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在 Lb W中使用 MA L B工具箱 aV I E TAUsng M ATLAB o bo e n La i To l x si bVI EW

李宁

张元培

朱立军

(北京工商大学机械自动化学院，北京市 1 0 3 ) 0 0 7L ig Z a g u n e Z u i n i n hn api h j N Y L u( l g f c a ia n ie rn n tmain Col eo h n c l gn e iga dAu o t, e Me E o

B in eh oo ya d u ies nvri, e ig1O 3 ) e igT cn lg sn s iesy B in O O 7 j n B U t j

【摘要】专业工具箱是数学软件 MAT AB的特色， L功能强大。在虚拟仪器编程软件 L b IW中结合 a VE使用 MA L T AB工具箱，能够开发出独具特色的虚拟仪器。文结合小波降噪、就本磁流变制动器参数的神经网络分析、虚拟模糊热点温度监测器几个实例介绍了如何在 L b EW中使用 a VIMATL AB工具箱以实现所需的虚拟仪器功能。

【关键词】虚拟仪器

L b IW a VE MA L B小波 T A

人工神经网络模糊理论

Ab t a t M a h s fwa e M AT sr c: t o t r LAB m a e e t r fisp o e s o a o l o e, k sa f a u e o r f s i n l o b x s wh c u c i n i o ru1 t t i h f n to sp we f . La VI b EW sak n fv r a sr m e p o r mm i g s fwa e M a i s fM AT i i d o it l tu￣ r g a u i n n o t r. k ngu eo LAB o b x si b EW t l o e La Vl o n wil e e o ru li sr me t t o d f a u e . h sp p ri to u e h r c s o t s AT l d v l p vi a n tu t n s wi g o e t r s T i a e n r d c st e p o e sof w u e M h h o LAB

t o b x si b EW i e e a x mpls s c sw a e e e n ii g, n l sso g e i u d a r se y o l o

e n La VI w t sv rl a h e e, u h a v ltd— o s n a a y i fma n tc f i r e trb ln u a e wo k a d v ru l u z i h p i t e e a u e i s co . e r l t r it a z y h g— o n mp r t r pe t r n n f t n Ke r s y wo d:Vit a n缸 ru l s ume t La VI I n b EW M A TLAB W a ee Ari c a u a e o k F z y Th o y v lt tf i l i Ne r l t r u z e r N w

1虚拟仪器和 L b IW简介 aV E1 1虚拟仪器 .

用工具箱。把 L b E软件平台与 MAT AB尤 a VI W L其是其专业工具箱相结合使用，无疑将使虚拟仪器的数据处理功能更加强大。

虚拟仪器 ( it a n tu n,称 VI V ru lIsr me t简 )是全新概念的最新一代测量仪器，是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。由于虚拟仪器的控制面板、结果显示以及信号数据的运算处理都是有软件实现的，以，所这种仪器的关键部分就是硬件平台支持下的软件功能模块。1. L b E 2 a VI W

2实现特色的虚拟仪器 2 1虚拟小波降噪仪 .在虚拟仪器中，对所得的信号数据进行处理以提取我们所需要的信息是非常重要的。 a VI W的 Lb E F n t n A ay e Sg a rcsig u ci/ n l z/ in l o es子选项板中有 o P n很多信号处理的函数，在时域、如频域的一些分析以及一些滤波函数和解决“漏”现象的“口”技术谱窗等。是我们仍然不能忘掉 MAT AB强大的信号处但 L理功能。因为它有 Sg a rcsig和 Wa ee等 in lP o es n v lt

Lb E a VI W就是工程人员开发虚拟仪器常用的一种软件工具。国 NI司 ( t n lI sr me t,美公 Nai a n tu n s o

国家仪器公司 )创立的 L b E是 La o a o y a VI w b rtrVita n t me tE gn eig Wo k e c ( ru lI sr u n n ie r r b n h实 n

工具箱。中，波变换分析理论是近十几年发展起其小

来的新的信号处理技术，因其在时间域和频率域都可达到高的分辨率，被称为“数学显微镜”,在数值信号处理领域应用广泛，发展非常快。把 MAT AB L 的 W a e tTo lo用到 L b E中， v l ob x e a VI W就大大加强了 L b E的信号处理功能。 a VI W

验室虚拟仪器工程平台 )简称，由一个功能强大的是而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，在实验测量、工业自动化和数据分析领域起着重要作用。它基于 G语言来开发虚拟仪器，方便快捷，且提供大并量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如 DL L、 D DE、 cie A t X等，它能实现的功能不仅限制于它 v使

小波是一个衰减的波形，它在有限的区域里存

本身，而是能从外部得到强大的补充。补充L b E功能的来源之一就是 MATL a VI W AB,这个由

在 (为零 )不，且其均值为零。常用的傅里叶变换 ( o r rTrn fr处理信号的缺点是变换后的信 F u e a so m) i号失去了时间信息，它不能告诉人们在某段时间里发生了什么变化。而改进后的短时傅里叶变换( h r me F u ir T a so m) S o t Ti o re r n f r,又称为盖博

美国 Mah W o k公司开发的功能强、效率高、简 t rs单易学的数学软件。它在科技应用软件中备受瞩目。 因为它有可靠的数值计算和符号计算功能、强大的绘图功能、简单易学的语言体系以及为数众多的应

( br Ga o )变换或者加窗傅里叶变换 ( i d we W n o d

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一

逾姿互. 牙

F u ir T a som ) o r r n fr因为对所有的频率成分都取大 e

wd n选项： Y=wd n X, h u s r, S e e (’ e ru e’’’’ on e。,

小相同的时间窗，所以只能提供信号在某个时间段和某个频率范围的有限信息。小波变换提出了变化的时间窗，使用时间一尺度域，补了上述的不足。弥

8’ym8’;,s )

wd n mp [ rs r k e a p一 d e c ec选 t, h,ep p】 h o d nr r

(d n’’ e,wv’x)

,;Y= e c (g l,’b : wd n mp’b’X,d 3,trsr ke a p; h,o h, ep p )

当需要精确的低频信息时，用长的时间窗，采当需要精确的高频信息时，用短的时间窗。采小波分连续小波 ( W T)离散小波 ( WT)还有小波包 ( a e t C、 D, W vl e P c e )多维小波。 a kt和几种常用的小波有 Ha rJ、 a]波 ￣Da b c is u e h e小波、Me o草帽小波、Mo lt .c r小波、 eMe e小波、S mlt波、 C i e小波和双正交小 yr y e小 of t l波 bo Nr Nd ir .。

经过比较得出， e c的降噪效果差一些， wd n mp I 为这是一个粗去噪的函数，用 wd n的效果最好。 e

2 2磁流变制动器参数的神经网络分析 .人工神经网络 ( t iilNe rlNewo k, Arica u a t r i f称 ANN)是由大量简单的处理单元组成的非线性自适应、自组织系统，它效仿生物神经系统的基本4 性来进行信息处理。其特色在于信息的分布式存1 和并行协同处理，具有很强的容错性和鲁棒性， 克服了传统人工智能方法对于直觉，如模式、音1语 别、非结构化信息处理方面的缺陷，在神经专家；统、模式识别、智能控制、合优化、机器人和统 1组 预测等领域得到广泛应用。有代表性的网络模型感知器、多层映射 B P网络、径向基函数 RB F网{

下面是一个虚拟小波降噪仪的例子。它分别调用 MAT AB的 W a ee ob x中的小波降噪函 L v ltTo lo数 W de n和 w de m P,还有小波包降噪函数 ncwp e c使用 D u e he/波 T S mltb实现 d n mp a b c is]￣ I y e/波 l

了对可选的虚拟波形 s e a o t i、swtoh和 s u r的降 n q ae噪处理。其中也用到了为信号去噪及压缩提供缺省

值的 dd nc P函数。La e m bVI EW是通过使用 MAT AB脚本节点来链接使用 MAT AB脚本程序 L L的。以从框图窗口F n to选项板的 Mah ma-可 u cin te t is F r l选项板上访问 MATL c/ o mua子 AB脚

本节点。 虚拟小波降噪仪的面板和框图程序分别如图 1 .图 2所示：

和 Ho f l型等。其中最后一个属于反馈神经 I p i d模 e 络，前面几个都属于前馈神经网络。 下面是一个在 L b E中调用 MA AB的； a VI W TL 经网络工具箱 ( u a t r o lo,使 J Ne rlNewo k T ob x) B网络对磁流变制动器的剪切应力及其影响参数 j P行比较分析的例子。磁流变材料是一种新型智能

料，磁场的作用下，在它可以在几毫秒内由流体状 j 迅速变为固态，磁场撤除后，又恢复到流体状态，=有很好的可控性和可逆性。采用磁流变材料代替 1统机械制动器的摩擦副，通过控制磁场的强弱来 l

接控制材料内部剪切应力的大小以产生不同的制 j

图 1虚拟小波降噪仪的前面板

力矩，很方便地实现了智能化的无级制动，且克J而 了传统机械制动磨损大、声大等许多缺点，很！噪有 的应用前景。VI的前面板和框图程序以及网络训次数与误差平方和的关系分别如图 3、图 4、图 5 J示：

图 2虚拟小波降噪仪的框图程序 框图中 C s结构的另两个选项里 MAT AB脚 ae L本节点的源代码如下： 图 3对磁流变制动器参数进行神经网络

分析的 V前面板 I

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实际生活中当然是很有意义的。下面是一个虚拟模05 0。 9 . r 0.】: 5[: 2:3; 4 xl x x x】: t[: - y】 t=[5 2 0 0 0】: p 2 O 0 3 0 0 01 【 l bl 2 l] i i f ,,冒，,,￣ - n t f 5 t s t pte n ): n i ￣ li ' r h 1, 2 b= r i l l l bl w, 2] t a n m b,

糊热点温度监测器的例子。它是采用虚拟仪器的形式实现的智能传感系统，用于对电力变压器的

热点进行在线监测，以确

图 4对磁流变制动器参数进行神经网络分析的框图程序

保用电设备的安全稳定运行。

在实际测量过程中，通常需要采用温度传感器 (铂热电阻、荧光光纤测温传感器等 )对变压器的如热点温度进行在线检

测，然后通过信号调理电路转

变为标准的电压信号，数据采集卡将信号采集到计算机中进行数值符号转换，并且给出最终的人类语言表述。例旨在介绍 L b E和模糊推理结合使本 a VI W用的实现过程，以不做真正的测量，所而是由D gtl ii a T emo trv经过处理而给出虚拟的测量温度值。 h r mee .i 图 5网络训练次数与误差平方和的关系图 运用神经网络理论对磁流变制动器剪切应力的影响参数进行比较分析在此流变制动器的设计过程中是十分重要和有益的。

系统可以实时监控温度值和温度状态 (否正常 )是， 并且有过热报警的功能。温度在[0 4]氏度范 2,1 0摄

围内时，系统会给出相应的语言描述：“度正常”温“温度偏高”温度过高”当温度超过 1 0氏度时，“, 4摄 系统报警“度太高了！”例中采用的是梯形隶属温本函数 ta mf r p,它的四个参数 a d b,别确定梯形，, c分的两脚和两肩的位置。vI前面板和框图程序分别的如图 6图 7所示：、

2 3虚拟模糊热点温度监测器 .模糊理论是在美国加州大学查德 ( A. a e ) L. Z d h教授于 1 6年创立的模糊集合理论的基础上发展起 5 9

来的，主要包括模糊集合理论、糊逻辑、糊推理模模和模糊控制等方面的内容。模糊逻辑不象经典二值逻辑那样把被讨论的对象明确的分为两极，而是通过模仿人的思维方式来表示和分析不确定、不精确的信息，它是分析现实世界中存在的模糊现象的手段。模糊逻辑是通过使用模糊集合来工作的。糊集模合没有精确的边界，个对象从“于一个集合”到一属“属于一个集合”之间的转变是逐渐的，这个平滑不的转变由隶属函数来表征。建立在模糊逻辑基础上的模糊推理是一种近似推理，可以在所获得模糊信息的前提下进行有效的判断和决策。它是一种以模糊判断为前提，用模糊语言规则，出一个新的近运推似的模糊判断结论的方法。模糊推理系统在诸如系统建模、自动控制、数据分类、策分析、家系统、决专 时间序列预测、机器人控制和模式识别等众多

领域中得到了成功的应用。

图 6虚拟模糊热点温度监测器的前面板

模糊传感器是采用了模糊理论，能够把测量的数值转换为人类语言符号表示的仪器。它是顺应人类的生活、产和科学实践的需要而出现的。如用生例了模糊传感器的电子血压计，它不仅能测出人的血压数值，而且能将数值转换成人类的语言输出，诉告被测人血压是“正常”偏高”还是“低”,“偏，这在

图 7虚拟模糊热点温度监测器的框图程序

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框图中 MAT AB S rp里添写的代码如下： L c itt m p=ht e l

辑 ( zy Fu z Lo i )几个工具箱结合应用的例子。 gc M ATLAB还有很多特色的工具箱，如控制系统 ( o to y tm)信号处理 ( in lP o es g、 C n r lS s e、 Sg a r csi ) n

t 0: 1 1=2 0. l 40;w ail T=0;

最优化 ( t m i a i n) 0p i z t O、鲁棒控制 ( b t RO usC n r 1、系统识别 (y tm d n i c t n)样条 o to) Ss e I e t iai、 f o

i em p<= 1 0 ft 4

tmp_o ma= rp ' tmp[ 06 0; e _ r lt n ( n a f e, 0 2 0 7] 2 ) tmp. d l t p ' tmp[ 09 O] e _ d=r n ( mi e a f e, 07 0 lO l 6 )t _ ih t P ( mp[5 l0 1 4] e . g= r mfe, 1 4 1o) mp h a t 9 0;%c l u a e t a c t he ma/ u l x m m e b r h p m m es i

( pie S l )等工具箱，所以两者可以在很多领域结合 n应用以达到科学测量、分析的目的。

参考文献[】 ( )R b r 1美 o t H.B s o e i p著 .乔瑞萍、林 h欣等译 . a VI w i实用教程 . Lb E 6电子工业出版社 .2 03 0

[ mp me id x=ma ( e _ o ma t e— m n e] x[ mp n r l ttmp e _mi dl e p hg]; d e tm i h)_

i i f nde x== lr s t ll e ul=

es i nd x==2 l ef i er ut s e l=2; es

le r s t 3l eu= l

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e nd e ndi e p> 1 0 ft m 4 r ut s e l=3;w a n= l; r

[】郑治真、沈萍等 .小波变换及其 MAT AB 5 L 工具的应用 .地震出版社 .2 0 01[】楼顺天、施阳 .基于 MAT AB的系统分析 6 L

e ndr ut s elW am

与设计——神经网络 .西安电子科技大学出版社 .2 00 0

[】飞思科技产品研发中心 .MATL 6 5 7 AB .辅助神经网络分析与设计 .电子工业出版社 .2 0 03[】朱立军 .磁流变制动装置及磁流变体制动特 8性的研究 .北京工商大学硕士论文 .2 0 03口

3总结以上是 LabVI EW与 M ATLAB中的小波 ( vl ) Wa ee、神经网络 ( u a t r ) t Ne r lNewo k、模糊逻

(接第 2页)上 1

设备号、日期及时间。

B.一路正常，另一路超正常范围时，记录、切换到正常一路。 C.两路都超正常范围时，记录、切换到较好一路。 D.一路超正常范围，另一路超 10 7 V时， 4~2 0 记录、切换到可用一路。 E.两路都超过 10 7 V时，记录、若持续超 4~2 0过 l 0秒切断两路负载。 F.超正常范围，每变化 3 V时，记录一次，但变化 3 V应持续超过 5以上。秒 显示、记录内容： A.超出范围记录：两路电压实时值，日期、时

具有专用 I C卡存储功能，进行故障记录和分析。 4系统的应用

高可靠性，良好的电磁兼容性是贯穿本系统设计的指导思想。目前，系统已成功应用于大同铁路本

局铁路信号机的电源控制中，以本系统为基础加以改进，可用于其它的电源监测与控制。还高度的智能

化与大量可靠的故障记录，为工作人员及时监测与处理故障提供了可靠的依据。

参考文献[】王有绪、许杰、李拉成 .

P C系列单片机接 1 I口技术及应用系统设计。北京：北京航空航天大学出版社 .0 0 20[】C RRUS L I OR RAT O 2 I OG C C PO I N.sn l igeP a e B - rcin lPo e/ n r y I h s i Die t a w r E e g C-CS 4 0 . o 56 A2 2 00

间 (月日、时分秒 )年。 B.采用 L D同时显示两路电源电压的电压值， E查询时显示电压值发生的日期、时间。 C.记录数据容量大干 3 7 2 6条。

备有微型打印机接口，实时打印出故障数据、可

口