MATLAB與VB.NET混合編程方法在伺服機構動態(tài)測試中的應用

施金花，王 斌，張鑫彬，李文頂

（上海航天技術研究院第803研究所，上海 200233）

0 前言

伺服機構工作需要有一定的供油壓力，由于液壓泵供油能力有限，采用平常的連續(xù)頻率掃描測試方法無法保證伺服機構正常工作，現(xiàn)多采用逐個加不同頻率的正弦波信號，待一個頻率的信號結(jié)束后伺服機構回歸零位，供油壓力恢復正常時再給定下一個頻率的正弦波信號。伺服機構存在零偏，功放電流限制等非線性因素，在工程應用中根據(jù)各頻率點的輸入信號和反饋信號計算出幅值和相位。由于對反饋信號采用濾波處理會降低反饋的幅值，所以本文將各頻率點的反饋信號直接擬合成一階正弦函數(shù)形式，再根據(jù)輸入信號計算出幅值和相位以及零偏。在VB.NET 軟件測試程序中，編寫反饋信號的擬合函數(shù)顯然費時費力，而MATLAB 具有強大的計算功能，并且具有專門的曲線擬合工具箱。為提高程序的效率和質(zhì)量，本文將MATLAB擬合函數(shù)以COM組件的形式實現(xiàn)供VB.NET調(diào)用。

1 混合編程的方法

VB與MATLAB混合編程的方法有多種，包括應用ActiveX 技術、應用DDE 技術以及使用MatrixVB 等，但是這些技術都不能脫離MATLAB 運行環(huán)境[1]。為了使混合編程方法能夠脫離MATLAB運行環(huán)境，也能夠供其他編程語言調(diào)用，本文采用生成COM 組件的方法供VB.NET 調(diào)用，從下文可以看出此方法生成過程簡單，并且便于模塊化。

2 MATLAB模擬輸入輸出曲線

測試伺服機構幅頻特性需要不同頻率的正弦信號，模擬幅值為1 V，頻率為4 Hz 的三個正弦波輸入信號及其得到的反饋信號，如圖1所示。

圖1 一個頻率段內(nèi)伺服機構輸入和反饋信號

從圖1 可以看出，伺服機構反饋信號受伺服機構本身非線性特性、采集卡、電氣干擾等影響，輸出曲線并不是非常光滑，在讀取反饋信號幅值以及相位滯后時會有較大偏差，因此需要對反饋信號進行光滑處理。采用濾波的方法可以使反饋信號趨于平滑，但同時會使幅值產(chǎn)生衰減，對結(jié)果分析會產(chǎn)生大的偏差。本文將反饋信號擬合成一階正弦函數(shù)的形式得出幅值，再與原信號相比得出相位滯后。

3 擬合函數(shù)的實現(xiàn)

圖1所示函數(shù)為分段函數(shù)，需用VB.NET將中間的反饋信號提取出來進行擬合，提取出的曲線如圖2所示，然后與原信號相比得出幅值和相位。

圖2 提取的輸入和反饋信號

MATLAB 擬合函數(shù)非常簡單，可以用短短幾行語句實現(xiàn)，語句如下：

myfit 函數(shù)是將反饋信號擬合成a sin（ωx+φ）+a0的形式。由于MATLAB函數(shù)在計算中有虛數(shù)的概念，所以需將返回值轉(zhuǎn)換成實數(shù)以便VB.NET調(diào)用。將圖2所示反饋信號曲線擬合后得到的曲線如圖3（a）所示，從圖3 可以看出，擬合曲線幅值與反饋曲線一致性相對較好，相位相對比實際反饋曲線超前，究其原因是由于反饋信號在第一個波形還未達到穩(wěn)定時就對其進行了擬合，導致擬合出的相位超前。至此可以改進算法，從第二個波形開始擬合，擬合出的曲線如圖3（b）所示，不難看出圖3（b）擬合效果要比圖3（a）好很多，表1 給出了擬合曲線幅頻特性的相位值與精準值的比較。

4 COM組件的生成

將上述MATLAB函數(shù)保存為myfit.m文件，利用deploytool 命令生成工程名為fupin.prj、類名為Class fupin、函數(shù)名為myfit 的通用COM 組件，當函數(shù)編譯正確后會在相對路徑的distrib 文件出現(xiàn)名為fupin_1_0.dll 的文件，至此COM 組件就成功生成。

5 VB.NET調(diào)用過程中注意的問題

5.1 COM組件的調(diào)用

點擊“項目”菜單，選擇“添加引用”，通過“瀏覽”選擇生成的fupin.dll。這樣COM組件就添加到程序中。

5.2 VB.NET 數(shù)組與MATLAB數(shù)組關系

在VB.NET 中如果用一維數(shù)組變量存取反饋時間和反饋信號的值，則在MATLAB編寫function函數(shù)時應注意將輸入形參進行轉(zhuǎn)置后進行計算，因為MATLAB 軟件在數(shù)組存儲上是列優(yōu)先原則，會將VB.NET 的一維向量看成是一維列向量進行處理。

圖3 反饋曲線與擬合曲線比較

表1 擬合曲線幅頻相位與標準值比較

6 VB.NET主要程序

上述程序是反饋信號從第二個波形開始將一維數(shù)組變量array1 存儲反饋時間，一維數(shù)組變量arrayy 存儲反饋信號，應注意array1 向量與arrayy向量的長度相等。輸出的幅值、相位及零偏分別存入變量A，fai，a0中。

7 VB.NET程序結(jié)果

本程序運行結(jié)果如圖4 所示，實際的伺服機構測試程序中在不同正弦波輸入頻率下反復調(diào)用COM 組件函數(shù)，可以得到在不同頻率下的幅頻值與相位?？梢姶藬M合函數(shù)具有通用性，此外也方便其他程序（如C++、Labview等）調(diào)用。

圖4 VB.NET運行結(jié)果

8 結(jié)論

利用MATLAB 科學計算能力強的特點，可以將一些復雜的科學計算過程用MATLAB 輕松實現(xiàn)，同時將這些過程生成通用COM 組件模塊供VB.NET 調(diào)用，可以省去VB.NET 編寫復雜函數(shù)的繁瑣過程，令編程效率大幅提高。本文實現(xiàn)了兩者混合編程，可以同時發(fā)揮MATLAB 計算能力強和VB.NET 編程界面快捷友好的特點，收到了良好的效果。同時生成的COM組件便于模塊化，可以為其他程序調(diào)用。這對其它科學計算要求高的測試軟件提供了實際意義。

［1］馮莉.VB 與Matlab 的混合編程方法［J］.兵工自動化，2005，24（5）：110-113.

［2］冀剛.MATLAB 7.3 與.NET 新接口技術［J］.電腦知識與技術，2008（03）：548-550.