C#與MATLAB混合編程在內(nèi)彈道設計中的應用*

柯 彪，高躍飛，羅炳華，徐鳳軍

(1中北大學機電工程學院，太原 030051;2四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000)

0 引言

早期的內(nèi)彈道設計是把內(nèi)彈道設計的相關函數(shù)關系在給定一些條件下編成內(nèi)彈道設計表，然后通過查表來解決實際的內(nèi)彈道設計問題。目前，隨著計算機技術的快速發(fā)展，人們開始編制了多種內(nèi)彈道設計軟件，可以快速進行內(nèi)彈道計算和方案設計，但還是受開發(fā)語言的限制，軟件人機交互性差，專業(yè)性強，不易于集成。為此，文中結(jié)合C#和MATLAB各自的優(yōu)點，利用其混合編程技術，開發(fā)了界面友好、操作簡單、圖形和數(shù)據(jù)管理方便的內(nèi)彈道設計軟件，利用該軟件根據(jù)設計評價標準最終可以選出最佳性能的內(nèi)彈道方案，為后續(xù)的炮身、炮架以及彈藥設計提供了依據(jù)，也為未來火炮設計軟件系統(tǒng)的開發(fā)提供了基礎。

1 C#與MATLAB混合編程技術

1.1 C#與 MATLAB的簡介

Microsoft Visual C#是 Microsoft專門為使用.NET平臺而開發(fā)的一種強大的、面向組件的語言，可用于方便快捷的創(chuàng)建運行在.NET公共語言運行庫(common language runtime，CLR)上的Windows應用程序[1]。但是其在數(shù)值計算分析和曲線繪圖方面的操作繁瑣，功能薄弱。

MATLAB是一種用于數(shù)值計算、可視化及編程的高級語言和交互式環(huán)境，可以分析數(shù)據(jù)，開發(fā)算法，創(chuàng)建模型和應用程序。借助其語言、工具和內(nèi)置數(shù)學函數(shù)，可以快速簡潔的編制所有的各類計算程序和輸出相應數(shù)據(jù)。但是MATLAB在用戶界面上的開發(fā)功能還比較簡單，執(zhí)行效率低，難以實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)輸入 輸出的管理。

1.2 C#與MATLAB混合編程的實現(xiàn)

文中以 Visual Studio.Net 2010與 MATLAB R2009a為例，混合編程實現(xiàn)的步驟如下:

1)安裝完Matlab之后，在路徑:Matlab的安裝目錄 oolboxcompilerdeploywin32 下找到 MCRInstall.exe進行安裝;然后點擊:我的電腦 －屬性 －高級 －環(huán)境變量－系統(tǒng)變量－PATH－編輯，在變量值輸入框中，不要刪除以前的字符串，在最前面加入MCR的安裝路徑，然后確定、保存、重啟電腦。否者C#創(chuàng)建Matlab的訪問對象時，出現(xiàn)“xxx的類型初始值設定項引發(fā)異常?！钡腻e誤警告。

2)在MATLAB的命令窗口直接輸入“deploytool”或者單擊 MATLAB中“Start”按鈕，依次展開MATLAB?MATLAB Builder NE?Deployment Tool，即可使用 MATLAB 的.NET 組件生成功能[2]。

3)使用Deployment Tool新建一個類型為MATLAB Builder NE的工程project，命名為IBdesign.prj，工程名就相當于C#中的命名空間，確定后系統(tǒng)自動在工程下生成同名的文件夾，為了與工程名區(qū)分，最好將文件名改為IBdesignclass，該文件名相當于C#中的類名，再向該文件夾下添加已經(jīng)成功編制的一個或多個*m函數(shù)文件，如 IBmixed.m文件，IBmixed類似于C#中類下的方法名。最后就可完成對工程的編譯和打包，只需到工程相應的目錄下(..src)就可以找到 dll動態(tài)鏈接庫文件[3]。

4)C#新建項目并完成界面開發(fā)后，須對剛編譯的dll文件和MWArray.dll文件(在MATLAB安裝目錄 oolboxdotnetbuilderinwin32v2.0文件夾下)進行引用[4]，另外還需將位于上路徑下的ManagedCPPAPI.netmodule文件拷貝至C#項目目錄inDebug文件夾下。

5)完成混合編程的前期準備后，即可在C#代碼區(qū)開始編程實現(xiàn)對剛引用的dll進行調(diào)用，混合編程成功的關鍵是C#與MATLAB的.NET FrameWork框架版本要相適應，以及它們之間傳輸參數(shù)個數(shù)的匹配和數(shù)據(jù)類型之間的恰當轉(zhuǎn)換。

2 軟件設計

典型的內(nèi)彈道設計問題可以歸納為在已知的火炮口徑d、彈丸質(zhì)量m和彈丸初速v0的條件下，選擇適當?shù)淖畲髩毫m、藥室擴大系數(shù)χK以及火藥品種，然后計算出能滿足上述條件的膛內(nèi)構造諸元和裝藥條件等眾多未知量，將是一個多解的問題，但是保證武器能夠具有規(guī)定的初速是內(nèi)彈道設計的根本要求。

根據(jù)內(nèi)彈道設計的思路，采用C#與MATLAB混合編程技術，開發(fā)了內(nèi)彈道設計軟件，實現(xiàn)了權限管理、內(nèi)彈道設計計算、數(shù)值數(shù)據(jù)與圖形處理的功能，具有一定的通用性、可擴展性和可集成的特點。該軟件設計計算部分的核心框架見圖1。

圖1 內(nèi)彈道設計計算的核心框架示意圖

2.1 開發(fā)環(huán)境與安裝要求

內(nèi)彈道設計軟件在 Windows操作系統(tǒng)下的Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，根據(jù)用戶需要可以很方便的確定軟件所支持的操作系統(tǒng)位數(shù)，數(shù)據(jù)庫采用的是 SQL Server 2008，軟件的.Net Framework框架版本根據(jù)C#與MATLAB的版本要求確定。只需將應用程序、數(shù)據(jù)庫安裝包、相同MATLAB版本的MCR運行庫及所需要的.Net Framework獨立安裝包一同打包，通過編寫相應的安裝腳本控制順序安裝，就可以使軟件安裝不依賴客戶端的配置，移植性強。

2.2 軟件功能設計

根據(jù)一般工程設計軟件的要求，內(nèi)彈道設計軟件的功能設計有:權限管理、內(nèi)彈道設計計算、數(shù)據(jù)管理和圖形處理、歷史記錄、意見反饋以及窗體換膚功能。

1)權限管理功能。將軟件使用人員分為系統(tǒng)管理員和一般設計計算員。根據(jù)內(nèi)彈道設計所采用的裝藥類型給不同設計計算員分配各自內(nèi)彈道設計所需權限和自身用戶信息管理權限，彼此獨立，而系統(tǒng)管理員具有查詢、添加、刪除及導出用戶信息和進行所有設計計算的權限。

2)內(nèi)彈道設計計算功能。將以經(jīng)典內(nèi)彈道模型為基礎，適用于簡單形狀火藥(如管狀、帶狀、方片狀等幾種)、多孔火藥(常用的圓柱形七孔、花邊形七孔、花邊形十四孔等幾種)、混合裝藥(以簡單形狀火藥和多孔火藥的混合為例)及鈍感火藥[5]的內(nèi)彈道設計計算的MATLAB程序修改為m函數(shù)文件，另外編程時也考慮了不同火藥對計算參數(shù)的選取要求。其中多孔火藥在減面燃燒階段用來計算與碎粒斷面相當?shù)膬?nèi)切圓半徑ρ的計算系數(shù)與藥形的關系如表1所示。

3)數(shù)據(jù)管理功能。主要利用SQL Server 2008完成用戶信息的查詢、添加和刪除操作，以及用戶歷史操作的記錄和意見反饋的管理，這樣就控制軟件的用戶登錄權限，也為軟件功能的完善提供了基礎，同時特別實現(xiàn)對內(nèi)彈道方案參數(shù)和內(nèi)彈道計算結(jié)果數(shù)據(jù)的備份。

4)圖形處理功能。借助MATLAB強大的圖形處理功能，內(nèi)彈道計算時可以對需要曲線進行實時顯示，計算后分類保存，同時利用C#還特別定制了內(nèi)彈道曲線處理界面，主要實現(xiàn)曲線查看、格式轉(zhuǎn)換、復制與刪除、另存與打印等基本功能。

5)窗體換膚功能。主要考慮了軟件的外觀與用戶使用舒適性，軟件集成了現(xiàn)有56種皮膚外觀。同時用戶自己也可以開發(fā).*ssk(窗體皮膚文件)，并將該文件拷貝至程序當前目錄下DebugSkins文件夾下，即可完成窗體皮膚功能的擴展。

2.3 軟件界面設計

內(nèi)彈道設計軟件主界面(見圖2)以內(nèi)彈道參數(shù)錄入、方案評價部分和計算結(jié)果數(shù)據(jù)顯示部分為主體，通過各功能按鈕完成對相應子模塊功能的調(diào)用，整個界面布置整潔、緊湊，操作方便。

表1 藥形和的對照表

表1 藥形和的對照表

藥形 ρ 0.5d0+e1圓柱形七孔 0.2956花邊形七孔 0.1547花邊形十四孔 0.1547花邊形十九孔 0.1547圓柱形十九孔 0.3559正六邊形十九孔 0.1864等圓角六邊形十九孔 0.1977

3 關鍵技術及代碼

3.1 .NET程序集的生成

圖2 內(nèi)彈道設計計算軟件的主界面

編寫相應彈道程序并成功調(diào)式運行后，再將原計算程序中的關鍵常數(shù)均替換為變量，作為Function函數(shù)的輸入?yún)?shù)，這樣通過MATLAB Builder NE即可將彈道核心計算部分的程序編譯生成dll動態(tài)鏈接庫文件，也就是C#與MATLAB之間通信的接口。另外只需在保證文件名和輸入輸出參數(shù)不變的條件下將修改后的計算程序重新編譯成dll，并在C#中重新引用，不必修改任何C#語言代碼，即可完成.Net程序的升級更新。

3.2 C#調(diào)用 MATLAB

用C#實例化某類型火藥的內(nèi)彈道設計計算類的對象，通過對象來調(diào)用實現(xiàn)計算的方法，在保證計算函數(shù)成功引用和C#與MATLAB之間數(shù)據(jù)恰當轉(zhuǎn)換的前提下，使用C#編寫內(nèi)彈道設計計算部分的功能代碼。(雙斜杠"http://"后的文字為解釋性內(nèi)容和行號，調(diào)試時都不被編譯;“……”號代表省略了不重要或類似的代碼)部分代碼:

①using MathWorks.MATLAB.NET.Arrays;

②using MathWorks.MATLAB.NET.Utility;

③using IBsimplepowderNet;

④……

⑤private void btn內(nèi)彈道計算_Click(object sender，EventArgs e)

⑥{……

⑦switch(裝藥comboBox.SelectedItem.ToString())

⑧{

⑨case"簡單形狀火藥":

⑩try

?{//實例化計算簡單火藥內(nèi)彈道的類

?IBsimplepowderClass simplepowder=new IBsimple powderClass();

?MWArray[]result1=simplepowder.IBsimple

(16，(MWNumericArray)d，(MWNumericArray)v0，……);

?MWNumericArray pm=(MWNumericArray)result1[0];

?pm_txt.Text=pm.ToScalarDouble(). ToString();

?……

?MWNumericArray t=(MWNumericArray)result1[8];

//將matlab輸出列向量轉(zhuǎn)換到C#中

?double[]loc_t=null;

?loc_t=(double[])t.ToVector(MWArray

Component.Real);

?catch(Exception)

?{MessageBox.Show("請檢查輸入?yún)?shù)是否匹配?"，……);}

?break;

?case"多孔火藥": //多孔火藥計算部分

?……

?break;

?省略混合、鈍感火藥內(nèi)彈道設計的代碼……

其中第1～2行為C#與MATLAB混合編程必須引用的命名空間，第3行為引用MATLAB編譯了的簡單火藥(其他火藥類似)內(nèi)彈道設計計算程序集，第7行switch語句選擇裝藥類型及藥形，第13行調(diào)用計算簡單火藥內(nèi)彈道的方法，第14～15行取出計算結(jié)果的每個值，并轉(zhuǎn)化為string類型，顯示在窗口中顯示出來，第19行將結(jié)算結(jié)果中的列向量轉(zhuǎn)化為C#中的數(shù)據(jù)類型。程序中try{}catch{}代碼捕獲程序突發(fā)異常和參數(shù)輸入不當異常。

3.3 數(shù)據(jù)管理

該軟件涉及到的數(shù)據(jù)管理有:用戶信息、歷史記錄與意見反饋，計算數(shù)值結(jié)果與曲線。在軟件底層利用C#編寫連接字符串來連接SQL Server數(shù)據(jù)庫，通過C#開發(fā)的用戶界面即可方便快速的完成數(shù)據(jù)的查詢、添加、刪除、導出與打印等功能，同時直接利用MATLAB強大的繪圖功能和C#強大的文件輸入輸出功能，就可完全的完成計算數(shù)據(jù)的管理。

4 計算分析實例

軟件對100mm加農(nóng)炮(其采用單一管狀藥)、85mm加農(nóng)炮(其采用圓柱形七孔火藥)[6]、122mm榴彈炮(其采用管狀藥和圓柱形七孔火藥的混合裝藥)及35mm高炮(其采用鈍感火藥)的內(nèi)彈道設計計算進行了算例的定制。

下面以采用圓柱七孔火藥的85mm加農(nóng)炮內(nèi)彈道設計計算為例，計算結(jié)果如表2所示，和現(xiàn)有制式同類火炮的評價標準接近，說明 C#與MATLAB混合編程技術在內(nèi)彈道設計計算中應用是可行的。

表2 85mm加農(nóng)炮多孔火藥內(nèi)彈道設計計算評價標準

5 結(jié)論

通過對C#與MATLAB混合編程技術的研究，完成了不同類型火藥的內(nèi)彈道設計計算軟件的開發(fā)。該軟件操作方便快捷，具有良好的人機交互性和集成性，可以為未來火炮設計軟件的開發(fā)提供基礎，另外文中采用的經(jīng)典內(nèi)彈道模型可進一步拓展至其改進型和考慮兩相流的內(nèi)彈道模型，還有該混編技術也可以在外彈道、身管設計計算、炮口制退器、反后坐裝置等火炮常規(guī)計算中推廣使用，為火炮的現(xiàn)代計算機輔助設計提供了一種思路。

[1]馬煜，陳海軍.Visual C#.NET案例開發(fā)集綿[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2]羅炳華，高躍飛，劉榮華，等.基于MATLAB與C#的火炮CAD系統(tǒng)開發(fā)和優(yōu)化設計[J].火炮發(fā)射與控制學報，2010(2):44－47.

[3]鄭暉，王勇.C#與Matlab混合編程技術在數(shù)字地震信號處理軟件中的應用[J].地震地磁觀測與研究，2011，32(2):101－105.

[4]張燕，馬永杰.Visual C#與MATLAB混合編程方法及其實現(xiàn)[J].西北師范大學學報，2008，44(6):34 －37.

[5]劉雙杰，郝永乎.35mm高射炮鈍感發(fā)射藥的內(nèi)彈道仿真[J].彈箭與制導學報，2010，30(1):170 －172.

[6]金志明.槍炮內(nèi)彈道學[M].北京:北京理工大學出版社，2004.