摘  要： 首先分析了MATLAB與VC++在懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)編程方面的優(yōu)缺點(diǎn)，接著闡述了懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和MATCOM轉(zhuǎn)化法的基本原理，給出了求解固有特性的m文件，通過(guò)創(chuàng)建優(yōu)化平臺(tái)，結(jié)合算例和操作步驟進(jìn)行混合編程，詳細(xì)地提出了一種高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)編程方法。通過(guò)在系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用，表明MATCOM轉(zhuǎn)化法混合編程能無(wú)縫結(jié)合，大大縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)的周期，提高了效率。
關(guān)鍵詞： MATLAB；VC++；混合編程；優(yōu)化設(shè)計(jì)；解耦

    在工程計(jì)算中，多數(shù)工程的實(shí)現(xiàn)幾乎都要涉及多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，常規(guī)的解決辦法是運(yùn)用MATLAB或VC++軟件進(jìn)行編程計(jì)算，但目前這些軟件都還存在一些不足。一方面MATLAB雖有強(qiáng)大的計(jì)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，但是由于程序不能脫離其MATLAB環(huán)境運(yùn)行，限制了程序的通用性和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，不利于后續(xù)編程；另一方面Visual C++程序的代碼運(yùn)行效率高，界面設(shè)置交互性也比較好，但是由于在函數(shù)計(jì)算能力方面的不足，很大程度上加大了編程人員對(duì)一般數(shù)學(xué)函數(shù)和算法的工作量。通過(guò)合適的編譯器，結(jié)合MATLAB和Visual C++混合編程能有助于界面開(kāi)發(fā)和代碼重用，而且算法精確度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，混合編程連接性較好[1]。
    近年來(lái)隨著動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程的發(fā)展，絕大部分研發(fā)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以系統(tǒng)的固有頻率和解耦程度為合理設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用MATLAB的GUI界面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化面板設(shè)計(jì)，這在一定程度上可以很好地提高運(yùn)算能力，但卻制約了程序升級(jí)和改進(jìn)的可擴(kuò)展性能力。針對(duì)這些工程問(wèn)題，本文提出了一種基于MATCOM轉(zhuǎn)換法的VC++與MATLAB混合編程。傳統(tǒng)的VC++與MATLAB混合編程一般是在VC++環(huán)境下調(diào)用MATLAB編寫(xiě)的函數(shù)，在函數(shù)參數(shù)傳遞方面多用MATLAB編寫(xiě)優(yōu)化算法函數(shù)，總是將目標(biāo)函數(shù)的匿名函數(shù)作為其參數(shù)之一，以此來(lái)達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的目的。然而在C++語(yǔ)言中是不能將函數(shù)作為參數(shù)調(diào)用的，關(guān)于VC++與MATLAB混編參數(shù)調(diào)用這方面的文章也相當(dāng)少，本文提出了一種解決上述參數(shù)調(diào)用的方法。由于混編后的程序可以脫離MATLAB運(yùn)行，程序的速度和效率都得到了極大的提升。本文充分發(fā)揮MATCOM轉(zhuǎn)換法的優(yōu)勢(shì)，將高難度的算法研究與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合在一起，達(dá)到了程序簡(jiǎn)潔、編程效率提高和算法更易實(shí)現(xiàn)的目的。
1 懸置系統(tǒng)優(yōu)化分析
1.1 懸置系統(tǒng)優(yōu)化原理分析
    一般情況下，都是把動(dòng)力總成視為剛體，同時(shí)把動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)視為有3個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的一個(gè)空間6自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)6個(gè)模態(tài)，包括前后移動(dòng)模態(tài)、左右移動(dòng)模態(tài)、上下移動(dòng)模態(tài)、橫向轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)、縱向轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)，懸置系統(tǒng)模型如圖1所示。

 
    目前應(yīng)用比較普遍的模態(tài)解耦度評(píng)價(jià)指標(biāo)是用模態(tài)的能量比值概念來(lái)表示的。第j階振型中第k個(gè)自由度的振動(dòng)能量占該階運(yùn)動(dòng)總能量的百分比可以表示為：
    

    采用第二種MATCOM轉(zhuǎn)化法，結(jié)合算例，將MATLAB中計(jì)算函數(shù)的m文件轉(zhuǎn)化為VC++可識(shí)別的文件；接著，通過(guò)創(chuàng)建VC++工程，將所需文件加入工程目錄中。
2 VC++與MATLAB混合編程的實(shí)現(xiàn)

2.1 算例分析
    本文將針對(duì)某國(guó)產(chǎn)自動(dòng)檔車(chē)型的振動(dòng)問(wèn)題，分析基于遺傳算法的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)多目標(biāo)剛度優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)為9個(gè)剛度設(shè)計(jì)變量，以解耦度最大為最佳優(yōu)化目標(biāo)，此平臺(tái)采用加權(quán)系數(shù)法對(duì)6自由度解耦度進(jìn)行加權(quán)，形成適應(yīng)度函數(shù)如下：
    
    基于遺傳算法，優(yōu)化的目標(biāo)是使得f適應(yīng)度值最大，交叉概率和變異概率分別取0.3、0.2，種群染色體個(gè)數(shù)設(shè)置為30，優(yōu)化代數(shù)設(shè)置為400，約束條件設(shè)置固有頻率在6 Hz～18 Hz之間，相鄰固有頻率最小為1 Hz。為了便于動(dòng)態(tài)分析和實(shí)現(xiàn)混合編程，同時(shí)給出了懸置系統(tǒng)的基本參數(shù)。表1是動(dòng)力總成質(zhì)量和慣性參數(shù)，表2為懸置系統(tǒng)位置和安裝方向角參數(shù)。

2.2 實(shí)現(xiàn)混合編程
    實(shí)現(xiàn)方法是運(yùn)用MATCOM生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，這種方法在實(shí)際工程中使用較多，運(yùn)用也比較靈活，易于實(shí)現(xiàn)MATLAB與VC++之間的函數(shù)、參數(shù)之間的傳遞。最好的情況是能直接使用MATCOM編譯生成cpp文件，而不是直接使用dll文件[4]。下面以懸置系統(tǒng)優(yōu)化為例進(jìn)行說(shuō)明，步驟如下：
    (1)在MATLAB中生成m源文件，通過(guò)MATCOM編譯器在當(dāng)前目錄文件夾中生成三種4個(gè)VC++可識(shí)別的文件，然后添加到VC++工程目錄下。在實(shí)現(xiàn)混合編程之前，根據(jù)MATLAB編程規(guī)則，在軟件中實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)求解固有頻率和解耦度的m程序文件，其程序主要部分如下所示：
function[P,v,s,t]=jieoudu(m2,X,U,r,J)
%定義輸入輸出函數(shù) jieoudu，P,v,s,t為輸出數(shù)組，m2,X,U,r,J為輸入數(shù)組
K1=f1′ * t1′ * k1 * t1 * f1;
%K為系統(tǒng)的剛度矩陣，其中 f1′為求逆矩陣
K2=f2′ * t2′ * k2 * t2 * f2;
K3=f3′ * t3′ * k3 * t3 * f3;
K=K1+K2+K3;
[v,d]=eig(inv(M)*K);
%求特征向量、特征值
…
    其中，m2、X、U、r、J為輸入數(shù)組，是從VC++編輯框輸入傳給jieoudu函數(shù)的要進(jìn)行求解固有頻率和解耦度的參數(shù)，特別需要注意的是逆矩陣函數(shù)和eig函數(shù)，如果這兩個(gè)函數(shù)在C++中實(shí)現(xiàn)，需要編輯大量的語(yǔ)句才能實(shí)現(xiàn)。
    (2)創(chuàng)建一個(gè)名為youhuapingtai，基于對(duì)話框的MFC(exe)工程。
    (3)將MATCOM編譯器生成的4個(gè)文件拷貝到建立的工程youhuapingtai目錄下。然后將拷貝的4個(gè)文件加入到VC工程中：工程→添加工程→文件。
    (4)在youhuapingtaiDlg.cpp中進(jìn)行主要程序編輯，其主要代碼如下所示：
    #include "matlib.h"
    #include "jieoudu.h"
//添加jieoudu函數(shù)頭文件static void
    initialization(CYouhuapingtaiDlg* dlg);//初始化種群
  …
    其中，添加頭文件#include"matlib.h"和#include"jieoudu.h"，用于調(diào)用由MATLAB編譯的jieoudu庫(kù)文件。
    void CYouhuapingtaiDlg::diaoyong()
//定義diaoyong函數(shù)
    {
    dMm (X);dMm (U);dMm (r);dMm (J);dMm (P);dMm (v);
dMm (s);dMm (t);//用Mm來(lái)定義矩陣變量[5]
    M_VECTOR(X,data1);
    //M_VECTOR宏將控件中的矩陣數(shù)據(jù)傳給函數(shù)輸入變量
    …
    initM(MATCOM_VERSION);  //初始化matlib庫(kù)，MATCOM_VERSION是一個(gè)在matlib. h中定義了的常量,它保證了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與matlib. h相匹配
    jieoudu(m2,X,U,r,J,i_o,P,v,s,t);//調(diào)用編譯好的MATLAB
程序jieoudu， i_o為分隔符，前為輸入，后為輸出
    …
    exitM();     //調(diào)用結(jié)束
       }
    在函數(shù)static void initialization()中，傳遞一個(gè)cyunxingdlg類(lèi)型的指針變量 ，編寫(xiě)了如下主要隨機(jī)生成初始數(shù)據(jù)的子程序：
    static void initialization(CYouhuapingtaiDlg*dlg)
//初始化種群函數(shù)
    {    for(i=1; i<=POP_SIZE; i++)
        {
          mark:  //運(yùn)用mark循環(huán)來(lái)處理約束條件
          x[1]=myu(dlg->m_x11,dlg->m_x12);
//參數(shù)取隨機(jī)值（染色體賦約束條件
范圍隨機(jī)值，能減少程序計(jì)算量）
                …
          if(constraint_check(x,dlg)==0)
            goto mark;
                //if語(yǔ)句調(diào)用處理約束條件函數(shù)
          for(j=1; j<=N; j++)
        CHROMOSOME[i][j]=x[j];//染色體賦初始值
          }
    }
    (5)一般在這種情況下編譯會(huì)出現(xiàn)下列錯(cuò)誤：fatal error C1010：unexpected end of file while looking for precompiled header directive。因此，需要進(jìn)行下列設(shè)置：工程→設(shè)置→C/C++，選擇precompiled headers 選擇第一或第二項(xiàng)：自動(dòng)選擇預(yù)補(bǔ)償頁(yè)眉。執(zhí)行即可通過(guò)編譯。
    (6)運(yùn)行程序，輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊“優(yōu)化計(jì)算”按鈕，再點(diǎn)擊“顯示優(yōu)化結(jié)果”，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果顯示平臺(tái)。
    應(yīng)用MATCOM轉(zhuǎn)化法改進(jìn)MATLAB和VC++的混合編程的不足，如對(duì)class數(shù)據(jù)類(lèi)型部分支持eval、feval等語(yǔ)句不能在C++中實(shí)現(xiàn)、圖形窗口有些不盡人意等問(wèn)題，在編程過(guò)程中，已經(jīng)避免了運(yùn)行出現(xiàn)以上的問(wèn)題。
    軟件平臺(tái)是基于MATCOM轉(zhuǎn)化法的混合編程，在運(yùn)算時(shí)，明顯能感到其計(jì)算速度和效率的提高。結(jié)果中，固有頻率和解耦度的輸出結(jié)果也是相當(dāng)滿意的，在6個(gè)固有頻率下，各模態(tài)的能量解耦度都能占到90%以上。
    本文通過(guò)懸置系統(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)無(wú)縫結(jié)合的實(shí)踐運(yùn)用，以及平臺(tái)的穩(wěn)定測(cè)試，解決了VC++在解決矩陣處理問(wèn)題上的弊端，簡(jiǎn)化了編寫(xiě)程序的復(fù)雜性，同時(shí)也有效地提高了MATLAB在可移植性的底層編程功能和界面開(kāi)發(fā)能力，對(duì)復(fù)雜算法的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù)支持。基于MATCOM轉(zhuǎn)化法的VC++與MATLAB混合編程，其程序代碼在編譯后封裝于鏈接庫(kù)中，因此也有利于保護(hù)軟件的著作權(quán)。
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