RED → GREEN：红灯持续 30 秒后
  GREEN → YELLOW：绿灯持续 25 秒后
  YELLOW → RED：黄灯持续 5 秒后

输出：
  red_light：boolean（红灯开关）
  green_light：boolean（绿灯开关）
  yellow_light：boolean（黄灯开关）
  countdown：double（倒计时秒数）

初始状态：RED

10.4.2 状态机设计

状态机图：

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        ●（默认转移）
        │
        ↓
  ┌─────────────────────────────────────┐
  │ RED                                 │
  │ entry: red=1; green=0; yellow=0;    │
  │        countdown=30;                │
  │ during: countdown=countdown-dt;     │
  └─────────────────────────────────────┘
        │
        │ [after(30, sec)]
        ↓
  ┌─────────────────────────────────────┐
  │ GREEN                               │
  │ entry: red=0; green=1; yellow=0;   │
  │        countdown=25;                │
  │ during: countdown=countdown-dt;     │
  └─────────────────────────────────────┘
        │
        │ [after(25, sec)]
        ↓
  ┌─────────────────────────────────────┐
  │ YELLOW                              │
  │ entry: red=0; green=0; yellow=1;   │
  │        countdown=5;                 │
  │ during: countdown=countdown-dt;     │
  └─────────────────────────────────────┘
        │
        │ [after(5, sec)]
        └──────────────────────────────────→ RED（循环）

10.4.3 Simulink 集成

搭建步骤：

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Step 1：新建 Simulink 模型

Step 2：添加 Stateflow Chart 模块
  Library Browser → Stateflow → Chart

Step 3：配置 Chart 输出端口
  在 Chart 中定义输出数据：
  右键画布 → Add Data → Output
  添加：red_light, green_light, yellow_light, countdown

Step 4：在 Chart 内部搭建状态机
  添加三个状态：RED, GREEN, YELLOW
  添加默认转移到 RED
  添加三条转移（使用 after() 时间条件）
  在每个状态的 entry 动作中设置灯光输出

Step 5：连接 Simulink 模块
  Chart 输出端口 → Display 模块（显示倒计时）
  Chart 输出端口 → Scope（显示灯光状态）

Step 6：配置仿真
  Stop Time = 120s（观察两个完整周期）
  Solver = Fixed-step, Step size = 1s

Chart 内部代码：

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RED 状态：
  entry:
    red_light = true;
    green_light = false;
    yellow_light = false;
    countdown = 30;

GREEN 状态：
  entry:
    red_light = false;
    green_light = true;
    yellow_light = false;
    countdown = 25;

YELLOW 状态：
  entry:
    red_light = false;
    green_light = false;
    yellow_light = true;
    countdown = 5;

转移条件：
  RED → GREEN：[after(30, sec)]
  GREEN → YELLOW：[after(25, sec)]
  YELLOW → RED：[after(5, sec)]

10.4.4 仿真验证

matlab 复制代码

%% 交通灯仿真验证脚本

% 运行仿真
simOut = sim('traffic_light', 'StopTime', '120');
t = simOut.tout;

% 获取输出数据
red    = simOut.logsout.getElement('red_light').Values.Data;
green  = simOut.logsout.getElement('green_light').Values.Data;
yellow = simOut.logsout.getElement('yellow_light').Values.Data;

% 绘图
figure;
subplot(3,1,1);
stairs(t, double(red), 'r-', 'LineWidth', 2);
ylabel('红灯'); ylim([-0.1 1.1]); grid on;
title('交通灯控制仿真');

subplot(3,1,2);
stairs(t, double(green), 'g-', 'LineWidth', 2);
ylabel('绿灯'); ylim([-0.1 1.1]); grid on;

subplot(3,1,3);
stairs(t, double(yellow), 'Color', [1 0.7 0], 'LineWidth', 2);
ylabel('黄灯'); ylim([-0.1 1.1]); grid on;
xlabel('时间 (s)');

% 验证时序
fprintf('=== 交通灯时序验证 ===\n');

% 找红灯开始时间
red_starts = t(diff([0; double(red)]) > 0);
fprintf('红灯开始时刻：');
fprintf('%.0f ', red_starts(1:min(3,end)));
fprintf('...\n');

% 验证周期
if length(red_starts) >= 2
    period = red_starts(2) - red_starts(1);
    fprintf('交通灯周期：%.0f 秒（期望：60秒）\n', period);
end

综合实战：电机控制模式管理

系统描述：

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工业电机控制模式管理：

模式（状态）：
  IDLE（空闲）：电机停止，等待命令
  STARTING（启动）：电机加速到目标转速
  RUNNING（运行）：电机以目标转速运行
  STOPPING（停止）：电机减速到零
  FAULT（故障）：检测到故障，紧急停机

转移条件：
  IDLE → STARTING：收到 START 命令
  STARTING → RUNNING：转速达到目标值（speed >= target_speed）
  RUNNING → STOPPING：收到 STOP 命令
  STOPPING → IDLE：转速降到零（speed <= 0）
  任意状态 → FAULT：检测到故障（fault_detected == true）
  FAULT → IDLE：故障清除（fault_cleared == true）

输出：
  motor_enable：boolean（电机使能）
  speed_setpoint：double（转速设定值）
  status_code：int8（状态码：0=空闲,1=启动,2=运行,3=停止,4=故障）

状态机代码：

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IDLE 状态：
  entry:
    motor_enable = false;
    speed_setpoint = 0;
    status_code = 0;

STARTING 状态：
  entry:
    motor_enable = true;
    speed_setpoint = target_speed;
    status_code = 1;

RUNNING 状态：
  entry:
    status_code = 2;
  during:
    % 监控运行状态
    if speed < target_speed * 0.9
        % 转速下降，可能有负载变化
        speed_setpoint = target_speed * 1.1;  % 适当提高设定值
    else
        speed_setpoint = target_speed;
    end

STOPPING 状态：
  entry:
    speed_setpoint = 0;
    status_code = 3;
  exit:
    motor_enable = false;

FAULT 状态：
  entry:
    motor_enable = false;
    speed_setpoint = 0;
    status_code = 4;
    alarm = true;
  exit:
    alarm = false;

转移：
  IDLE → STARTING：START[~fault_detected]
  STARTING → RUNNING：[speed >= target_speed * 0.95]
  RUNNING → STOPPING：STOP
  STOPPING → IDLE：[speed <= 1.0]
  IDLE → FAULT：[fault_detected]
  STARTING → FAULT：[fault_detected]
  RUNNING → FAULT：[fault_detected]
  STOPPING → FAULT：[fault_detected]
  FAULT → IDLE：[fault_cleared]

本章小结

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本章核心要点：

✅ Stateflow 用于设计逻辑状态机，补充 Simulink 的数学计算能力
✅ 状态机三要素：状态（State）/ 转移（Transition）/ 动作（Action）
✅ 状态动作：entry（进入时）/ during（持续）/ exit（退出时）
✅ 转移语法：event[condition]{action}
✅ 时间条件：after(n, sec) / every(n, sec)
✅ 默认转移：指定初始状态（实心圆点箭头）
✅ 层次化状态机：超状态包含子状态，实现复杂逻辑
✅ 并行状态（AND）：多个状态同时激活
✅ 历史节点：记住上次离开时的子状态
✅ 调试：仿真时高亮显示当前激活状态和转移

课后练习

搭建简单开关状态机：
- 状态：OFF / ON
- 转移：按钮按下时切换
- 输出：LED 状态（0/1）
- 在 Simulink 中用 Pulse Generator 模拟按钮
搭建交通灯控制系统：
- 按照本章示例完整搭建
- 添加紧急模式：收到 EMERGENCY 信号时，所有灯闪烁黄灯
- 验证时序是否正确
搭建电梯控制状态机：
- 状态：IDLE / MOVING_UP / MOVING_DOWN / DOOR_OPEN
- 转移：楼层请求、到达目标楼层、开关门
- 输出：当前楼层、运动方向、门状态
将电机控制模式管理集成到 Simulink：
- Stateflow 管理模式
- Simulink 实现电机动力学模型
- 测试各种模式切换场景
- 测试故障注入和恢复