MATLAB與VC++混合編程在懸置系統(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)中的應(yīng)用*

雷芳華，孫 寧，劉博良

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

在工程計(jì)算中，多數(shù)工程的實(shí)現(xiàn)幾乎都要涉及多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，常規(guī)的解決辦法是運(yùn)用MATLAB或VC++軟件進(jìn)行編程計(jì)算，但目前這些軟件都還存在一些不足。一方面MATLAB雖有強(qiáng)大的計(jì)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，但是由于程序不能脫離其MATLAB環(huán)境運(yùn)行，限制了程序的通用性和應(yīng)用開發(fā)，不利于后續(xù)編程；另一方面Visual C++程序的代碼運(yùn)行效率高，界面設(shè)置交互性也比較好，但是由于在函數(shù)計(jì)算能力方面的不足，很大程度上加大了編程人員對(duì)一般數(shù)學(xué)函數(shù)和算法的工作量。通過合適的編譯器，結(jié)合MATLAB和Visual C++混合編程能有助于界面開發(fā)和代碼重用，而且算法精確度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，混合編程連接性較好[1]。

近年來(lái)隨著動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程的發(fā)展，絕大部分研發(fā)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以系統(tǒng)的固有頻率和解耦程度為合理設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用MATLAB的GUI界面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化面板設(shè)計(jì)，這在一定程度上可以很好地提高運(yùn)算能力，但卻制約了程序升級(jí)和改進(jìn)的可擴(kuò)展性能力。針對(duì)這些工程問題，本文提出了一種基于MATCOM轉(zhuǎn)換法的VC++與MATLAB混合編程。傳統(tǒng)的VC++與MATLAB混合編程一般是在VC++環(huán)境下調(diào)用MATLAB編寫的函數(shù)，在函數(shù)參數(shù)傳遞方面多用MATLAB編寫優(yōu)化算法函數(shù)，總是將目標(biāo)函數(shù)的匿名函數(shù)作為其參數(shù)之一，以此來(lái)達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的目的。然而在C++語(yǔ)言中是不能將函數(shù)作為參數(shù)調(diào)用的，關(guān)于VC++與MATLAB混編參數(shù)調(diào)用這方面的文章也相當(dāng)少，本文提出了一種解決上述參數(shù)調(diào)用的方法。由于混編后的程序可以脫離MATLAB運(yùn)行，程序的速度和效率都得到了極大的提升。本文充分發(fā)揮MATCOM轉(zhuǎn)換法的優(yōu)勢(shì)，將高難度的算法研究與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合在一起，達(dá)到了程序簡(jiǎn)潔、編程效率提高和算法更易實(shí)現(xiàn)的目的。

1 懸置系統(tǒng)優(yōu)化分析

1.1 懸置系統(tǒng)優(yōu)化原理分析

一般情況下，都是把動(dòng)力總成視為剛體，同時(shí)把動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)視為有3個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的一個(gè)空間6自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)6個(gè)模態(tài)，包括前后移動(dòng)模態(tài)、左右移動(dòng)模態(tài)、上下移動(dòng)模態(tài)、橫向轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)、縱向轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)，懸置系統(tǒng)模型如圖1所示。

在動(dòng)力總成上建立一個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系G0-XYZ，原點(diǎn)G0位于動(dòng)力總成質(zhì)心，系統(tǒng)動(dòng)力模型通過三個(gè)具有三向彈性（阻尼）的元器件支承，剛體的廣義坐標(biāo)為 x、y、z及繞X、Y、Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) θx、θy、θz，記做 q。 在懸置系統(tǒng)中，阻尼能有效地減少系統(tǒng)的振動(dòng)，由于阻尼對(duì)固有頻率和解耦程度的影響較小，一般可以忽略不計(jì)。可以根據(jù)上述動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)力學(xué)模型建立6自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

目前應(yīng)用比較普遍的模態(tài)解耦度評(píng)價(jià)指標(biāo)是用模態(tài)的能量比值概念來(lái)表示的。第j階振型中第k個(gè)自由度的振動(dòng)能量占該階運(yùn)動(dòng)總能量的百分比可以表示為：

式中 φj為第 j階振型向量，ek為第 k個(gè)元素為 1的 6階單位列向量。

在一個(gè)頻率下，一個(gè)模態(tài)能量占到總能量的98%即表明這個(gè)模態(tài)能量非常強(qiáng)，在實(shí)際工程中，一般情況是難以達(dá)到這種解耦度的。一般來(lái)說，如果在某個(gè)頻率下，一個(gè)模態(tài)的能量占到總能量的85%以上，則這個(gè)模態(tài)與其他模態(tài)的解耦程度被視為滿意，對(duì)于橫向轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)一般要求要高些，期望達(dá)到90%以上[2]。

1.2 基于MATCOM轉(zhuǎn)化法混合編程原理分析

MATCOM是MathWorks公司開發(fā)的為MATLAB中的m文件進(jìn)行高效解釋和調(diào)試的集成開發(fā)環(huán)境。MATCOM最主要的功能是能夠?qū)文件按照與C++語(yǔ)法的對(duì)應(yīng)關(guān)系翻譯為cpp源代碼,并通過Visual C++將其編譯成可執(zhí)行程序(exe)或動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll),這樣既保持了C++的優(yōu)良算法,又保持了C++的高執(zhí)行效率。

利用MATCOM實(shí)現(xiàn)MATLAB與VC++之間的混合編程，具體實(shí)現(xiàn)方法有以下3種可供選擇：

(1)利用MATCOM生成獨(dú)立執(zhí)行的exe文件。但不能脫離MATLAB的后臺(tái)支持；

(2)利用MATCOM生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)文件；

(3)利用MATCOM的組件VisualMatcom實(shí)現(xiàn)在Visual C++6.0環(huán)境中直接對(duì)m文件進(jìn)行編譯，這種方法與第二種十分相似，但應(yīng)用起來(lái)更為簡(jiǎn)便[3]。

為了實(shí)現(xiàn)MATLAB與VC++之間的混合編程，本文采用第二種方法，以 MATLAB 7.1、MATCOM 4.5、VC++6.0和Windows XP為操作環(huán)境，具體轉(zhuǎn)化法如圖2所示。

圖2 MATCOM轉(zhuǎn)化法示意圖

采用第二種MATCOM轉(zhuǎn)化法，結(jié)合算例，將MATLAB中計(jì)算函數(shù)的m文件轉(zhuǎn)化為VC++可識(shí)別的文件；接著，通過創(chuàng)建VC++工程，將所需文件加入工程目錄中。

2 VC++與MATLAB混合編程的實(shí)現(xiàn)

2.1 算例分析

本文將針對(duì)某國(guó)產(chǎn)自動(dòng)檔車型的振動(dòng)問題，分析基于遺傳算法的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)多目標(biāo)剛度優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)為9個(gè)剛度設(shè)計(jì)變量，以解耦度最大為最佳優(yōu)化目標(biāo)，此平臺(tái)采用加權(quán)系數(shù)法對(duì)6自由度解耦度進(jìn)行加權(quán)，形成適應(yīng)度函數(shù)如下：

式中 w1，w2，…，w6為權(quán)值，且 w1+w2+…+w6=1，digi表示 i方向上最大解耦度(i=1，2，…，6)。

基于遺傳算法，優(yōu)化的目標(biāo)是使得f適應(yīng)度值最大，交叉概率和變異概率分別取0.3、0.2，種群染色體個(gè)數(shù)設(shè)置為30，優(yōu)化代數(shù)設(shè)置為400，約束條件設(shè)置固有頻率在6 Hz～18 Hz之間，相鄰固有頻率最小為1 Hz。為了便于動(dòng)態(tài)分析和實(shí)現(xiàn)混合編程，同時(shí)給出了懸置系統(tǒng)的基本參數(shù)。表1是動(dòng)力總成質(zhì)量和慣性參數(shù)，表2為懸置系統(tǒng)位置和安裝方向角參數(shù)。

表1 懸置系統(tǒng)的慣性參數(shù)

表2 懸置系統(tǒng)的位置和安裝方向角

2.2 實(shí)現(xiàn)混合編程

實(shí)現(xiàn)方法是運(yùn)用MATCOM生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，這種方法在實(shí)際工程中使用較多，運(yùn)用也比較靈活，易于實(shí)現(xiàn)MATLAB與VC++之間的函數(shù)、參數(shù)之間的傳遞。最好的情況是能直接使用MATCOM編譯生成cpp文件，而不是直接使用dll文件[4]。下面以懸置系統(tǒng)優(yōu)化為例進(jìn)行說明，步驟如下：

(1)在 MATLAB中生成 m源文件，通過 MATCOM編譯器在當(dāng)前目錄文件夾中生成三種4個(gè)VC++可識(shí)別的文件，然后添加到VC++工程目錄下。在實(shí)現(xiàn)混合編程之前，根據(jù)MATLAB編程規(guī)則，在軟件中實(shí)現(xiàn)編寫求解固有頻率和解耦度的m程序文件，其程序主要部分如下所示：

其中，m2、X、U、r、J為輸入數(shù)組，是從 VC++編輯框輸入傳給jieoudu函數(shù)的要進(jìn)行求解固有頻率和解耦度的參數(shù)，特別需要注意的是逆矩陣函數(shù)和eig函數(shù)，如果這兩個(gè)函數(shù)在C++中實(shí)現(xiàn)，需要編輯大量的語(yǔ)句才能實(shí)現(xiàn)。

(2)創(chuàng)建一個(gè)名為 youhuapingtai，基于對(duì)話框的 MFC(exe)工程。

(3)將MATCOM編譯器生成的4個(gè)文件拷貝到建立的工程youhuapingtai目錄下。然后將拷貝的4個(gè)文件加入到VC工程中：工程→添加工程→文件。

(4)在youhuapingtaiDlg.cpp中進(jìn)行主要程序編輯，其主要代碼如下所示：

在函數(shù) static void initialization()中，傳遞一個(gè) cyunxingdlg類型的指針變量 ，編寫了如下主要隨機(jī)生成初始數(shù)據(jù)的子程序：

(5)一般在這種情況下編譯會(huì)出現(xiàn)下列錯(cuò)誤：fatal error C1010：unexpected end of file while looking for precompiled header directive。因此，需要進(jìn)行下列設(shè)置：工程→設(shè)置→C/C++，選擇precompiled headers選擇第一或第二項(xiàng)：自動(dòng)選擇預(yù)補(bǔ)償頁(yè)眉。執(zhí)行即可通過編譯。

(6)運(yùn)行程序，輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊“優(yōu)化計(jì)算”按鈕，再點(diǎn)擊“顯示優(yōu)化結(jié)果”，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果顯示平臺(tái)。

應(yīng)用MATCOM轉(zhuǎn)化法改進(jìn)MATLAB和VC++的混合編程的不足，如對(duì)class數(shù)據(jù)類型部分支持eval、feval等語(yǔ)句不能在C++中實(shí)現(xiàn)、圖形窗口有些不盡人意等問題，在編程過程中，已經(jīng)避免了運(yùn)行出現(xiàn)以上的問題。

軟件平臺(tái)是基于MATCOM轉(zhuǎn)化法的混合編程，在運(yùn)算時(shí)，明顯能感到其計(jì)算速度和效率的提高。結(jié)果中，固有頻率和解耦度的輸出結(jié)果也是相當(dāng)滿意的，在6個(gè)固有頻率下，各模態(tài)的能量解耦度都能占到90%以上。

本文通過懸置系統(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)無(wú)縫結(jié)合的實(shí)踐運(yùn)用，以及平臺(tái)的穩(wěn)定測(cè)試，解決了VC++在解決矩陣處理問題上的弊端，簡(jiǎn)化了編寫程序的復(fù)雜性，同時(shí)也有效地提高了MATLAB在可移植性的底層編程功能和界面開發(fā)能力，對(duì)復(fù)雜算法的系統(tǒng)開發(fā)提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù)支持。基于MATCOM轉(zhuǎn)化法的VC++與MATLAB混合編程，其程序代碼在編譯后封裝于鏈接庫(kù)中，因此也有利于保護(hù)軟件的著作權(quán)。

[1]繩曉玲，萬(wàn)書亭.MATLAB與VC混合編程及在振動(dòng)故障分析中的應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2011(2)：25-27.

[2]龐劍，何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：280-283.

[3]王毅，樊明，何聯(lián).基于 Matcom的 MATLAB與 VC++混合編程分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23(3)：311-314.

[4]聞斌，崔建昆.MATLAB與Visual C++的聯(lián)合應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2004(2)：14-15.

[5]劉維.精通 MATLAB與 C/C++混合程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：257-315.