📚 课程目录第2章状态机与Simulink信号交互

2. 状态机与Simulink信号交互

任务目标

在Simulink中建立一个包含Stateflow图表的状态机模型，实现以下功能：读取Simulink输入信号（阶跃信号），根据信号值的大小在“低电平”与“高电平”两个状态之间切换，并将当前状态编号（0或1）作为输出信号返回给Simulink，供Scope显示或后续模块使用。

环境依赖

MATLAB R2020a或更高版本（含Stateflow许可证）
Simulink与Stateflow工具箱

模型搭建步骤

新建Simulink模型，添加以下模块：
- Signal Editor或Step模块（作为输入信号源）
- Stateflow Chart模块（双击进入编辑状态机）
- Scope模块（显示输出）
在Stateflow编辑器中创建两个状态：Low（低电平）与High（高电平）。
定义输入事件或使用默认的输入条件触发方式（本例采用函数调用式输入，即每个仿真步长读取一次输入）。
设置状态转移条件，并定义输出变量。

Stateflow内部实现

在Stateflow图表中，添加一个输入端口u（来自Simulink）和一个输出端口y（返回状态值）。使用以下逻辑：

初始状态为Low，输出y = 0。
当u >= 1时，从Low转移到High，输出y = 1。
当u < 1时，从High转移回Low，输出y = 0。

关键完整代码（Stateflow图表定义）

以下为Stateflow图表的完整定义，可直接复制到Stateflow编辑器中（通过“编辑 > 添加 > 图表”后，在图表属性中粘贴或手动创建）：

// Stateflow 图表内部定义
// 输入: u (double)
// 输出: y (double)

// 状态 Low:
//   entry: y = 0;
//   转移条件: [u >= 1]  → 状态 High

// 状态 High:
//   entry: y = 1;
//   转移条件: [u < 1]  → 状态 Low

// 默认转移: → 状态 Low

在Stateflow图形编辑器中，手动创建两个状态框并填写上述逻辑，或使用以下MATLAB脚本自动生成模型与图表：

% 创建模型与Stateflow图表（完整可运行）
modelName = 'sf_signal_interaction';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

% 添加输入信号源（阶跃信号，在t=5时从0跳变到1）
add_block('simulink/Sources/Step', [modelName '/Input']);
set_param([modelName '/Input'], 'Time', '5', 'Before', '0', 'After', '1');

% 添加Stateflow Chart模块
add_block('sflib/Chart', [modelName '/StateMachine']);

% 添加Scope
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Output']);

% 连接信号
add_line(modelName, 'Input/1', 'StateMachine/1');
add_line(modelName, 'StateMachine/1', 'Output/1');

% 配置Stateflow图表输入输出
rt = sfroot;
chart = find(rt, '-isa', 'Stateflow.Chart', 'Path', [modelName '/StateMachine']);
if isempty(chart)
    % 若图表不存在则创建
    load_system('sflib');
    add_block('sflib/Chart', [modelName '/StateMachine']);
    chart = find(rt, '-isa', 'Stateflow.Chart', 'Path', [modelName '/StateMachine']);
end

% 添加输入和输出数据
inputData = Stateflow.Data(chart);
inputData.Name = 'u';
inputData.Scope = 'Input';

outputData = Stateflow.Data(chart);
outputData.Name = 'y';
outputData.Scope = 'Output';

% 创建状态
lowState = Stateflow.State(chart);
lowState.Name = 'Low';
lowState.Position = [50 50 100 60];

highState = Stateflow.State(chart);
highState.Name = 'High';
highState.Position = [200 50 100 60];

% 默认转移到Low
defaultTrans = Stateflow.Transition(chart);
defaultTrans.Source = [];
defaultTrans.Destination = lowState;
defaultTrans.LabelString = '';

% Low → High 转移
trans1 = Stateflow.Transition(chart);
trans1.Source = lowState;
trans1.Destination = highState;
trans1.LabelString = 'u >= 1';

% High → Low 转移
trans2 = Stateflow.Transition(chart);
trans2.Source = highState;
trans2.Destination = lowState;
trans2.LabelString = 'u < 1';

% 设置状态entry动作
lowState.LabelString = sprintf('Low:\nentry: y = 0;');
highState.LabelString = sprintf('High:\nentry: y = 1;');

% 保存模型
save_system(modelName);
disp('模型已创建并保存。');

运行与验证

将上述MATLAB脚本复制到命令窗口执行，自动生成完整模型。
点击Run按钮运行仿真（默认仿真时间10秒）。
双击Scope模块查看输出波形。

通过条件：Scope中显示输出信号y在0～5秒内保持为0，在5秒后跳变为1并保持到仿真结束。该结果与输入阶跃信号在t=5秒从0变为1的逻辑完全一致，证明状态机正确读取了Simulink输入信号并完成了状态切换与输出。

预期输出说明

由于输入信号为确定性阶跃（t=5前为0，t=5后为1），根据状态机逻辑可唯一推出：输出y在t=5前为0，t=5后为1。此预期结果由代码逻辑直接推导，非实测数据。