Stateflow是一个图形化环境,允许您设计和模拟主管控制、任务调度和故障管理应用程序的决策逻辑。本视频将向您展示Stateflow的基础知识,并让您了解如何使用它来建模决策逻辑。最后,我们将向您展示下一步要去哪里了解更多关于Stateflow的信息,并从今天开始使用它。让我们开始吧。
MathWorks在马萨诸塞州纳蒂克的总部安装了屋顶太阳能电池板。这些太阳能电池板可以帮助降低我们的电力成本和对化石燃料的依赖。事实上,它们提供了大约8%的MathWorks能量需求。
将太阳能电池板与电池配对可以让我们收集太阳能,然后在需要时使用。这些太阳能电池板产生的能量每天都在变化。这使得很难找到使用所收集能量的最佳方法。
假设我们的大楼耗电200千瓦,电池板将为3兆瓦时的电池充电。这是一个缓冲区,在没有阳光的时候为建筑供电。现在,我们需要决定何时使用电网和何时使用电池,这样我们才能减少电费。我们需要代表所有这些运行模式,并决定何时在它们之间转换。
幸运的是,我们有Stateflow,它可以完成所有这一切甚至更多。一整天的电价都不一样。如果我们能用它来避免最高价格,电池将为我们节省最多的钱。
根据现在的时间,我们希望处于两种操作模式之一。我们可以使用有限状态机将其表示为两个独立的状态。如果电池电量充足,我们将使用电网或电池。如果电池电量耗尽,我们将恢复使用电网。任何时候只有一种工作模式处于活动状态。
我们将用状态流程图对有限状态机进行建模。硬件已经在Simulink中建模,所以我们可以加载模型并添加到其中。模型的输入数据是每15分钟采样一次的太阳能电池板的功率(瓦特)。我们有一年的数据。这就是我们的模拟时间。
我们将使用这些数据来确定天气探测器是否晴朗。我们还需要知道一天中的时间。我们将根据电池电量做出决定。所以我们有一个电池的计划模型,我们用示波器监测储存的能量。
最后,我们将解算器设置为固定步长的解算器,以匹配太阳数据的采样率。您可以对连续系统使用Stateflow。但对于这样的决策逻辑,它通常是离散时间。
好的,这涵盖了已经构建的所有内容。但我们需要决定何时使用电池,何时使用电网。我们该怎么做?我们可以通过添加一个Stateflow图来表示我们的决策逻辑来实现这一点。
我们首先将一个图表块从Stateflow库拖到模型中。现在,让我们把信号连接到图表上,以便在内部使用它们。由于我们的信号已经有了名称,我们可以将它们拖到图表块上。并且端口名称将被设置为信号名称。
当我们将其他两个信号拖到图表上时,将添加另外两个端口。它开始变得有点拥挤,所以我们将调整图表块的大小。最后,我们将此图表块重命名为Building Manager。现在我们准备构建我们的决策逻辑。在内部,我们可以使用刚刚连接的所有信号。
我们大楼内的能源系统可以在使用电网和电池供电之间切换。我们将使用两种状态表示这两种操作模式,称为使用电网和使用电池。我们还需要通过添加默认转换来告诉Stateflow在模拟开始时要进入的状态。
我们将从从电网获取电力开始。因此,默认传输将进入使用电网状态。在电池中收集了一些太阳能后,我们应该考虑切换到使用电池状态。因此,通过连接,我们将允许在使用电网和使用电池状态之间进行传输。
在Stateflow中,我们可以使用方括号指定条件,使用花括号指定操作。每15分钟,我们需要决定在接下来的15分钟内是使用电网还是使用电池。为了降低总能源成本,让我们尽可能先使用电池。
为了满足15分钟200千瓦的电力需求,储能必须大于50千瓦时。因此,我们将使用此条件来保护从使用电网状态到使用电池状态的过渡。如果我们使用的是电池,而它的储能低于50千瓦时,我们将再次使用电网。
接下来,让我们指定状态操作。在Stateflow中,状态可以有不同的操作类型,包括进入、执行期间和退出操作。如果在进入状态的过程中发生了一些事情,则执行进入操作。在保持状态时执行动作。退出操作是在退出状态的过程中执行的。
当进入“使用电池”状态时,我们将使用输入操作将电池使用率设置为200千瓦。当退出“使用电池”状态时,我们将使用退出操作将使用率设置为0。稍后,我们将使用率作为输出信号,并使用其值在Simulink中调整电池的充电水平。
因为电池的能量来自太阳,所以使用电池没有成本。另一方面,当使用电网时,能源价格为每千瓦时0.20美元,这意味着每15分钟能源成本将增加10美元。因此,在进入或保持使用电网状态时以及在行动期间,我们应该增加能源成本。另外,我们不要忘记为成本指定一个0的初始值。
好了,这就完成了我们的第一个状态转换图。我们有了一个非常好的开始,但还缺少一些东西。每千瓦时0.20美元的能源价格仅适用于非高峰时段。在高峰时段,能源价格为每千瓦时0.30美元。
那么我们如何适应时变价格呢?为了能够跟踪时间,我们只需要另一个状态转换图。我们已经知道如何在Stateflow中构建一个。这样,我们就可以很容易地知道基于使用时间的能源价格。
现在我们有两个独立的任务,跟踪是非高峰时间还是高峰时间,以及管理能源。为了组织这两者,我们将介绍两位超级明星,他们被称为时间和精力经理。使用状态层次结构有助于我们更好地组织、构造和管理Stateflow中的决策逻辑。
默认情况下,在任何给定级别上只能有一个状态处于活动状态,这意味着状态流程图具有独占分解。这就是为什么Stateflow警告我们没有默认转换的原因。但实际上,我们在这个级别上不需要。
我们希望跟踪时间并同时管理能源。因此,让我们将图表分解转换为并行。我们称这些平行状态。但实际上,事情必须按特定的顺序发生。Stateflow允许我们为每个并行状态指定执行顺序,这有助于避免决策逻辑中的歧义。
接下来,让我们检查这两个并行状态的执行顺序。为了能够计算能源成本,我们首先需要知道当前时间。因此,执行顺序已经是正确的。
现在我们正在跟踪使用时间,我们可以简单地按照流程图来确定当前的能源成本。目前是在高峰时段吗?如果是,那么能源成本将是15美元。如果没有,那么能源成本将是10美元。
好的,回到我们的状态流程图。让我们添加一个流程图,根据一天中的时间重新计算能源成本。这一次,默认过渡将我们带到一个交叉点,我们将从那里分支。我们可以使用in运算符来检测使用时间。
如果是在高峰时间,我们将选择第一个分支,行动是将成本增加15。否则,我们将选择第二个分支,并将成本增加10。就像对于并行状态一样,每个转换都必须有正确的执行顺序。例如,如果这里的执行顺序是向后的,则永远不会检查右分支。
接下来,我们可以使用“符号”窗格定义图表中使用的符号。注意,我们已经有三个输入符号,它们对应于我们从顶层模型创建的三个输入端口。让我们单击“解析未定义的符号”。这将自动确认我们使用的符号,并根据它们的使用方式定义其数据范围。特别是,每个输入和输出数据符号都将成为图表块的端口。
由于能源成本对我们很重要,让我们将其数据范围更改为输出数据,使其成为输出信号。回到顶层模型,现在我们的状态流程图具有输出数据的输出端口。现在,让我们添加一个显示块来获取总能源成本并进行所有连接。在Stateflow中,我们可以很容易地监视活动状态数据以进行模拟后分析。
由于我们对监测一天中不同时间的能源使用情况感兴趣,让我们记录两位超级明星的儿童活动。我们已经准备好通过单击run按钮来运行模拟。该图表在模拟期间完全动画化,因此我们可以在运行时查看状态和转换。
但我们如何确保我们的决策逻辑正常工作呢?让我们暂停模拟并放慢动画速度。我们在这个时间点使用网格。我们可以看到我们处于非高峰状态。到目前为止,我们的费用是4855美元。
现在,我们向前迈出一步,看看我们的账单是非峰值价格10美元。当我们采取另一个步骤时,我们将过渡到峰值状态,然后我们将收取15.01美元的峰值价格。最后一步,我们已经过渡到使用电池状态。正如我们所料,我们的成本没有改变。
好的,看起来我们的决策逻辑工作正常。让我们关闭动画并单击“继续”以运行其余步骤。一旦模拟完成运行,我们可以从显示屏上看到总能耗。
让我们打开这个范围,看看储存的能量是如何随时间变化的。我们可以从不同的阳光条件中观察到储存能量的强烈振荡。使用电池作为缓冲单元,我们设法从太阳能电池板中获得了更稳定的能源。
接下来,让我们打开仿真数据检查器。Stateflow为我们保存了活动状态数据的整个历史记录。顶部显示当前小时。是高峰还是非高峰?底部显示屏告诉我们正在使用的能源,电网或电池。
在仔细研究了这些状态活动之后,我们注意到我们的决策逻辑有一个问题。让我们关注这一天。我们可以从它来回切换的事实中看出,电池无法积累太多能量,所以那天一定是阴天。因此,我们不得不在高峰时段以非常高昂的价格重新使用电网。
在这一点上,我们很抱歉在能源价格低的时候使用电池。为了解决这个问题,我们可以添加一些附加条件。让我们等到我们处于峰值状态时再使用电池。或者,如果我们处于非高峰状态,我们只能在室外阳光明媚时使用电池。
这样可以更有效地利用我们一整天收集的有限太阳能。这就是在Stateflow中修改决策逻辑的容易程度。实际上,我们可以根据需要多次迭代整个设计过程,直到得到优化的设计。
现在让我们重新运行模拟。有了这种明智的决策逻辑,总能源成本下降了2%。同样,这是因为现在我们在恶劣天气下对电池更加保守。
同时,更保守的使用模式会导致电池储能峰值更高。实际上,我们应该在过度使用电池和过度保守之间找到平衡。无论哪种情况,Stateflow都可以帮助我们评估决策逻辑并识别潜在的陷阱。
我们使用Stateflow根据系统的当前状态对决策逻辑进行建模和仿真。你也可以。现在您已经了解了使用Stateflow是什么样子,是时候学习它了。
学习Stateflow的最好方法是使用它。所以启动Stateflow OnRamp,它会教你基本知识。它是免费的,只需要几个小时。欢迎来到Stateflow。