VB調(diào)用Matlab在WEDM仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]VB調(diào)用Matlab在WEDM仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用
基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電火花線切割(WEDM)工藝仿真系統(tǒng)需要具有工藝數(shù)據(jù)庫管理、工藝效果預(yù)測、加工參數(shù)優(yōu)化等設(shè)計功能。借助Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，可以建立良好的工藝效果預(yù)測模型和參數(shù)優(yōu)化模型，這正是工藝仿真軟件最主要的功能要求。VB是Windows操作系統(tǒng)下優(yōu)秀的可視化編程工具軟件，在用戶界面設(shè)計和快速開發(fā)等方面具有獨特的優(yōu)勢。同時，Matlab仿真軟件以其強大的科學(xué)計算功能和開放式開發(fā)思想使其成為當(dāng)前最為流行的仿真計算工具。綜合兩種開發(fā)環(huán)境各自的優(yōu)勢，可采用VB與Matlab混合編程的方法實現(xiàn)工藝仿真軟件的編程開發(fā)。
在VB開發(fā)環(huán)境下制定前臺用戶界面，利用Matlab強大的計算功能實現(xiàn)后臺模型的實時仿真。為了實現(xiàn)前臺界面與后臺仿真環(huán)境間的數(shù)據(jù)傳遞，應(yīng)用ActiveX自動化技術(shù)進行VB與Matlab之間的接口設(shè)計，通過建立在VB應(yīng)用程序和Matlab仿真環(huán)境之間的ActiveX自動化連接，實現(xiàn)了在VB環(huán)境下對Matlab仿真命令的調(diào)用，并在VB友好的用戶界面中實時顯示仿真結(jié)果。
1 VB與Matlab間的接口分析
1.1 VB與Matlab接口形式
為了能夠充分利用Matlab系統(tǒng)提供的豐富函數(shù)庫，Matlab本身提供了應(yīng)用程序接口API(Matlab application program interface)。因此，VB與Matlab接口設(shè)計有多種實現(xiàn)方式。
(1)借用C++與Matlab的接口，將Matlab的程序文件(*．M)編譯為動態(tài)鏈接庫(*．DLL)，VB在代碼中調(diào)用生成DLL中的函數(shù)，以實現(xiàn)算法，便于用戶脫離Matlab環(huán)境使用。由于算法部分采用C++語句，運行速度較快，可應(yīng)用于實時運算。但是這種方法對開發(fā)者在設(shè)置和編程上都有較高的要求。
(2)通過使用嵌入VB中矩陣函數(shù)庫MatrixVB的方法實現(xiàn)接口。MatrixVB是第三方插件，利用與Matlab相似的函數(shù)、語法嵌入到VB中，可以像使用VB的函數(shù)、命令一樣使用Matlab函數(shù)。這種方法的語法和函數(shù)使用比較簡單，編程效率很高，幾乎完全可以融入VB語言，特別是對圖形的處理非常方便，彌補了其他方法在圖形處理上的弱點。但由于它仍然采用解釋執(zhí)行，執(zhí)行效率較低，因此實時運算難以實現(xiàn)，特別對于Matlab各類工具箱的調(diào)用尤為困難。
(3)在Visual Basic中通過調(diào)用Matlab的引擎接口，使用Windows的ActiveX技術(shù)與Matlab進行數(shù)據(jù)交互。通過Object．Execute語句在程序中直接使用Matlab提供的函數(shù)庫和圖形庫。
1.2 ActiveX自動化技術(shù)
ActiveX是一種支持組件集成MicroSoft Windows協(xié)議的自動化技術(shù)，通過ActiveX技術(shù)可以將不同環(huán)境下開發(fā)的組件集成到一個應(yīng)用程序中；ActiveX同時又是一種面向?qū)ο蠹夹g(shù)，屬于組件對象模型(COM)的子類。COM為所有的ActiveX對象定義了對象模型，每個ActiveX對象支持一定的接口，即支持不同的方法、屬性和事件。利用這些方法執(zhí)行相應(yīng)的動作，幫助客戶端實現(xiàn)一定的功能。Matlab支持兩種類型的ActiveX技術(shù)：ActiveX控制容器和ActiveX Automation。ActiveX控制容器可以將不同的ActiveX控件集成在一個應(yīng)用中；而ActiveX Automation是一種允許一個應(yīng)用程序(客戶端)去控制另一個應(yīng)用程序(服務(wù)器端)的協(xié)議。在本文中，Matlab是服務(wù)器端，VB是客戶端，通過Automation，客戶端可以執(zhí)行Matlab命令，并與Matlab的工作空間進行數(shù)據(jù)交換，以達到調(diào)用Matlab來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的。
2 ActiveX技術(shù)在接口設(shè)計中的應(yīng)用
Matlab ActiveX自動化服務(wù)的功能主要包括在Matlab工作空間執(zhí)行Matlab命令，直接對工作空間進行存取矩陣操作等。
Matlab提供了一個自動化對象，其外部名稱為Matlab．Application，支持COM技術(shù)。外部程序(如VB)通過COM技術(shù)提供的函數(shù)，得到自動化服務(wù)器對象支持的指針，并通過調(diào)用接口函數(shù)控制和使用自動化對象。在VB應(yīng)用程序中，創(chuàng)建了Matlab的ActiveX對象后，就可以使用這個對象所包含的各種方法來實現(xiàn)對Matlab的調(diào)用。Matlab．Application對象含有3種方法，分別是Execute，GetFullatrix和PutFullMatrix。
(1)BSTR Execute([in]BSTR Command)：BSTR表示寬字符串類型，它與VB存儲字符串所采用的數(shù)據(jù)格式相同。該方法接收字符串命令并在Matlab中執(zhí)行，將結(jié)果以字符串形式返回。
(2)void GetFullMatrix([in]BSTR Name[in]BSTR Workspace，[in，out]SAFEARRAY(douMe)*pr，[in，out]SAFEARRAY(double)*pi)：GetFullMatrix方法從指定的工作空間檢索一個完整的實型或虛型mxArray，其實部和虛部被分別存放到2個單獨的Double型數(shù)組中?？梢岳肎etFullMatrix方法將Matlab中的一個矩陣變量傳送到VB程序中的一個一維或二維數(shù)組中。其中，Name指定了Matlab中的矩陣變量名；Workspace指定了該矩陣所在的Matlab工作區(qū)；pr指VB程序中的實部數(shù)組；pi指VB程序中的虛部數(shù)組。
(3)void PutFullMatrix([in]BSTR Name，[in]BSTRWorkspaee，[in，out]SAFEARRAY(double)*pr，[in，out]SAFEARRAY(double)*pi)：PutFullMatrix方法將一個mxArray放入指定的工作空間。各參數(shù)的含義及調(diào)用方法與GetFullMatrix方法類似。[!--empirenews.page--]
3 VB調(diào)用Matlab在WEDM仿真軟件開發(fā)中的應(yīng)用
基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電火花線切割(WEDM)工藝仿真系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫的管理、工藝效果的預(yù)測、加工參數(shù)的優(yōu)化等功能。在VB開發(fā)環(huán)境中調(diào)用Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，是為了建立工藝效果的預(yù)測模型和加工參數(shù)優(yōu)化模型，這是仿真系統(tǒng)的主要功能。建模部分的核心代碼如下：
該部分程序的作用是VB把用戶輸入的參數(shù)傳到Matlab空間，在Matlab的空間中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將結(jié)果輸出。進而實現(xiàn)仿真系統(tǒng)幾個模型的建模。array 1是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時的樣本輸入數(shù)據(jù)，包括工件厚度T(單位：mm)、脈沖寬度tON(單位：s)、脈沖間隔tOFF(單位：s)、峰值電流IP(單位：A)、間隙電壓VS(單位：V)；array 2是樣本輸出數(shù)據(jù)，包括切割速度vw(單位：mm2／min)表面粗糙度Ra(單位：μm)。圖1為線切割工藝仿真系統(tǒng)主控界面，包括加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)建模、工藝效果的預(yù)測及參數(shù)優(yōu)化等部分。建立模型時，首先利用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)訓(xùn)練模型，模型訓(xùn)練完成后，便可以對不同加工參數(shù)所對應(yīng)的加工效果進行預(yù)測，并對給定材料、厚度條件下的加工參數(shù)進行優(yōu)化，給出優(yōu)化結(jié)果。
建模所需的樣本數(shù)據(jù)如表1所示，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果如圖2所示。
為驗證模型的正確性，用沒有參與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的驗證數(shù)據(jù)檢驗?zāi)Ｐ停Y(jié)果如表2所示。從仿真結(jié)果可以看出，利用VB調(diào)用Matlab混合編程建立的預(yù)測模型可以反映機床的工藝規(guī)律，建模是成功的?？梢詰?yīng)用于實際生產(chǎn)中。
4 結(jié) 語
VB與Matlab混合編程簡單方便，效率高，能夠應(yīng)用于WEDM仿真系統(tǒng)中，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。缺點是要依托于Matlab平臺，執(zhí)行速度慢，靈活性較差。
在VB開發(fā)環(huán)境下制定前臺用戶界面，利用Matlab強大的計算功能實現(xiàn)后臺模型的實時仿真。為了實現(xiàn)前臺界面與后臺仿真環(huán)境間的數(shù)據(jù)傳遞，應(yīng)用ActiveX自動化技術(shù)進行VB與Matlab之間的接口設(shè)計，通過建立在VB應(yīng)用程序和Matlab仿真環(huán)境之間的ActiveX自動化連接，實現(xiàn)了在VB環(huán)境下對Matlab仿真命令的調(diào)用，并在VB友好的用戶界面中實時顯示仿真結(jié)果。
1 VB與Matlab間的接口分析
1.1 VB與Matlab接口形式
為了能夠充分利用Matlab系統(tǒng)提供的豐富函數(shù)庫，Matlab本身提供了應(yīng)用程序接口API(Matlab application program interface)。因此，VB與Matlab接口設(shè)計有多種實現(xiàn)方式。
(1)借用C++與Matlab的接口，將Matlab的程序文件(*．M)編譯為動態(tài)鏈接庫(*．DLL)，VB在代碼中調(diào)用生成DLL中的函數(shù)，以實現(xiàn)算法，便于用戶脫離Matlab環(huán)境使用。由于算法部分采用C++語句，運行速度較快，可應(yīng)用于實時運算。但是這種方法對開發(fā)者在設(shè)置和編程上都有較高的要求。
(2)通過使用嵌入VB中矩陣函數(shù)庫MatrixVB的方法實現(xiàn)接口。MatrixVB是第三方插件，利用與Matlab相似的函數(shù)、語法嵌入到VB中，可以像使用VB的函數(shù)、命令一樣使用Matlab函數(shù)。這種方法的語法和函數(shù)使用比較簡單，編程效率很高，幾乎完全可以融入VB語言，特別是對圖形的處理非常方便，彌補了其他方法在圖形處理上的弱點。但由于它仍然采用解釋執(zhí)行，執(zhí)行效率較低，因此實時運算難以實現(xiàn)，特別對于Matlab各類工具箱的調(diào)用尤為困難。
(3)在Visual Basic中通過調(diào)用Matlab的引擎接口，使用Windows的ActiveX技術(shù)與Matlab進行數(shù)據(jù)交互。通過Object．Execute語句在程序中直接使用Matlab提供的函數(shù)庫和圖形庫。
1.2 ActiveX自動化技術(shù)
ActiveX是一種支持組件集成MicroSoft Windows協(xié)議的自動化技術(shù)，通過ActiveX技術(shù)可以將不同環(huán)境下開發(fā)的組件集成到一個應(yīng)用程序中；ActiveX同時又是一種面向?qū)ο蠹夹g(shù)，屬于組件對象模型(COM)的子類。COM為所有的ActiveX對象定義了對象模型，每個ActiveX對象支持一定的接口，即支持不同的方法、屬性和事件。利用這些方法執(zhí)行相應(yīng)的動作，幫助客戶端實現(xiàn)一定的功能。Matlab支持兩種類型的ActiveX技術(shù)：ActiveX控制容器和ActiveX Automation。ActiveX控制容器可以將不同的ActiveX控件集成在一個應(yīng)用中；而ActiveX Automation是一種允許一個應(yīng)用程序(客戶端)去控制另一個應(yīng)用程序(服務(wù)器端)的協(xié)議。在本文中，Matlab是服務(wù)器端，VB是客戶端，通過Automation，客戶端可以執(zhí)行Matlab命令，并與Matlab的工作空間進行數(shù)據(jù)交換，以達到調(diào)用Matlab來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的。
2 ActiveX技術(shù)在接口設(shè)計中的應(yīng)用
Matlab ActiveX自動化服務(wù)的功能主要包括在Matlab工作空間執(zhí)行Matlab命令，直接對工作空間進行存取矩陣操作等。
Matlab提供了一個自動化對象，其外部名稱為Matlab．Application，支持COM技術(shù)。外部程序(如VB)通過COM技術(shù)提供的函數(shù)，得到自動化服務(wù)器對象支持的指針，并通過調(diào)用接口函數(shù)控制和使用自動化對象。在VB應(yīng)用程序中，創(chuàng)建了Matlab的ActiveX對象后，就可以使用這個對象所包含的各種方法來實現(xiàn)對Matlab的調(diào)用。Matlab．Application對象含有3種方法，分別是Execute，GetFullatrix和PutFullMatrix。
(1)BSTR Execute([in]BSTR Command)：BSTR表示寬字符串類型，它與VB存儲字符串所采用的數(shù)據(jù)格式相同。該方法接收字符串命令并在Matlab中執(zhí)行，將結(jié)果以字符串形式返回。
(2)void GetFullMatrix([in]BSTR Name[in]BSTR Workspace，[in，out]SAFEARRAY(douMe)*pr，[in，out]SAFEARRAY(double)*pi)：GetFullMatrix方法從指定的工作空間檢索一個完整的實型或虛型mxArray，其實部和虛部被分別存放到2個單獨的Double型數(shù)組中?？梢岳肎etFullMatrix方法將Matlab中的一個矩陣變量傳送到VB程序中的一個一維或二維數(shù)組中。其中，Name指定了Matlab中的矩陣變量名；Workspace指定了該矩陣所在的Matlab工作區(qū)；pr指VB程序中的實部數(shù)組；pi指VB程序中的虛部數(shù)組。
(3)void PutFullMatrix([in]BSTR Name，[in]BSTRWorkspaee，[in，out]SAFEARRAY(double)*pr，[in，out]SAFEARRAY(double)*pi)：PutFullMatrix方法將一個mxArray放入指定的工作空間。各參數(shù)的含義及調(diào)用方法與GetFullMatrix方法類似。[!--empirenews.page--]
3 VB調(diào)用Matlab在WEDM仿真軟件開發(fā)中的應(yīng)用
基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電火花線切割(WEDM)工藝仿真系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫的管理、工藝效果的預(yù)測、加工參數(shù)的優(yōu)化等功能。在VB開發(fā)環(huán)境中調(diào)用Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，是為了建立工藝效果的預(yù)測模型和加工參數(shù)優(yōu)化模型，這是仿真系統(tǒng)的主要功能。建模部分的核心代碼如下：
該部分程序的作用是VB把用戶輸入的參數(shù)傳到Matlab空間，在Matlab的空間中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將結(jié)果輸出。進而實現(xiàn)仿真系統(tǒng)幾個模型的建模。array 1是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時的樣本輸入數(shù)據(jù)，包括工件厚度T(單位：mm)、脈沖寬度tON(單位：s)、脈沖間隔tOFF(單位：s)、峰值電流IP(單位：A)、間隙電壓VS(單位：V)；array 2是樣本輸出數(shù)據(jù)，包括切割速度vw(單位：mm2／min)表面粗糙度Ra(單位：μm)。圖1為線切割工藝仿真系統(tǒng)主控界面，包括加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)建模、工藝效果的預(yù)測及參數(shù)優(yōu)化等部分。建立模型時，首先利用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)訓(xùn)練模型，模型訓(xùn)練完成后，便可以對不同加工參數(shù)所對應(yīng)的加工效果進行預(yù)測，并對給定材料、厚度條件下的加工參數(shù)進行優(yōu)化，給出優(yōu)化結(jié)果。
建模所需的樣本數(shù)據(jù)如表1所示，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果如圖2所示。
為驗證模型的正確性，用沒有參與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的驗證數(shù)據(jù)檢驗?zāi)Ｐ停Y(jié)果如表2所示。從仿真結(jié)果可以看出，利用VB調(diào)用Matlab混合編程建立的預(yù)測模型可以反映機床的工藝規(guī)律，建模是成功的?？梢詰?yīng)用于實際生產(chǎn)中。
4 結(jié) 語
VB與Matlab混合編程簡單方便，效率高，能夠應(yīng)用于WEDM仿真系統(tǒng)中，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。缺點是要依托于Matlab平臺，執(zhí)行速度慢，靈活性較差。
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