📚 课程目录第2章 Stateflow状态机建模基础

2. Stateflow状态机建模基础

任务说明

本案例使用Simulink/Stateflow建立一个包含两个状态（启动与运行）的状态机，通过外部阶跃信号触发状态切换，并在Simulink中完成仿真验证。最终交付物为一个可直接打开的模型文件及对应的仿真测试方法。

状态机设计

状态机包含两个互斥状态：Idle（空闲）与Running（运行）。输入信号start_cmd为阶跃信号，上升沿触发状态由Idle切换至Running；输入信号stop_cmd为阶跃信号，上升沿触发状态由Running切换回Idle。输出信号status为状态编码：Idle时输出0，Running时输出1。

模型实现步骤

在MATLAB命令窗口执行以下命令创建模型（需Stateflow许可证）：

% 创建新模型
model = 'sf_two_state_demo';
new_system(model);
open_system(model);

% 添加Stateflow Chart模块
add_block('sflib/Chart', [model '/Controller']);

% 添加输入端口（来自工作空间的阶跃信号）
add_block('simulink/Sources/In1', [model '/start_cmd']);
add_block('simulink/Sources/In1', [model '/stop_cmd']);

% 添加输出端口
add_block('simulink/Sinks/Out1', [model '/status']);

% 连接输入到Chart
add_line(model, 'start_cmd/1', 'Controller/1', 'autorouting', 'on');
add_line(model, 'stop_cmd/1', 'Controller/2', 'autorouting', 'on');

% 连接Chart输出
add_line(model, 'Controller/1', 'status/1', 'autorouting', 'on');

% 保存模型
save_system(model);

在Chart内部双击打开Stateflow编辑器，添加两个状态并设置转移条件：

% 在Chart中添加状态（需在Stateflow编辑器中手动操作）
% 1. 添加状态 Idle：entry动作 status = 0;
% 2. 添加状态 Running：entry动作 status = 1;
% 3. 添加默认转移指向 Idle
% 4. 添加转移 Idle -> Running，条件：start_cmd == 1
% 5. 添加转移 Running -> Idle，条件：stop_cmd == 1

Chart的输入输出定义：输入事件start_cmd和stop_cmd为double类型的外部输入；输出status为double类型。在Chart属性中设置触发类型为Function Call或Rising Edge均可，本案例采用默认的Function Call语义，即每个仿真步长评估一次转移条件。

仿真验证

使用以下脚本配置仿真输入并运行，观察状态切换是否符合预期：

% 仿真配置
set_param(model, 'StopTime', '10');
set_param(model, 'Solver', 'FixedStepDiscrete');
set_param(model, 'FixedStep', '0.1');

% 生成阶跃输入信号
t = (0:0.1:10)';
start_cmd = zeros(size(t));
stop_cmd = zeros(size(t));

% 第2秒时 start_cmd 置1（触发 Idle -> Running）
start_cmd(t >= 2 & t < 2.1) = 1;

% 第6秒时 stop_cmd 置1（触发 Running -> Idle）
stop_cmd(t >= 6 & t < 6.1) = 1;

% 写入工作空间
assignin('base', 'start_cmd', timeseries(start_cmd, t));
assignin('base', 'stop_cmd', timeseries(stop_cmd, t));

% 连接工作空间信号到模型输入
set_param([model '/start_cmd'], 'Port', '1');
set_param([model '/start_cmd'], 'Source', 'start_cmd');
set_param([model '/stop_cmd'], 'Port', '1');
set_param([model '/stop_cmd'], 'Source', 'stop_cmd');

% 运行仿真
simOut = sim(model);

% 获取输出
status_out = simOut.get('status');
fprintf('仿真完成，输出信号长度: %d\n', length(status_out));

预期输出与判定标准

根据上述输入信号，状态机的确定性行为如下：

0～2秒：Idle状态，status输出为0；
2～6秒：Running状态，status输出为1；
6～10秒：Idle状态，status输出为0。

验证方法：在仿真结束后，使用plot(t, status_out)绘制输出曲线，观察status在2秒时从0跳变为1，在6秒时从1跳变为0，且其他时间段保持恒定，即可判定状态机逻辑正确。若输出波形与上述描述不符，检查Chart中的转移条件方向或输入信号连接是否错误。