埃德•马尔克斯MathWorks
了解使用statflow的基础知识®通过一个例子。您将学习如何建模、模拟和测试监督控制器,以确定建筑物是否使用存储在电池中的能量或来自电网的能量。您还将看到如何从头构建状态图,使用条件转换连接状态,添加流程图决策逻辑,然后使用动画运行模拟,以确保模型正确工作。
经过该示例后,您将了解StateFlow如何只是基于模型的设计的一部分,用于建模,模拟,测试和实现现实世界系统。
StateFlow是一个图形环境,允许您为主管控制,任务调度和故障管理应用程序设计和模拟决策逻辑。此视频将向您展示StateFlow的基础知识,并让您了解如何将其用来模拟决策逻辑。最后,我们将向您展示在旁边了解有关eventsflow的更多信息,并立即开始使用它。让我们开始。
Mathworks在马萨诸塞州的Natick的总部设有屋顶的太阳能电池板。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,他们提供了大约8%的数学工作能源需求。
将太阳能电池板与电池配对,可以让我们收集太阳能,然后在需要的时候使用它。这些太阳能板产生的能量每天都在变化。这使得人们很难找到使用收集到的能量的最佳方法。
让我们假设我们的建筑使用200千瓦,面板将收取3兆瓦的电池。当它不是阳光充足时,这充当了建筑物的缓冲区。现在我们需要决定何时使用电网以及何时使用电池,以便我们减少电费。我们需要代表所有这些操作模式,并在其之间转换时做出决定。
幸运的是,我们有Stateflow,它可以完成所有这些甚至更多。每天的电价都不一样。如果我们可以用电池来避免最高的价格,它将为我们节省最多的钱。
基于现在的时间,我们希望成为两个操作模式之一。我们可以使用有限状态机代表这两个单独的状态。如果有足够的充电,我们将使用网格或电池。如果电池耗尽,我们将返回使用该网格。只有一个操作模式随时都会有效。
我们将用一个状态流程图来为有限状态机建模。硬件已经在Simulink中建模,所以我们可以加载模型并添加到它中。万博1manbetx该模型的输入数据是以瓦特为单位的太阳能电池板每15分钟采样一次。我们有一年的数据。这就是模拟的时间。
我们将用天气探测器利用这些数据来确定天气是否晴朗。我们还需要知道一天的时间。我们会根据电池电量做出决定。所以我们有一个电池的计划模型,我们用一个范围来监测储存的能量。
最后,我们将求解器设置为固定步长求解器,以匹配太阳数据的采样率。您可以在连续系统中使用statflow。但对于这样的决策逻辑,它通常是离散时间。
好的,所以涵盖了已经建造的一切。但是,我们需要做出关于何时使用电池以及何时使用电网的决定。我们怎样才能这样做?我们可以通过添加StateFlow图表来表示我们的决策逻辑。
首先,我们将从statflow库中拖拽一个图表块到模型中。现在让我们把信号连接到图表上,这样我们就可以在内部使用它们。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。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,将添加两个端口。它开始得到一点拥挤,所以我们将调整图表块的大小。最后,我们将将此图表块重命名为构建管理器。现在我们已准备好建立我们的决策逻辑。内部我们可以使用我们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。我们将用两种状态来表示这两种操作模式,即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statflow在模拟开始时进入哪个状态。
我们先从电网汲取电力。所以默认传输将进入使用网格状态。当我们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的状态。所以我们将允许使用电网和使用电池状态之间的传输通过连接它们。
在statflow中,可以使用方括号来指定条件,使用花括号来指定操作。每隔15分钟,我们就需要决定接下来的15分钟是使用电网还是电池。为了降低总能源成本,我们尽可能先使用电池。
为了满足200千瓦15分钟的电力需求,存储能量必须大于50千瓦时。因此,我们将使用这个条件来保护从使用网格状态到使用电池状态的过渡。如果我们使用电池而它储存的能量下降到50千瓦时以下,我们将再次使用电网。
接下来,让我们指定状态操作。在equenflow中,状态可以具有不同的操作类型,包括条目,期间和退出操作。如果在进入状态的路上发生某些事情,则执行进入操作。在行动期间在剩余状态时进行。退出行动在出路中执行。
进入使用电池状态时,我们将使用进入动作将电池使用率设置为200千瓦。在使用电池状态时,我们将使用退出动作将使用率设置为0.以后,我们将使使用率率为输出信号并使用其值来调整Simulink中的电池电量。万博1manbetx
使用这种电池没有成本,因为它的能量来自太阳。另一方面,当使用电网时,能源价格是0.20美元每千瓦时,意味着能源成本每15分钟将上涨10美元。因此,我们应该在进入或停留在使用网格状态时增加能量消耗。另外,不要忘记为成本指定一个0的初始值。
好的,完成我们的第一个州过渡图。我们已经开始了一个非常好的开始,但有一些东西缺失。每千瓦时的0.20美元的能源价格仅适用于非高峰时段。对于高峰时段,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?为了跟踪时间,我们只需要另一张状态转换图。我们已经知道如何在statflow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。为了组织两者,我们将引入两个超状态,即时间和能量管理器。使用状态层次结构可以帮助我们更好地组织、组织和管理statflow中的决策逻辑。
缺省情况下,在任何给定级别中只能处于一个状态,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,我们没有默认转换。但实际上,我们在这个级别不需要一个。
我们希望同时跟踪时间和管理能源。我们把图表分解换成平行分解。我们称之为平行状态。但在现实中,事情必须以特定的顺序发生。statflow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,我们需要先知道当前时间。所以执行顺序已经是正确的。
现在我们正在跟踪使用时间,我们可以简单地遵循流程图以确定当前的能源成本。它目前在高峰时段吗?如果是,那么能源成本为15美元。如果不是,那么能源成本为10美元。
好的,回到我们的州流程图。通过添加流程图,让我们根据一天的时间重做能量成本计算。这次默认转换将我们带到一条交界处,我们将从那里分支出来。我们可以使用IN运营商来检测使用时间。
如果是在高峰时间,我们将采用第一个分支,操作是增加成本15。否则,我们将采用第二个分支并将成本增加10。就像并行状态一样,每个转换都有正确的执行顺序是很重要的。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”窗格来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。让我们点击Resolve Undefined Symbols。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它们的数据范围。特别是,每个输入和输出数据符号将成为图表块的一个端口。
由于能量消耗对我们来说很重要,我们将其数据范围改为输出数据,使其成为输出信号。回到顶层模型,现在我们的状态流程图有了输出数据的输出端口。现在让我们添加一个显示块来捕获总能源成本并进行所有连接。在statflow中,我们可以轻松地监控活动状态数据,以便进行后模拟分析。
因为我们对监控一天中不同时间的能源使用感兴趣,所以让我们为两个超级状态记录孩子的活动。我们准备通过单击run按钮来运行模拟。图表在模拟过程中是完全动画的,所以我们可以看到运行时的状态和转换。
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。我们在这个时间步骤中使用网格。我们可以看到我们处于非峰值状态。到目前为止我们的成本是4855美元。
现在我们将前进一步,看看我们收费了10美元的低峰价格。当我们采取另一步时,我们向峰值状态过渡,然后我们收费了15.01美元的高峰价。最后一步,我们已经过渡到使用电池状态。正如我们所期望的那样,我们的成本没有改变。
好的,看起来我们的决策逻辑正常工作。让我们关闭动画,然后单击继续运行其余步骤。一旦仿真完成运行,我们就可以从显示器中看到总能源成本。
让我们打开视野看看储存的能量是如何随时间变化的。我们可以在不同的阳光条件下观察到储存能量的强烈振荡。利用电池作为缓冲单元,我们成功地从太阳能电池板获得了更稳定的能源。
接下来,让我们打开模拟数据检查器。StateFlow为我们保存了活动状态数据的整个历史记录。顶部显示屏显示当前小时。它是高峰还是峰值?底部显示器告诉我们正在使用的能源,电网或电池。
仔细看看这些国家活动后,我们注意到我们的决策逻辑问题。让我们专注于这个特定的一天。我们可以从它来回切换的事实中,电池不能积累大量能量,因此它必须是阴天。结果,我们必须以非常陡峭的价格在高峰时段中间使用电网。
此时,我们后悔使用电池时的能源价格低。要解决这个问题,我们可以添加一些额外的条件。让我们等到我们在高峰状态使用电池。或者,如果我们处于峰值状态,我们只能在外面阳光充足时使用电池。
这允许更有效地利用我们全天收集的有限太阳能。这就是修改我们在eventyflow中的决策逻辑的情况是多么容易。在实践中,我们可以根据需要迭代整个设计过程,直到我们有优化的设计。
现在让我们重新训练模拟。通过这种智能决策逻辑,总能源成本下降了2%。同样,这是因为现在我们在恶劣天气期间使用电池更保守。
同时,越保守的使用模式,电池的储能峰值越高。事实上,我们应该在过度使用电池和过于保守使用电池之间找到平衡。在这两种情况下,statflow都可以帮助我们评估决策逻辑并识别潜在的缺陷。
我们使用statflow根据系统的当前状态对决策逻辑进行建模和模拟。你也可以。现在您已经对如何使用statflow有了一定的了解,是时候学习它了。
学习statflow的最好方法是使用它。因此,启动Stateflow OnRamp,它将教你基本知识。它是免费的,而且只需要几个小时。欢迎来到Stateflow。
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