第十章：Stateflow 状态机

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。

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

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

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。

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）：

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。

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：

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。

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。

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。

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

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：

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：

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：

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）：

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

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：

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：

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

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：

●（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：

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：

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

%% 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([-0.11.1]);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([-0.11.1]);grid on;subplot(3,1,3);stairs(t,double(yellow),'Color',[10.70],'LineWidth',2);ylabel('黄灯');ylim([-0.11.1]);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iflength(red_starts)>=2period=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：

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：

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

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

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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