LABVIEW和MATLAB混合编程方法研究及其在柴油机故障诊断.pdf

2 0 0 7 芷 第 1 期 仪表 技术与传感器 I n s t r u me n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r 2 0昕 No 1 L A B V I E W 和 MA T L A B混合编程方法研究及 其在柴油机故障诊 断中的应 用 李沈，李森，刘俊磊，侯祥林(1 东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳1 1 0 0 0 4；2 中国船舶重工集团七一一研究所，上海2 0 0 0 1 1；3 沈阳建筑大学理学 院，辽宁沈阳1 l O 1 儡)摘要：通过虚拟仪器平台I a b V I E W 强大的外部接口，分别实现了基于 A c t i v e X自动化、D L L和 C O M 3种技术的 I a b V I E W 和 M A T L A B的混合编程，同时对这些方法进行了比较分析。混编程序既良好发挥 了仪器语言的优势，又扩展 了算法工具 箱，探索了新型智能虚拟仪器的开发途径。同时结合柴油机故障诊断实例，验证 了文中系统开发思想在工程 实际中应用 的合理性和 实用性。关键词：I a b V I E W；M A T L A B；A c t i v e X；D L L；C O M；虚拟仪器；柴油机；故障诊断 中图分类号：T P 2 1 2 1 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 21 8 4 1(2 0 0 7)0 1 0 0 2 2 0 4 s t u d y o n P r o g r a m M e t h o d o f La b VI EW Mi x s wi t h MATL AB a n d En g i ne e r i n g Ap p l i c a t i o n s L I S h e n 1，L I Sen 2，L I U J u n-l e i ，HOU Xi a n g-l i n 3 (1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l r i n g&A t R mmt i o n，N o r fl m a s t e r n U n i v e r s i t y，S h my a n g 1 1 0 0 0 4，C l i l l a；2 V i b r a t i o nN o i s eR e s e a r c hC e n t e r o f a Ma r i n eD i s e l|g i 耻 R e s e a r c hI n s t i t u d e，蚰 a i 2 0 0 0 1 1，C l i l l a；3 S c h o o l 0 f S d mc e，S i ma y a n g J m mh ut hi v e r s i ff，S i ma y a n g 1 1 0 1 6 8，C h i n a)Ab!如喇：h n p l e me m t h e h y b ri d p r o g r a mmi n g b e t w e e n I a b V I E W an d MA T L A B p a r t i c ula d y b a s e d o n t h e t h r e e m e t h o d s v i z Au t o ma-ti o n o f A c t i v e X，D L L a n d C OM C o m p a r e an d a n a l y z e the me t h o d s a t the 8 a l n e ti me T h e h y b ri d p r o g r a mmi n g r i O t o n l y m出 n g u s e o f th e a d v ant a g e o f th e i n s m mz n t l a n g u a g e，b u t a l s o e】甲 龇 l d i n g th e,o ri t h m t o o l b o x and i n v e s t i g a t e the d e v e l o p m e n t p a t h o f t h e n e w in t e l l i g e n c e v i r t u a li n s t r u me n t Co mb i n e dw i th thei n s t a n c e o f d i e s e l e n g i n ef a u l t dia g n o s i s，therat i o n a l i t yandt h e p r a c ti c a b i l i t y o f thei d e a s 0 n in a c t u a l p r o j ect w a s c e r ti fi ed Ke y wo r d s：klb v 1 EW；MA T L A B；Ac t i v e X；DL L；C OM；v i r t u a l i n s mmzn t；die s e l；f a u l t dia g n o s e 0 引言 美国 N I 公司推出的 I a b V I E W是一种面向对象的虚拟仪器 编程语言。但是在对各种算法的支持方面，I a b V I E W 的工具 箱非常有 限，这就制约了大型应用程序 的开发效率。M a t h Wo r k s 公司开发的 M A T L A B具有强大的矩阵运算和图形处理功 能，编程效率高，几乎在所有的工程计算领域都提供了准确、高效的工具箱。但 M A T I AB界面开发及流程控制能力较差，并且数据采集、网络通信、硬件控制等方面都 比较繁琐，而 且脚本文件不能脱离 M a t l a b这个应用程序环境，这就制约了 程序的可移植性和通用性。通过 I a b V I E W 强大 的外部接 口，实现 I a b V I E W与 M A T L A B的混合编程，互相取长补短，充分 发挥两者的优势，可 以快速开发功能强大 的智能化虚拟仪 器。在进行混合编程开发虚拟仪器的过程中，通常由 I a b V I E W 设计用户图形界面，负责数据采集、硬件控制、运行控制、网络 通信；而 M A T L A B则提供神经网络、小波分析等复杂算法供 基金项 目：辽宁省博士启动基金资助项 目(2 0 0 1 1 0 2 0 1 7)；辽宁省教育厅 基金(2 0 )收稿 日期：2 O O 6 1 0 1 8 I a b V I E W调用。常用的混合编程方法是调用 M A T L A B脚本节点，但这种方 法不能控制 M A T L A B服务器，打开脚本的速度很慢，当节点中 的脚本执行完毕后，MA T L A B也不能 自动关闭，不适合大型应用 程序的开发。但是如果应用 A c ti v e X 自动化、C O M、1)1技术，通 过 I a b V I E W强大的外部接 口调用 M A T L A B工具箱，不仅实现了 对 M A T L A B的自动化控制，而且编译后的 M A T L A B语句运行速 度快，与 L A B V I E W的兼容性更好，混编程序的鲁棒性更强，更 能充分发挥两者的优势，快速开发出功能强大的智能化虚拟仪 器。文中正是基于这样的虚拟仪器开发与应用的思想。1 基于 L a b V I E W 和 MA T L A B快速编制虚拟仪器的原理 基于 A c t i v e X 自动化可以控制 MA T L A B服务器的运行状 态；而利用 C O M和 D L L技术可以很大程度上脱离 MA T L A B的 运行环境，并且程序运行效率高，占用资源少，为故障诊断的实 时处理创造条件，上述几种技术的综合运用将获得 良好的编程 及应用结果。1 1 基于 A c t i v e X自动化的虚拟仪器开发 A v t i v e X的自动化(a u t o m a ti o n)具有一个程序借助其方法和 属性控制另一个程序的能力。I a b V I E W 和 MA T L A B都支持 A c 维普资讯 http:/ 第 1 期 李沈等：L A B V I E 和 MA T L A B混合编程方法研究及其在柴油机故障诊断中的应用 2 3 t i v e X的自动化技术，通过启动 M A T L A B自动化服务器，I a b V 1 E W 将数据传入 M A T L A B工作空间，执行 M A T L A B命令，再将结果 输出，从而实现 I a b V 1 E W与 M A T L A B的混合编程。I a b V I E W通过标识号(R e f e r e n c e N u mb e r，R e f n u m)与 M A T-L A B自动化服务器相连，通 过 自动化节点 函数调用 M A I L A B (V e I 6 5)A c ti v e 接 口提供的方法和属性。使用 A c t i v e X功能节点 与MA T L A B混合编程时，要进行变体型(V a r i a n t)与其他类型的 数据转换。变体型是一种特殊的数据类型，I a b V I E W 中不支持 该类型，但提供了 G语言数据转化节点(t o G D a t a)，把变体型数 据转换成 I a b V I E W可以处理和显示的有效的数据类型，这就要 求必须明确输入、输出的数据类型。但是 I a b V I E W在调用 G e t F u U Ma t fi x 方法从指定 的 MA T L A B工作空间获取数组并处理变 体型数据时，经常会出现类型转化错误而导致程序无法继续运 行。如果通过调用 E x e c u t e 方法输出字符串，读取 M A T L A B命令 窗口的计算结果来获取工作空间的数组，则可不必处理变体数 据类型。在后续的程序编制中需要处理字符串与数值数据之 间的转换，并应注意数值数据的类型。1 2 基于 C O M 的虚拟仪器开发 I a b V I E W对 C O M组件的控制也是通过 A c ti v e)子模板的自 动化节点函数来实现的。讥邶提供的 C O M B u i l d e r 工具可以 将 M文件转变为独立的 C O M组件对象，并 自动在操作系统中注 册，所生成的 C O M组件对象可以在 I a b V I E W 中使用。C O M对象 返回的数据是变体型数据，需明确输出数据类型，通过使用 G语 言数据转化节点将数据转变为 I a b V 1 E W能够识别的数据类型。C O M B u il der 支持多数图形函数和 M A B数学库函数，但不直 接支持 M A _q Y A B工具箱中的函数。这是由于工具箱函数库属于 外部库，而不像 MA A B数学库那样属于运行时库，因此在脱离 M A _q Y A B环境时，无法构成对“工具箱 函数”的支持。但 由于 M A _q Y A B工具箱函数是基于 M A _q Y A B数学库函数的，因此理论上 可以将该工具箱函数中包含的各子函数(同为工具箱函数)逐层 分解为全部使用 M A _q Y A B数学库函数构成。在单个“m文件”中，最终确保所有功能实现部分仅仅使用 M A _q Y A B数学库函数而没 有嵌套的调用工具箱函数。那么对于这样处理后的“工具箱函 数(m文件)”就可以使用编译器“打包”成为 C O M了。1 3 基于 D L 1 L的虚拟仪器开发 利用 M A _q Y A B开发D I L(d y n a m i cl i n kl i b r a r y)在 I a b V I E W环境 中调用，是实现两种语言混合编程的高级技术。基于 D I L进行 数据采集已经在虚拟仪器系统 的开发中有着广泛的应用，但基 于 D I L进行工程算法开发还应用得很少。其主要原因在于，用 传统语言开发算法模块难度大、效率低；用工程语言开发的模块 移植性差。文中利用 C、M A B共同开发 D I L模块，由M A _q Y A B 开发算法，由 C完成 I a b V I E W和 M 佃【A B之间的数据转换及传 递，很好地解决了上述问题。I a b V I E W中对 D I L的调用是通过 C L F 节点实现的。使用 M A B的H l c e 命令将 m文件编译为动 态链接库(*D I L)，由于编译器只能编译一个独立的 M文件，不 支持 MA A B工具箱中的函数及图形函数，因此使用MA A B工 具箱中的函数时，要对算法文件进行相应修改。1 4 混合编程原理 图及几种开发方 法的比较分 析 基于 1 1 1 3 可以绘制混合编程原理如图 1 所示。图 1 混合编程原理 图 基于 A c t i v e X自动化技 术的开发方 式可 以方便地使 用 MA T L A B的各种工具箱。基于 C O M组件开发方式编译方便，支 持多数 C C+G r a p h i c s L i b r a r y，混编程序可以很大程度上脱离 MA T L A B环境。基于 D I L技术的开发方式运行效率高，占用系 统资源少，模块化动态加载，充分发挥 了 L a b I E的并行运行 机制的优势，混编程序支持 M A T L A B数学库同样可以基本脱离 M A T L A B环境。2 混合编程虚拟仪器平台在柴油机运行状态监测、识别中的 应用 基于 I _ a b V I E W开发平台，嵌入 M AT L A B工具箱，开发柴油 机运行状态监测与故障诊断虚拟仪器系统，对在线实时监测的 振动信号进行小波分析、时间序列分析，并实现智能诊断。2 1 基于 A c t i v e X自动化的小波分析 使用 M A T L A B的小波工具箱，对柴油机排气阀落座时的振 动信号作小波包降噪。在前面板上添加 A u t o m a ti o n R e f n u r a，在 S e l ect A c t i v e XC l a s s 项中选择 M A T L A BA p p l ic a t o n T y p e I j b r a r y V e r-s i o n 1 0 连接 M A T L A B服务器。在程序框图中添加 A c t i v e X功能 节点，以 I n v o k e N o d e 调用 P u t F u l l M a t r i x 方法，将数组 A通过参数 X传入 MA T L A B的“b a s e”工作空间，I a b V I E W将自动进行变体型 数据类型的转换。使用 Inv o k e N o d e调用 Exe c u t e方法，通过参 数 N a m e以字符串形式传递合法的 MA T L A B语句。应该注意的 是在 MA T L A B程序中需要输出的语句只有不加分号，才能在 M A T L A B命令窗口打印出结果从而获取工作空间的数组。在前 面板添加 G r a p h Ind i c a t o r 显示降噪前后的波形，添加 N t m n i c C o n t r o l s 和 E n u m C o n t r o l s 用于输入小波函数、消噪层数、阈值等 参数，之后将振动数据传入数组 A中，程序如图 2 所示。图 2 小 波包 降噪程序框图 2 2 基于 C O M 的时序分析 将信号处理工具箱中提供 A R谱算法的 p b|J l g n l 文件备份 至工作 目录下，将其调用 的其他 M文件的程序语句添加 到 p b u r g m的相应位置，最终使 p b|m成为一个不依赖于其他 M 文件的独立文件。且更名为 m y r a n 1 f u n c ti o n P x x，W J：m y p b g(x，P，n ff t，F s)在 MA T L A B命令行输入 c o m t o o l，启动 c o i n b u i l d e r。新建工 程“m o d e l r l”，类“a 删”，选中“U s e H and l e c s l i b r a r y”以支 维普资讯 http:/ I n s t r u me n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r J an 2 0 O 7 持图形函数，在 M f il e s中加入“p l o t p b I l l”，编译后可以在 d i s t r i b 目录下找到本例生成的,x h l p s d 一 1 0 d l l 组件。运行菜单命令 C o m p o n e n t P a c k a g e Com pom可以创建组件的自解压执行程 序，并且和 MC R(MA rl L A B C o m p o n e n t R u n t i m e)-同发布。在前面板 上添 加 A u t o m a ti o n R e f n u m，在 Sel ect A c t i v e X C l a s s 中选择刚生成的 C O M组件,x h l p s d 1 0 T y p e L i b r a r y V e r s i o n 1 0。在程序框 图中添加 A c t i v e X功能节点，以 I n v o k e n o d e调用 a 方法，以参数 唧u t 指定输出变量个数。要明确输入输 出参数的数据类型，并注意为需要输出的参数进行初始化以分 配内存空间，程序框图如图3所示。P 一模型阶数；n 噩一F F T算 法长度；F。一采样 频率；尸 一功率谱 估计；一频 率向量 图 3 A R功 率谱程序框 图 2 3 基于 D L L的 A I R 谱分 析(1)修改提供 B u r g 算法的a r b u r g I l l 为不依赖于其他 M文件 的独立文件，注释掉作图代码，并更名为 t e x t m o d e 1 I l1 f u n c t i o n Y=t e x t m o d e l(x，P)x为数据，P为阶数，Y 为 自 回归参数和残差组成的矩阵 (2)执行编译命令：n i c e t-I _ e-Wl i b：t e x t m o d e l l i b-h t e x t m o d e 1 m，将 M文件编译成 c代码，并为应用程序生成初始化函数和终止 函数，最后创建一个 e x p o r t s 文件。(3)创建 t e x t m o d e l _ m a i n c，完成 L a b V I E W和 M A r l L A B之间的 数据转换及传递#i n c l u d e“ma tl a b h”#i n c l u d e“ma n-ix h”v o i d t e x t m o d e lm a i n(d o u b l e inl ，d o u b l e i n 2 ，i n t I l l，i n t n，d o ubl e o u t )mx Ana y i n lp，*i n 2_p t r，*o u t_p t r；创建m x A r r a y 型指针 变量存储输入输出 inlp t r=配空间 i n 2_p t r=配空间(1，m，m mE A L)；为数组 A分(1，1，m x R E A L)；为阶数 P分 m e m e p y(m x G e t P r(i n l p t r)，inl，m*s i z e o f(d o u b l e)；I I 传递数 据 m e m e p y(m x G e t P r(i n 2 一 p t r)，i n 2，l*s i z e o f(d o u b l e)；传递数 据 m y a,h a x li b I n i t i a li z e()；初始化函数 o u t_p t r=m l f M y a r b u r g(i n l p t r，i n 2 _ p t r)；实现算法 m y a r b u r g l i b T e r m i n a t e()；终止函数 m e m c p y(o u t，m x G e t P r(o u t p t r)，n*s i z e o f(d o ubl e)；导出数 据 (4)修改 e x p l o i t s 文件：此文件包含了生成动态链接库中可 被调用的函数，这里只需要 t e x tmo d e lm a i n函数作为输出，因此 删除源文件所有其他函数名，输入上述代码中的主函数名即 可。(5)执 行 命 令：m b u i l d 1 i n k s h a r e d t e x tmo d e l m a i n c t e x t m o d e l li b e x p o r t s。其 中，t e x t mo d e l m a i n c必须写在所有 c文 件的前面；省略号代表执行 mc c 命令后生成的所有 c文件。这 样就会在工作 目录下得到 t e x t M o d e l _ m a i n d l l 文件。(6)通过 C L F调用生成的 t e x t m o d e l m a i n d l l 并进行参数配 置，其中“f u n c ti o n n a m e”项设置为 t e x t m o d e l m a i n，“C o n v e n t i o n s”项选择 c，同时为节点设置输入输出的数据类型并初始化 数组，程序框图如图4所示。数据存人数组 A中，a 和 E都可作 为神经网络的输入用于故障模式识别。P 一模型阶数；8 一 自回归参数；E 一残差 图 4 A R分析程序框图 2 4 面向柴油机故障诊断的虚拟仪器集成 综合利用上述的 3 种方法开发智能化虚拟仪器，对柴油机 排气阀振动信号进行信号分析和特征提取，使用神经网络进行 故障诊断。将前面开发的小波包降噪、时序分析、模型功率谱 估计等算法 创建为子 V I；以各频带能量和模型残差为特征 向量，输入给神经网络。使用 MA T L A B的神经网络工具箱建立 三层感知器神经网络，网络结构部分主要设置传递函数、训练 函数、隐层单元数，基于 A c fi v e X自动化技术进行神经网络子 的开发。程序框图如图 5所示，故障诊断前面板如图 6所示。该虚拟仪器实现了对柴油机气阀机构的故障诊断，验证了文中 开发思想的有效性和合理性。图 5 故障诊 断程序框 图 3 结束语 文中研究了运用 L a b V I E W 和 M A rl L A B混合编程开发虚拟 仪器的方法。通过 A c fi v e X自动化、D L L、C O M技术，将 L a b V I E W 和 M A T L A B有机结合，获得一条开发智能虚拟仪器 的有效途 径。同时编制了柴油机气阀机构的信号处理和故障诊断程序，实践表明可以获得高效快速准确的诊断。这种程序开发新思 想，使开发、集成大型、高效、智能化的虚拟仪器变得非常简单、维普资讯 http:/ 第 1 期 李沈等：L A B V I E W和 M A T L A B混合编程方法研究及其在柴油机故障诊断中的应用 2 5 (a)排 气阀间隙 O 4 l Il l(b)排 气阀间隙 0 5 n l ln (c)排 气阀间隙 O 6 n l l n (d)排 气阀间隙 0 8 II l l 图 6 故 障诊断前面板 快捷，拓展了虚拟仪器在故障诊断、复杂过程控制等领域中的 应 用。参考文献：1 杨乐平，李海涛 L a b V I E W高级程序设计 北京：清华大学出版社。2 0 0 3 2 张瑞丰 精通 M A T I AB 6 5 北京：中国水利水电出版社，2 O 0 4 3 赖永泉，王毅，曹银强 基于 D L L的虚拟仪器系统开发技术 自动 化技术与应用。2 0 0 5。2 4(4)：6 26 6 4 R o b e r t H B L a b V l E W S t u d e n t E d i ti o n 6 i 北京：电子工业出版社，2 O 0 3 5 N a t i o n I n s t r u m e n t s C o x p o r a fi o n L a b V I E W U s e r 。A p n l 2 O 0 3 E d i t i o n，P a r t N u mb e r 3 2 0 9 9 9 E-01 6 N a t i o n I n s t r u m e n t s C o r p o r a ti o n D a t aM a n i p a ti o O v e r v i e w a n dA p p t i c a rims 7 N a t i o nI n s t r u m e n t s C o r p o r a t i o n G r a p h i c a l 0 b j e c t O r i e n t e d n r a 口 i I l g I n L a b VI EW。Ap p l i c a t i o n No d e 1 43 8 T h e M a t h Wo r k，h e M A T L A B B u i l d e r f o r C O M U s e r S G u i d e。2 0 0 作者简介：李沈(1 9 5 5 一)，副教授。主要从事神经网络、专家系统以及柴 油机在线监测、状态识别、故障诊断方面的研究。(上接第 1 9页)忙 哥 N l G 垦 1 4 8 9 L兰 1 4 8 8 L!暑 口 V G N D 丰 P 0 0 P 0 7 A L E Xr A L I RD WR I N T1 蕊 R E S E T ADOMODE T X0 RX 0 Xr A L 1 +5V 墨 8 2 c l 5 o 趸 同 图 4 主控节点硬 件原理 图 2 2 3 P C监控微机数据处理 P C机数据处理程序主要功能是完成对串口的读写操作，显 示数据分析的结果，另外还需提供 良好的人机界面。由于船舶 工作环境的特殊性，注油时为了防止 P C机对油位到限的误判，系统采用了连续 4次超限即报警的处理方法；船舶在航行时，船体将产生低频有规律摆动，对液位的测量产生一定的负面影 响，考虑到船舶航行中油舱油位变化不大，系统采用了连续多 次液位数据平均值作为的当前油位输出。在实际应用中取得 了良好的效果。3 结束语 该系统投入使用以来，工作稳定可靠，故障率低，受到用户 的好评。但在使用中也有一些不足之处，如长时间使用之后，零点漂移引起测量误差加大，如果到超过一定范围，需要重新 进行参数标定。参考文献：1 邬宽明 C AN总线原理和应用系统设计 北京：北京航空航 天大学 出版社。1 9 9 6 2 阳宪惠 现场总线技术及其应用 北京：清华大学 出版社，1 9 9 9 作者简介：高全芹(1 9 7 6 一)，讲师。研究方向为精密工程与计算机控制、模具 加工及数控加工等领域。憾 盆 譬 醺 维普资讯 http:/