MATLAB与VC+混合编程在系统仿真中的应用.pdf

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1、第3 0 卷第7 期2 0 0 7 年7 月重庆大学学报(自然科学版)J o u m a lo fC h o n g q i n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V 0 1 3 0N o 7J u l 2 0 0 7文章编号：1 0 0 0 5 8 2 x(2 0 0 7)0 7 0 0 2 6 0 4M A T L A B 与V C+混合编程在系统仿真中的应用陶桂宝，郭少波(重庆大学机械工程学院，重庆4 0 0 0 3 0)摘要：通过讨论M A T L A B 与V C+之间的接口方案，介绍了M A T

2、 C O M 与M A T L A B 的m 文件的链接方式以及M A T c 0 M 的使用方法和技巧，以单自由度振动系统为对象，通过对有阻尼状态下的振动模型的分析，对仿真算法进行了混合编程。仿真结果表明：系统仿真的执行速度得到了提高。关键词：系统仿真；M A T L A B；V c+；单自由度振动；阻尼中图分类号：T P 3 1 1 1；T P 3 9 1 9文献标志码：AM A T L A B 是美国M A T H w O R K S 公司自2 0 世纪8 0 年代中期推出的数学软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，是建立在向量数组和矩阵的基础上，具有简洁的人机界面、丰

3、富的图形用户界面G u I 开发功能和极高的编程效率的数学工具，受到越来越广泛的重视和应用，但是这些功能只能在它本身所提供的平台上使用，且具有代码执行速度慢、安全保密性差的特点u j。V C+是M i c r o s o f t 推出的可视化编程环境，它是目前综合性最高、最强大、也是最复杂的软件开发工具之一，应用极为广泛，在工程计算方面和M A T L A B 相比，编程就显得复杂得多呤j。把两者相结合，无疑是一种有效的编程方法，将给应用程序系统本身及其开发带来很好的改善。通过混合编程，可以大大提高代码的执行速度以及安全保密性。本文介绍V c 调用M A T L A B 的主要方案，并就单自由

4、度振动系统，采用了混合编程方式，在脱离M A T L A B 环境条件下实现V c+对m 文件调用，从而在V C 环境下实现系统振动仿真的方案1。1M A T L A B 与V c+混合编程接口根据M A T L A B 是否运行，一般将M A T L A B 与V c接口分为2 大类：需M A T L A B 在后台运行的混合编程接口和可以脱离M A T L A B 环境运行的独立应用程序接口 4 I。第1 类，需M A T L A B 在后台运行的混合编程接口：M E x 文件、e n g i n e 应用程序和M A T 文件。由于V c 的内存管理及类库函数比c 更加灵活方便，因此，对

5、这3 种接口方式在V c 中的实现，主要基于内存管理和类库函数应用方面。第2 类，可以脱离M A T L A B 环境运行的独立应用程序接口M c c 和M A T c 0 M 编译器。M c c 是M A T L A B 中经过优化的编译器。使用M c c，用户可将M A T L A B 数学库、图形库和界面的M A T L A B 程序转化为独立于M A T I A B 的E x E 应用程序和D L L 动态链接库。M A T C O M 是M A T H w O R K S 公司推出的第一个由M A T L A B 到c+的编译开发软件平台，其最后版本为M A T c o M 4 5，

6、其集成调试编译环境为M I D E V A。通过M A T c O M 连接M A T L A B 的m 文件有以下3 种方法：1)经过简单设置后，由M I D E V A 将m 源文件转化为C C+，然后添加到M S V C 工程中。2)由M I D E V A 直接生成E x E 文件，然后在V C 中通过s h e l l 调用。这种方法简单方便，但运行时出现一个控制台窗口，而且由于V C 和M A T L A B 之间不能交互，通用性差，仅适用于V C 调用M A T L A B 实现图形显示的场合。3)通过V i s u a lM A T c 0 M 工具条，使用A d d i n，

7、这种方法提供了一个M A T L A B 和V C 直接集合的途径，而且可以快速集成m 文件到V c 工程中创建独立的收稿日期：2 0 0 7 一0 3 一1 4基金项目：重庆市自然科学基金资助项目(c s T s，2 0 0 6 B B 3 0 1 5)。作者简介：陶桂宝(1 9 6 7)，男，重庆大学副教授，博士，主要从事机电一体化、汽车电子、网络化制造等方面的研究，(E m a i l)曲t a o c q u e d u c n 万方数据第7 期陶桂宝，等：M a n a b 与V C+混合编程在系统仿真中的应用2 7c C+应用程序、C、M E x、D L L，在调试过程中可以查看矩

8、阵变量的值，可直接修改m 源文件而不是修改生成的c c+文件。因此，本文中单自由度系统的振动仿真采用A d d i n 方法实现。2 有阻尼单自由度自由振动系统机械振动是工程中常见的物理现象。广泛地说，各种机器设备及其零部件和基础，都可以看成是不同程度的弹性系统，机械振动就是在一定的条件下，振动体在其平衡位置附近所作的往复性的机械运动J。实际中的振动系统是很复杂的，为了便于分析研究和使用数学工具进行计算，需要在满足工况要求的条件下，把实际的振动系统简化为力学模型。机械振动分析方法很多，对于简单的振动系统，可以直接求解其微分方程的通解。由于计算机进行数值计算非常方便，所以振动的微机仿真是一种最直

9、接的方法。由于振动模型中尤其是多自由振动很方便用矩阵微分方程来描述，所以，M A A B 语言在振动仿真中体现出十分优越的特性1。图1 所示为考虑了阻尼的单自由度振动系统模型。图l 振动系统模型其运动微分方程为，版+c 正+后石=0 令去=2 n，告=：，则茹+2 n 互+：戈=o，其通解为石=e 一“(c l e 丹+c 2 e 一丹)，式中c。、c：为积分常数，由振动初始条件确定。(2)(3)令旦=占，称为相对阻尼系数或阻尼率。则式(3)“可写为互=e 一“一(c e。一s 2 1+c，e 一 2 1)。(4)由此可似讨论阻尼对系统的自由振动将会产生的影响。1)当时s l 时，称为强阻尼状

10、态此时，式(4)可写为茗=c l e“石2 1 一+c 2 e”玉1 协，(8)K+(占+石j l 可)2。舸一+(一占+占2 一1)缈。2。占2 13)当s=1 时，称为临界阻尼状态由于8=旦=l，n=。，则有“c。=2 m。=2 m 告=2 五m，(9)这里c。为临界阻尼状态下的阻尼系数，称为临界阻尼系数，显然它是系统本身所具有的特性之一。由s2 未2 磊丢及c c=2 砌。，有8 詈。也就是说，相对阻尼系数(阻尼率)s 反映了系统的实际阻尼与临界阻尼的关系。在临界阻尼状态下，有戈=e 一(c1+c 2 t)，(1 0)其中c。=，c：=+。显然，在这种状态下不能形成振动。3 应用3 1

11、根据式(7)、(8)、(1 0)编写如下程序f u n c t i o nv b t l(m，c，k，x 0，v 0，t f)m 为质量；c 为阻尼；k 为刚度；X 0 为初始位移；、，0 为万方数据重庆大学学报(自然科学版)第3 0 卷初始速度；t f 为仿真时问；w n 为固有频率；A 为振动幅度；p h i为初相位9 1 0 b a lw nAp h iw n=s q r t(k m)；t=0：t 1 0 0 0：t f：i fz 1A=s q n(、，0+z 术w n 丰X 0)“2+(】c o=I：w d)“2)w d 乞)；p h i=a t a n 2(x 0 木w d，z 木w

12、 n 木x 0)；x=A 术e x p(一z 半w n 木t)木s i n(w d 术t+p h i)；e l s ei fz=la l=x 0：a 2=v 0+w n 木x 0：x=(a 1+a 2 术t)木e x p(一w n 木t)；e l s ea 1=(一v 0+(一z+s q r t(z 2 1)半w n 木x 0)：l：w n：l：x o)2 w n s q r t(z 2 1)；a 2=(v 0+(z+s q n(z 6 2 1)水w n 木)e 0)2 w n s q r t(z 2 1)；x=e x p(一z 木w n；l：t)：l c(a 1 木e x p(w n 术s

13、q r t(z“2 1)，I ct)+a 2 爿ce x p(w n：I cs q r t(z 2 1)水t)；e n de n dp l o t(t，x)，g r i d；】d a b e l(时间(s)；y l a b e l(7 位移)；t i t l e(7 位移相对时间的关系)；3 2 创建V c 工程“v i b r a t i o n”运行V i s u a lc+并创建v i b r a t i o n 工程，选取M F cA p p w i z a r d(e x e)。在l o c a t i o n 编辑框中输入欲创建过程的保存路径，在P r o j e c tn a m

14、 e 编辑框中输入工程名“v i b r a t i o n”，注意要选取“D i a l o gb a s e d”。3 3 转换m 文件“v b t l m”运行s u a lC+，改变文件类型为A d d i 1 1 s(d 1 1)，选定M A T C o 1 4 5 b i n M v c i d e d l l，确定。在V i s u a lC+的开发环境中可以看到s u a lM A r I O M 工具条，单击s u a lM 舡o M 工具条上的m+图标，选择保存过的M A l f I A B 文件v b t l m 进行转换。此时在F i l e e w 标签中多了m f

15、i l e s、C+f i l e sc r e a t e df r o mm f i l e s、M 删x 和E x t e m a lD e p e n d e n c i e s 等文件夹。在相应的文件夹下增加了v b t l m、v b t l h、v b t l c p p、v 4 5 0 l v 1 i b 和-z 训i b h 等文件，这表明m 文件转化成功。在“v h t l h”文件中添加头文件“啪t l i b h，。3 4 创建如图2 所示的对话框界面。并按表1 设置各控件属性。表l 控件属性图2 对话框界面1)添加头文件i n c l u d e”v b t l h”

16、i n c l u d e”m a i b h”2)在v i b r a t i o n D l g c p p 中添加如下声明e x t e mM mw n；e x t e mM mA；e x t e mM mp h i；3)为I D c B u l T r O N c o m 添加响应代码v o i dC T e s t 4 D l g：0 n B U T T O N c o m()7 r 0 D 0：A d dy o u rc o n t r 0 1n o t i f i c a t i o nh a n d l e rc o d eh e r ed o u b l ex l，)【2，)

17、【3，x 4，)【5，x 6；U p d a t e D a t a(T R U E)；x 1=(d 伽b】e)mm；也=(d 删e)邺；)【3=(d 洲e)m _ k；x 4=(d o u b l e)m 如；x 5=(d o u b l e)m v 0；x 6=(d o u b l e)m j f；C W n d 木p v t b l=(C W n d 木)G e t D l g I t e m(I D C s T A T I C s i m u)；M mp l o t h a n d l=w i n a x e s(p 汕1 一 m-h W n d)；万方数据第7 期陶桂宝，等：M a

18、t l a b 与V c+混合编程在系统仿真中的应用2 9i n i t M(M A I 0 M V E R S l 0 N)；v t b l(x 1，x 2，】【3，x 4，)【5，x 6)；m w n2 w n r()；m A=A r()；n 1 一p h i=p h i r()；U p d a t e D a t a(F A L S E)；e x i t M()；3 5 编译链接v i b m t i o n 工程按一般的c+程序进行编译v 击r a t i o n 工程，由于v b t l h 函数定义文件是相应的m 文件转换生成的，若v b t l m 发生修改，V c+会询问用户是

19、否重新加载这个文件，此时，在重新生成的v b t l h 文件中没有包含”m a d i b”头文件，需手动添加，若没有包含该文件，编译器不能识别M m 数据类型而发生错误。3 6 执行v i b r a t i o n e x e执行v i b r a t i o n e x e 文件后，得如图3 所示对话框，在参数设定栏中输入各参数，单击“开始”按钮，在左框中绘制了有阻尼的单自由度振动系统的响应曲线。4 结论利用M A T c O M 的A d d i n 方法进行程序设计的规范，不需要对于不同的应用程序做不同的接口连接代码，只需要编写相应的m 文件即可；同时由于M A T L A B强大

20、的数值运算及绘图功能，也可以简化工程算法及绘图问题，是一种省时高效的系统仿真的实现方法，对于V C+并不熟练的工程技术人员来说是一个相当有效的选择，使工程人员可以将更多的时间运用于工程原理上，该程序在V C+6 0 和M A T L A B 6 5 下测试通过。参考文献：1 张宜华精通M A l f I A B 5 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 9 2 K A E TG R E G O R Y V i s u a l c+5 开发使用手册 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 8 3 潘林峰，谭立超M A T L A B 与V c 混合编程的实现 J 武汉化工学院学报，2 0 0 3，

21、2 5(4)：7 4 7 5 4 苏金明，刘宏，刘波M A T L A B 高级编程 M 北京：电子工业出版社2 0 0 5 5 刘成俊，周雄，谭逢友，等机械振动与数学的关系初探 J 重庆科技学院学报：自然科学版，2 0 0 6，8(4)：3 9-4 0 6 尚涛，石瑞伟，安宁，等工程计算可视化与M a t l a b 实现 M 武汉：武汉大学出版社2 0 0 2 图3 仿真结果A p p l i c a t i o no fM i x e dP r o g r a n l m i n gb yM A T L A Ba n dV C+i nS y s t e mS i m u l a t i

22、o n7 X DG-加0 G U OS 厅a D-6 D(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 0，C h i n a)A b s t r a c t：A 盘e rd i s e u s 8 i n gt h ei n t e r a eb e t w e e nM A T L A Ba n dV C+，出em e t h o do fc o n n e c t i n gM A T C O

23、Mw i t l lt h em f i l e s，t h eu s a g ea n ds k i so fM A T C O Ma r ei n t r o d u c e d T a k i n gs i n g l e f b e d o mv i b r a t i o ns y s t e ma st h eo b j e c t，t h m u g ha n a l y z i n gt h ev i b 珀t i o nm o d e lw i t hd a m p i n g，t h es i m u l a t i o na 1 9 0 r i t h mi sp r o

24、 g r a m m e d T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e ms i m u l a t i o ne m c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e d K e yw o r d s：s y s t e ms i m u l a t i o n；M A T L A B；V C+；s i n g l e-f b e d o mf b ev i b r a t i o n；d a m p i n g(编辑张小强)万方数据MATLAB与VC+混合编程在系统仿真中的应用

25、MATLAB与VC+混合编程在系统仿真中的应用作者：陶桂宝，郭少波，TAO Gui-bao，GUO Shao-bo作者单位：重庆大学,机械工程学院,重庆,400030刊名：重庆大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2007，30(7)引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.张宜华 精通MATLAB5 19992.KAET GREGORY VisualC+5开发使用手册 19983.潘林峰.谭立超 MATLAB与VC混合编程的实现期刊论文-武汉化工学院学报 2003

26、(4)4.苏金明.刘宏.刘波 MATLAB高级编程 20055.刘成俊.周雄.谭逢友.何高法 机械振动与数学的关系初探期刊论文-重庆科技学院学报（自然科学版）2006(4)6.尚涛.石瑞伟.安宁 工程计算可视化与Matlab实现 2002 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 吴伟.王贵奇.陈国定.WU Wei.WANG Gui-qi.CHEN Guo-ding 基于VB和Matlab COM的控制系统仿真-控制工程2007,14(z1)Matlab具有强大的控制算法实现能力但系统过于庞大,VB语言矩阵运算能力差,但具有图形用户界面方面的开发优势,针对此,提出利用Matlab CO

27、MBuilder工具创建仿真组件,在VB中调用组件进行控制系统仿真.利用Matlab矩阵运算实现仿真算法,避开了编译器对控制系统工具箱的限制,使得组件可脱离Matlab环境运行.仿真结果表明,该法行之有效,VB和Matlab可实现优势互补,利于控制系统仿真,提高编程效率.2.期刊论文 沈超.裘正定.SHEN Chao.QIU Zheng-ding 基于MatLab/Simulink的GPS系统仿真-系统仿真学报2006,18(7)快速可靠的GPS(全球定位系统)系统仿真可对双频GPS接收机的设计、接收算法的研究提供有效的帮助.文中详细介绍了在MatLab/Simulink环境下GPS系统仿真平

28、台构建的基本方法.首先分析了GPS系统的各个环节,说明了各模型在仿真中的实现方法;然后给出了完整的系统仿真框图,并在此平台上实现了GPS L2载波相位跟踪的仿真.结果表明该仿真平台有效、可靠.3.期刊论文 吕宏丽.张雅静.张国旭.LU Hong-li.ZHANG Ya-jing.ZHANG Guo-xu MATLAB在控制系统仿真教学中的应用-唐山学院学报2005,18(2)阐述了系统仿真技术和MATLAB语言的特点及其两者之间的关系,并以实例说明了在控制系统仿真课程中引入MATLAB的易学性和实际意义.4.期刊论文 朱亚玲.王典洪.ZHU Ya-ling.WANG Dian-hong 基于M

29、ATLAB的无线接收系统仿真-武汉职业技术学院学报2005,4(3)利用MATLAB程序设计语言完成了一套通信信号处理系统,将该系统应用到城市非开挖铺管钻进系统的研究和开发项目中进行无线数据通信的仿真,可以任意修改接收滤波器的各个参数,并且显示出解调以及滤波后的波形,以期找到一组最佳的滤波器参数,完成整个接收系统的设计.该系统一经扩展即可完成针对任何类型调制信号的无线传输系统仿真.5.期刊论文 罗大鹏.叶敦范.王勇 基于MATLAB的无线接收系统仿真-信息技术与信息化2004(4)利用MATLAB程序设计语言完成了一套通信信号处理系统,将该系统应用到城市非开挖铺管钻进系统的研究和开发项目中进行

30、无线数据通信的仿真,可以任意地修改接收滤波器的各个参数,并且显示出解调以及滤波后的波形,以期找到一组最佳的滤波器参数,完成整个接收系统的设计,该系统一经扩展即可完成针对任何类型调制信号的无线传输系统仿真.6.学位论文 黄伟 面向结构图的施工导截流系统仿真理论与应用研究 2007 针对目前施工导截流系统仿真中存在的仿真建模复杂、程序通用性差，仿真计算与数据生成过程相分离以及仿真可视化难以实现等问题，本文提出了面向结构图的施工导截流系统仿真理论与方法。基于Matlab平台，建立了集仿真建模、仿真可视化和仿真校验于一体的面向结构图的施工导截流系统仿真环境。通过工程实例，验证了此仿真方法和仿真环境的有

31、效性。主要研究工作和研究成果如下：1.提出了面向结构图的施工导截流系统仿真理论与方法。对施工导截流系统中各环节系统模型的状态空间进行描述并确定环节的基本变量及其函数关系，建立环节之间的关系模型，形成系统的结构图模型。通过各环节结构图的连结、拼装，建立系统的仿真模型。2.基于Matlab平台，建立了集仿真建模、仿真可视化和仿真校验于一体的面向结构图的施工导截流系统彷真环境。在Matlab平台上，通过结构图的拖放和拼装，实现了系统仿真建模过程。将仿真计算可视化集于环节结构图，不仅能完成系统的仿真计算，同时可将计算结果可视化。通过对环节的校验评价，从局部到整体逐步校验仿真模型的有效性，提高了建模与仿

32、真校验评价的准确性。3.采用面向结构图的仿真方法研究了长洲水利枢纽工程施工截流问题。通过分析施工截流系统的水文及水力风险，确定了影响其风险的随机变量。然后建立了系统各环节的结构图，拼装了系统的仿真模型。最后通过仿真计算，为工程施工截流提供了龙口过流水力参数、系统风险率和糙率的敏感度。4.采用面向结构图的仿真方法研究了糯扎渡水电站施工导流问题。通过分析导流系统的动态特征及内部环节的性质，将施工导流系统进行了环节划分。然后建立了各环节的结构图，拼装了系统的仿真模型。最后通过仿真计算，得到了围堰的设计挡水位、调洪过程水库水位变化曲线和泄流能力的概率分布，分析了糙率对泄流的影响并给出了导流系统风险率。

33、5.以长洲水利枢纽工程为例，研究了分期导流的围堰拆除时间问题。针对长洲水利枢纽工程分期导流的过程，将三期五段导流产生的复杂泄流情况进行归纳，简化成典型泄流方式，通过组合进行描述。围堰拆除时间对后期工程施工的影响考虑了三方面因素：后期截流、大坝挡水和围堰填筑。通过分析各类组合方案，结合施工进度安排，筛选出最适合的围堰拆除时间和截流时段。最后，采用三维动态可视化技术，形象直观地表现了推荐方案的施工导流过程。7.期刊论文 张烈平.牛秦洲.ZHANG Lie-ping.NIU Qin-zhou Matlab和Labview混合编程在控制系统仿真中的应用-桂林工学院学报2005,25(1)控制系统控制算

34、法的验证和系统性能指标的评价及比较等都要求先选择有效的计算机工具来进行仿真.分析了Matlab和Labview两种编程语言的特点和混合编程技术,结合直流电机旋转运动控制系统实例,采用两者混合编程技术实现了该控制系统的有效仿真,给出了混合编程的具体实现过程.实践证明,Matlab和Labview编程软件的结合运用,可实现优势互补,有利于控制系统程序的仿真,提高编程效率.8.期刊论文 侯北平.卢佩 基于MATLAB的BP神经网络建模及系统仿真-自动化与仪表2001,16(1)将MATLAB中的神经网络工具箱和Simulink有机结合起来,并充分利用它们各自的优势,实现了神经网络控制系统(NNCS)

35、的计算机仿真.具体仿真实例表明,MATLAB是进行人工神经网络计算机仿真的有效工具.9.期刊论文 熊燕.XIONG Yan Matlab在DDS系统仿真中的应用-计算机与现代化2006(6)介绍了直接数字频率合成器(Direct Digital frequency Synthesizer,DDS)的基本结构和工作原理,并在此基础上着重论述了利用Matlab软件建立DDS的理想和杂散仿真模型的方法.通过建立仿真模型,可以更方便有效地对DDS杂散分布特点进行分析.10.期刊论文 李晖.郭晨.李晓方 基于MATLAB的船舶减摇鳍控制系统仿真-仪器仪表学报2002,23(z1)利用MATLAB对船舶减摇鳍控制系统进行了可视化仿真,采用了把系统的动态仿真模型与图形界面相结合的方法,运用仿真的结果控制图形界面中的模型,从而使得对于不同海浪干扰下,良好的减摇效果能够在图形界面上反映出来.本文链接：http:/