Stateflow: Eine grafische Erweiterung zu SIMULINK

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1 Stateflow: Eine grafische Erweiterung zu SIMULINK Simulation mit Matlab / Simulink

2 Was ist Stateflow? Modellierung und Simulation von endlichen Zustandsautomaten/ereignisorientierten reaktiven Systemen durch Zustandsübergangsdiagramme in einer grafischen Oberfläche (Chart) Z1 Bed. 1 Z2 eingebettet in ein SIMULINK Modell Bed. 3 Bed. 2 Z3 Simulation mit Matlab / Simulink 2

3 Einfaches Beispiel Reaktives System: Lichtschalter zwei Zustände: Ein und Aus Wechselt den Zustand durch das Ereignis schalten Ein schalten schalten Aus Simulation mit Matlab / Simulink 3

4 Starten von Stateflow Start durch Eingabe von: sf oder stateflow Elemente eines Stateflow Modells: Umgebendes SIMULINK Modell Stateflow Chart mit grafischem Editor State Machine (alle Charts zusammen) State Machine wird als SIMULINK S-Funktion realisiert (automatische Erzeugung) Simulation mit Matlab / Simulink 4

5 Grafische Elemente Grafische Grundelemente von Stateflow Zustände mit Zustandsaktionen Transitionen mit Übergangsbedingungen (Labels) Default Transitions Connective Junction (Vereinigung von Transitionen) History Junction (Gedächtnis für zuletzt aktiven Zustand) Simulation mit Matlab / Simulink 5

6 Grafische Elemente: Zustände Eigenschaften von Zuständen Sie beschreiben den Modus eines Systems und können entweder aktiv oder inaktiv sein Zustände können aktiviert und verlassen werden Sie können Aktionen ausführen: entry action, during action, exit action, on event action und ihre Aktivität an SIMULINK ausgeben Es können Exklusiv- oder Parallel Zustände existieren Simulation mit Matlab / Simulink 6

7 Grafische Elemente: Zustände Eigenschaften von Zuständen bind action: gebundene Daten und Events können nur von diesem Zustand geändert werden, aber von allen gelesen werden. Entspricht einem Schreibschutz für Daten in komplexen Modellen. Beispiel: bind: data1, event1; Variable data1 nur von diesem Zustand änderbar, Event event1 nur von diesem Zustand auslösbar. Simulation mit Matlab / Simulink 7

8 Grafische Elemente: Zustände Anordnungsmöglichkeiten von Zuständen Exklusiv-Oder: genau ein Zustand einer Hierarchieebene ist aktiv Parallel: mehrere Zustände sind gleichzeitig aktiv; Ausführungsreihenfolge und veränderte Darstellung beachten! Änderung im Shortcut Menü Decomposition Simulation mit Matlab / Simulink 8

9 Grafische Elemente: Transitionen Transitionen sind Übergangsmöglichkeiten zwischen Zuständen Überprüfung bei aktivem Quellobjekt und bei Auftreten von Events Default Transition wird geprüft, wenn kein Quellobjekt einer normalen Transition aktiv ist Label einer Transition kann folgende Felder enthalten: event[condition]{condition_action}/transition_action Simulation mit Matlab / Simulink 9

10 Grafische Elemente: Transitionen Typische Label einer Transition Label besteht aus: Event Event und Bedingung Bedingung Transitionsaktion Leerer Label Transition ist gültig, wenn: Das Event auftritt Das Event auftritt und die Bedingung wahr ist Ein beliebiges Event auftritt und die Bedingung wahr ist Ein beliebiges Event auftritt Ein beliebiges Event auftritt Simulation mit Matlab / Simulink 10

11 Grafische Elemente: Verbindungspunkte Verbindungspunkte dienen dem Aufspalten oder Zusammenführen von Transitionen Oder Entscheidungen / If-Abfrage For-Schleife / Self Loop Transition Reine Flußdiagramme (ohne Zustände) Wichtig: Eine Event ist solange aktiv, bis ein neuer Zielzustand gefunden wurde Simulation mit Matlab / Simulink 11

12 Triggermethoden eines Charts Ausführung nur bei Auftreten eines Events inherited: implizite Events bei jeder Neuberechnung der Eingangssignale oder externe Events von Simulink Discrete: implizite Events in der angegebenen Abtastrate Continuous: implizite Events bei jedem Integrationsschritt von SIMULINK und evtl. auch dazwischen Simulation mit Matlab / Simulink 12

13 Nicht grafische Elemente: Data Dictionary Data Dictionary entspricht dem Matlab Worksapce (Speicher aller Daten) Darstellung im Model Explorer Streng objektorientierter Aufbau (Einfluss auf Sichtbarkeit von Variablen!): Mutter-Kind Beziehungen Jedes Event und jede Variable muss vor der Verwendung deklariert werden. Simulation mit Matlab / Simulink 13

14 Nicht grafische Elemente: Data Dictionary Interne Variablen und Events: Zuordnung zum Mutter-Objekt Externe Variablen und Events aus SIMULINK: Zuordnung zum Chart Hinzufügen von Variablen und Events zu Mutter-Objekten: Explorer Hinzufügen von Variablen und Events zum Chart: Explorer oder Stateflow Editor Simulation mit Matlab / Simulink 14

15 Hierarchiebildung Ein Chart ist objektorientiert aufgebaut: Jeder Zustand kann weitere Kind-Objekte besitzen Kind-Objekte können auch wieder Zustände sein Dadurch ergeben sich folgende Funktionalitäten: o Hierarchieebenen durch Super- und Substates o Unterteilung von Zuständen durch Substates in Exklusiv- Oder Anordnung o Gleichzeitigkeit durch parallele Superstates Simulation mit Matlab / Simulink 15

16 Hierarchiebildung: Exklusiv-Superstates Unterteilung von Zuständen in Unterzustände zur Strukturierung des Charts: Visuelle Zusammenfassung durch Gruppierung (Doppelklick) Zustände zu Funktionsgruppen zusammenfassen Einfügen von Gedächtnis durch History-Junctions Transitionen über Hierarchiegrenzen hinweg zulässig Simulation mit Matlab / Simulink 16

17 Hierarchiebildung: Exklusiv-Superstates Inner Transitions von Super- zu Substates zulässig Beachte: o Superstate: er ist aktiv, wenn mindestens einer seiner Substates aktiv ist o Superstate: er kann nur dann aktiv werden, wenn mindestens einer seiner Substates auch aktiv ist o Substate: er wird verlassen, wenn der umgebende Superstate verlassen wird Simulation mit Matlab / Simulink 17

18 Hierarchiebildung: Parallel-Superstates Unterteilung von Teilen des Charts in parallel ablaufende Untergruppen: Realisierung parallel ablaufender Vorgänge Ausführungsreihenfolge ist durch Plazierung gegeben: von links nach rechts und von oben nach unten Ausführungsreihenfolge kann ab R2008b auch explizit angegeben werden: Shortcut Menü Execution Order Ausführungsreihenfolge wird durch Nummer angezeigt Erstellung: zuerst normalen Zustand erzeugen, dann das Shortcut Menü Decomposition/Parallel wählen Simulation mit Matlab / Simulink 18

19 Hierarchiebildung: Boxes Rein visuelle Zusammenfassung von grafischen Elementen Erzeugung: zuerst normaler Zustand, dann Shortcut Menü Type/Box oder Verwendung des Box Tools Gruppierung durch Doppelklick auf die Box Ausführungsreihenfolge wie bei Parallel-Zuständen: von links nach rechts und oben nach unten oder durch explizite Angabe (ab R2008b) Simulation mit Matlab / Simulink 19

20 Hierarchiebildung: Subcharts Entsprechung von Subsystemen in SIMULINK sie besitzen identische Eigenschaften wie Superstates, insbesondere o können sie Ziel und Quelle von Transitionen sein o können sie als Exklusiv- oder Parallel-Subchart angeordnet sein o können Transitionen über Subchart-Grenzen hinweg erfolgen Simulation mit Matlab / Simulink 20

21 Erzeugung von Subcharts: Stateflow Hierarchiebildung: Subcharts Zuerst einen Exklusiv- oder Parallel-Superstate erzeugen dann den Superstate markieren und das Shortcut Menü Make Contents/Subcharted auswählen Simulation mit Matlab / Simulink 21

22 Hierarchiebildung: Subcharts Navigation: Öffnen des Subcharts durch Doppelklick Navigation durch die Pfeiltasten im grafischen Editor Transitionen nach Innen: ziehen der Transition zur Mitte des Subcharts bis ein Strudel erscheint Transitionen nach Außen: ziehen der Transition auf den Rand des Subcharts bis ein Strudel erscheint Simulation mit Matlab / Simulink 22

23 Hierarchiebildung: Grafische Funktionen Realisierung wiederkehrender Aktionen durch Funktionen: Implementierung als zustandslose Flussdiagramme Formale Funktionsdefinition im Label Berechnung des Funktionswerts in der Bedingungs- oder Transitionsaktion Alle Elemente außer Zuständen sind zulässig, insbesondere Transitionen und Verbindungspunkte Simulation mit Matlab / Simulink 23

24 Hierarchiebildung: Grafische Funktionen Erstellen einer Funktion: Erzeugen eines Superstate Markieren und Auswahl des Shortcut Menüs Type/Function oder Verwendung des Graphical Function Tools Erstellen des Labels (formale Funktionsdefinition) Erstellen des Flussdiagramms mit Funktionswertberechnung Simulation mit Matlab / Simulink 24

25 Was sind Truth Tables? Stateflow Truth Tables Logische Wahrheitstabellen Alternative zu if-then-else-abfragen Condition Table: Bedingungen und Entscheidungsergebnisse Action Table: den Entscheidungsergebnissen zugeordnete Aktionen, inkl. INIT- und FINAL-Aktion (unabhängig von Entscheidungsergebnissen) Simulation mit Matlab / Simulink 25

26 Truth Tables - Beispiel Quantisierer, der die nächst kleinere ganze Zahl seines Eingangswertes ausgibt, mit Sättigung bei 0 und +5. Condition D1 D2 D3 D4 D5 D6 x<1 T F F F F - x<2 T T F F F - x<3 T T T F F - x<4 T T T T F - x<5 T T T T T - Action y=0 y=1 y=2 y=3 y=4 y=5 Simulation mit Matlab / Simulink 26

27 Äquivalenter Matlab-Code: Stateflow Truth Tables - Beispiel if ((x < 1) & (x < 2) & (x < 3) & (x < 4) & (x < 5)) y = 0; elseif (~(x < 1) & (x < 2) & (x < 3) & (x < 4) & (x < 5)) y = 1; elseif (~(x < 1) & ~(x < 2) & (x < 3) & (x < 4) & (x < 5)) y = 2; elseif (~(x < 1) & ~(x < 2) & ~(x < 3) & (x < 4) & (x < 5)) y = 3; elseif (~(x < 1) & ~(x < 2) & ~(x < 3) & ~(x < 4) & (x < 5)) y = 4; else y = 5; end Simulation mit Matlab / Simulink 27

28 Truth Tables - Erstellung Verwendung des Truth Table Tools. Definition des Prototyps. Doppelklick zum Öffnen des Truth Table Editors. Hinzufügen von Zeilen und Spalten mit den Schaltflächen in der oberen Zeile. Labels in Bedingungen und Aktionen zulässig, abgeschlossen durch Doppelpunkt. INIT- und FINAL-Aktionen durch die Labels INIT und FINAL eingeleitet, an beliebiger Stelle zulässig. Simulation mit Matlab / Simulink 28

29 Embedded Matlab Funktionen Verwendung von Matlab-Code in Echtzeitanwendungen (ohne vorhandenes Matlab) Begrenzter Befehlssatz (Online Hilfe nach Embedded Matlab Run-Time Function Library durchsuchen) Einschränkung: Nur ein Rückgabewert zulässig Hinzufügen über embedded Matlab Function Tool und editieren im Embedded Matlab Editor Praktischer Ersatz für grafische Funktionen Simulation mit Matlab / Simulink 29

30 Embedded Simulink Funktionen Verwendung von Simulink Modellen innerhalb von Stateflow. Hinzufügen über Simulink Function Tool und editieren in einem Simulink Fenster. In Stateflow wird der Funktionsprototyp definiert. Doppelklick öffnet das Simulink Fenster mit vorbereiteten Einund Ausgängen. Erleichtert die Wiederverwendung vorhandener Simulink Modelle. Simulation mit Matlab / Simulink 30

31 Was ist Action Language? Stateflow Action Language Durchführen logischer Vergleiche, numerischer Operationen und Zuweisungen an Variablen Zustandsaktionen: entry, during, exit-action Auslösen von Events (gerichtet und ungerichtet) Spezielle Abfragen (z.b. in(state_name), siehe Tab. 12.3) Zugriff auf Matlab Workspace und Funktionen Simulation mit Matlab / Simulink 31

32 Action Language Verwendung von Action Language Verwendung in den Labeln von Zuständen und Transitionen Addition/Subtraktion: a+b, a-b Vergleiche: a>b, a==b, a<=b, a b, a && b Zuweisungen: a=b, a++, a+=b Zusammenfassung in den Tab bis 12.7 Simulation mit Matlab / Simulink 32

33 Datentyp Umwandlungen Stateflow Action Language explizite Typumwandlung: y=cast(3*x,int16) Matlab-Stil: y=int16(3*x) Abhängig vom Datentyp einer anderen Variablen: x=cast(y,type(z)) Mögliche Datentypen: double, single, int32, int16, int8, uint32, uint16, uint8, boolean Simulation mit Matlab / Simulink 33

34 Action Language Zugriff auf Matlab-Funktionen Matlab-Funktion mit Workspace Variable x aufrufen o a = matlab('sin(x)'); o Kurzform: a = ml('sin(x)'); Matlab-Funktion mit Variable aus Stateflow aufrufen o a = matlab('sin(%g)', b); o Platzhalter: double (%g), integer (%d), string (%s) Simulation mit Matlab / Simulink 34

35 Action Language Variablen in Action Language Ansprechen durch Variablenname in aktueller und höheren Hierarchieebenen (z.b. a) Ansprechen durch vollen Pfad bei lokalen Variablen in Kind- Objekten (z.b. Z1.On.a) Einzelne Elemente eines Arrays: matrix[1][3] Alle Elemente eines Arrays: matrix=matrix*10 Simulation mit Matlab / Simulink 35

36 Action Language Event Broadcasting Ungerichtet: Name des Events in einer Zustands- oder Transitionsaktion angeben Das Event ist in allen Zuständen seines Scopes sichtbar Gerichtet: send(event1,z2) sendet das Event event1 an Zustand Z2 Das Event ist nur im Zustand Z2 sichtbar Simulation mit Matlab / Simulink 36

37 Temporallogik Operatoren Stateflow Action Language Logische Operatoren, die auf Basis des wiederholten Auftretens von Events ausgewertet werden Verwendung nur in Zustandslabeln und Transitionslabeln, deren Quelle ein Zustand ist Verwendung zur Abfrage von mehrmaligem Auftreten von Events Simulation mit Matlab / Simulink 37

38 Temporallogik Operatoren Stateflow Action Language after(n,e): true, wenn das Event E mindestens n mal aufgetreten ist before(n,e): true, solange das Event E weniger als n mal aufgetreten ist at(n,e): true, wenn das Event E genau n mal aufgetreten ist every(n,e): wird bei jedem n-ten Auftreten des Events E zu true ausgewertet Simulation mit Matlab / Simulink 38

39 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat Funktion des Automaten Automat eingeschaltet: Zustand On Automat ausgeschaltet: Zustand Off Getränke: Orange, Cola, Fanta, Wasser Wenn der Automat eingeschaltet ist, existieren die Zustände Bereit (akzeptieren einer Auswahl) und einer für jedes Getränk Simulation mit Matlab / Simulink 39

40 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat Funktion des Automaten Eine erneute Auswahl darf nur akzeptiert werden, wenn das Getränk entnommen wurde Alle Events werden in SIMULINK durch manuelle Schalter ausgelöst Die Getränkeauswahl wird durch eine Variable mit Werten von 1 bis 4 kodiert Simulation mit Matlab / Simulink 40

41 Funktion des Gebläses Stateflow Anwendungsbeispiel: Heizgebläse Es existieren ein Gebläse und einen Heizstab, die unabhängig ein- und ausgeschaltet werden können Der Heizstab darf nur bei aktivem Gebläse in Betrieb sein Alle Events werden durch manuelle Schalter in SIMULINK erzeugt Das Chart soll nur bei externen Triggersignalen ausgeführt werden Simulation mit Matlab / Simulink 41

42 Funktion des Gebläses Stateflow Anwendungsbeispiel: Heizgebläse Die Synchronisation zwischen beiden Superstates soll durch Event-Broadcasting erfolgen Beim Aus- und Einschalten des Gebläses soll der jeweils letzte Zustand der Heizung wieder hergestellt werden Es handelt sich um typisches Beispiel paralleler Superstates Simulation mit Matlab / Simulink 42

43 Aufgabenstellung Stateflow Übungsaufgabe: Mikrowellensteuerung Türe kann offen oder geschlossen sein, nur im geschlossenen Zustand ist weitere Funktionalität möglich. Bei geschlossener Tür lässt sich die Mikrowelle ein- und ausschalten. Es existieren 3 Leistungsstufen der Mikrowellenleistung. Beim Einschalten soll die zuletzt aktive Leistungsstufe erhalten bleiben. Beim Öffnen der Türe während des Betriebs wird das Gerät abgeschalten. Während des Betriebs soll ein Wechsel der Leistungsstufe jederzeit durch Auswahl und Betätigung eines Schalters möglich sein. Simulation mit Matlab / Simulink 43

44 Lösungshilfe Stateflow Übungsaufgabe: Mikrowellensteuerung Erstellen Sie jeweils einen Zustand Open und Closed für die beiden Türstellungen. Ein Wechsel soll durch das Event door erfolgen. Erstellen Sie innerhalb von Closed die beiden Zustände Off und On. Ein Wechsel soll durch das Event switch erfolgen. Erstellen Sie innerhalb On drei Zustände (Stufe1, Stufe2, Stufe3) für die drei Leistungsstufen. Die Leistungsstufe wird durch die externe Variable stufe ausgewählt, der Wechsel durch das Event change ausgelöst. Denken Sie an die Möglichkeit einer Inner Transition. Erstellen Sie nun alle Variablen und Events im Explorer und im umgebenden Simulink Modell. Simulation mit Matlab / Simulink 44

45 Übungsaufgabe: Zweipunkt-Regelung Augabenstellung Die Regelstrecke ist beschrieben durch: y( s) F( s) u( s) 1 (1 0.1 s) (1 s) Die möglichen Stellgrößen u betragen 0 oder +10. Regelstrategie: Bei einer Abweichung der Regelgröße y um mehr als 10% vom Sollwert w wird ein Schaltvorgang von 0 auf +10 bzw. von +10 auf 0 vorgenommen. Der Regler arbeitet nur, wenn er durch eine externe variable freigeben freigegeben wird. Bei jedem 10. Schaltvorgang soll die Workspace-Variable zaehler um eins erhöht werden. Simulation mit Matlab / Simulink 45

46 Übungsaufgabe: Zweipunkt-Regelung Lösungshilfe Erstellen Sie in Simulink die Regelstrecke mit Stellgröße u und Regelgröße y und stellen Sie beide in einem Scope grafisch dar. Erstellen Sie ein Chart mit den Eingängen freigeben, Sollwert w und Regelgröße y. Geben Sie als Sollwert einen Sprung der Höhe 5 vor. Erstellen Sie im Chart die Zustände blockiert und Freigabe. Ein Wechsel ist durch die boolsche Variable freigeben möglich. Erstellen Sie innerhalb von Freigabe die Zustände u0 und u10. Erstellen Sie die Bedingungen für Ein- und Ausschalten. Die Ausgabe u wird durch die Entry Actions der Zustände u0 und u10 verändert. Lösen Sie bei jedem Einschalten das Event zaehlerevent aus. Erhöhen Sie in der During Action von Freigabe bei jedem 10ten Event zaehlerevent die Workspace Variable zaehler. Simulation mit Matlab / Simulink 46