呂良軍，郝振莉

MATLAB GUI在水力計(jì)算中的應(yīng)用

呂良軍，郝振莉

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

以MATLAB軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行流態(tài)可視化操作界面的功能設(shè)計(jì)、控件選擇和邊界布局，通過(guò)梯形明渠求解正常水深的案例，闡述以GUI為人機(jī)交互界面，方便地解決各種復(fù)雜的水力計(jì)算問(wèn)題。

MATLAB GUI；可視化設(shè)計(jì)；梯形明渠；水力計(jì)算；數(shù)值分析

0 引言

水力計(jì)算內(nèi)容涵蓋了管道、明渠、堰閘、水壩、滲流等諸多工程領(lǐng)域的計(jì)算問(wèn)題，其中涉及許多筆算難以解決的問(wèn)題。如，求解明渠臨界水深與正常水深，若用Microsoft Excel進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)單快捷，但缺乏數(shù)據(jù)可視化［1］。MATLAB軟件是目前常用的工程軟件，它集數(shù)值計(jì)算、矩陣計(jì)算和圖形繪制等功能于一體，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)學(xué)及工程計(jì)算中。將MATLAB數(shù)值計(jì)算方法與水力計(jì)算相結(jié)合，可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度和工作效率。MATLAB圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)GUI）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，不但使計(jì)算更加簡(jiǎn)捷明了，而且其執(zhí)行動(dòng)作和變化能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求［2］。文獻(xiàn)［3］給出用MATLAB數(shù)值計(jì)算求解明渠臨界水深的方法，但它只能在命令窗口中運(yùn)行，不方便工程人員使用。

圖形用戶(hù)界面是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說(shuō)明等對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)用戶(hù)界面。用戶(hù)通過(guò)一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤(pán)）選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。MATLAB GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，方便用戶(hù)在此環(huán)境下開(kāi)發(fā)界面并快捷地創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序，它可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)計(jì)的GUI布局，自動(dòng)生成M文件的框架，供用戶(hù)編制應(yīng)用程序。筆者探討了MATLAB GUI在水力計(jì)算中的應(yīng)用。

1 GUI設(shè)計(jì)的原則和步驟［4］

1.1 GUI設(shè)計(jì)的原則

在設(shè)計(jì)GUI時(shí)，應(yīng)遵守簡(jiǎn)單性、一致性及習(xí)常性的原則。設(shè)計(jì)界面時(shí)，應(yīng)力求簡(jiǎn)潔、直接、清晰地體現(xiàn)出界面的功能和特征，并盡量使風(fēng)格一致。此外，還應(yīng)使用人們所熟悉的標(biāo)志與符號(hào)。

1.2 GUI設(shè)計(jì)的步驟

（1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，構(gòu)思草圖。在命令窗口直接輸入命令GUIDE。在創(chuàng)建新的GUI時(shí)，MATLAB提供空白模板、帶有控制按鈕模板、帶有坐標(biāo)軸和菜單模板、問(wèn)答式對(duì)話(huà)框模板4種模板。

（2）設(shè)計(jì)界面，添加控件和設(shè)置屬性?？丶臉?biāo)識(shí)（Tag）是對(duì)于各控件的識(shí)別。每個(gè)控件創(chuàng)建時(shí)，都會(huì)由開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)識(shí)。在程序設(shè)計(jì)中，為了編輯、記憶和維護(hù)的方便，一般為控件設(shè)置一個(gè)新的標(biāo)識(shí)。

（3）編寫(xiě)代碼，實(shí)現(xiàn)控件的交互作用。GUI圖形界面的功能要通過(guò)一定的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法，由特定的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)程序的功能，還需要在運(yùn)行程序前編寫(xiě)一些代碼，完成程序中變量的賦值、輸入、輸出、計(jì)算及繪圖等工作。

2 GUI在渠道水力計(jì)算中的應(yīng)用

2.1 已知條件［5］

如圖1所示，一梯形斷面渠道，已知流量Q＝450 m3/s，邊坡系數(shù)m＝1，渠道糙率n＝0.025，渠道的底寬b＝45m，底坡i＝0.32/1 000，求正常水深h0。

圖1 梯形明渠斷面圖Fig.1 Trapezoidal open channel cross-section

式中：i為明渠底坡；n為明渠糙率；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；R＝A/χ，χ為濕周。

明渠均勻流流量Q的計(jì)算公式為。所以，公式（1）可變?yōu)?/p>

此時(shí)，解得f（h）的水深便為正常水深h0。

2.2 用GUI實(shí)現(xiàn)計(jì)算

2.2.1 創(chuàng)建M函數(shù)文件

將式（2）和式（4）編寫(xiě)成如下M函數(shù)文件，并保存在matlab的work文件夾中，備用。

2.2.2 布置控件

構(gòu)思草圖，形成框架，在布局編輯器中布置控件。使用幾何位置排列工具對(duì)控件的位置進(jìn)行調(diào)整。建立3個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象，分別用于顯示梯形水渠、公式、水量與水深函數(shù)圖像。建立3個(gè)按鈕，用來(lái)繪圖、

式（2）可變形為

當(dāng)其他條件已知，只有水深未知時(shí)，式（3）左端只是水深的函數(shù)。于是，可令求解和結(jié)束程序。建立8個(gè)靜態(tài)文本標(biāo)簽，顯示相應(yīng)控件的提示和計(jì)算結(jié)果。5個(gè)可編輯文本框，用來(lái)輸入?yún)?shù)值。界面設(shè)計(jì)布局如圖2所示。

圖2 計(jì)算界面設(shè)計(jì)布局圖Fig.2 Calculation interface design layout

2.2.3 設(shè)置控件的相關(guān)屬性

控件的標(biāo)識(shí)Tag是對(duì)各控件的識(shí)別。每個(gè)控件創(chuàng)建時(shí)，都會(huì)由開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)識(shí)。在程序設(shè)計(jì)中，為了編輯、記憶和維護(hù)的方便，一般為控件設(shè)置新的標(biāo)識(shí)。

本文設(shè)置 3個(gè)按鈕的 Tag標(biāo)識(shí)分別為：solve_puhbtton、huitu_puhbtton、close_puhbtton；設(shè)置5個(gè)可編輯文本框的Tag標(biāo)識(shí)分別為：b_edit、m_edit、n_edit、i_edit、Q_edit。用來(lái)顯示計(jì)算水深結(jié)果的靜態(tài)文本標(biāo)簽Tag標(biāo)識(shí)為：h0_text。另外，建立一級(jí)菜單file，在其下設(shè)置solve、huitu和close 3個(gè)子菜單項(xiàng)。

2.2.4 編寫(xiě)代碼，實(shí)現(xiàn)控件的交互作用

編寫(xiě)代碼，完成程序中變量的賦值、輸入、輸出及繪圖等工作。在程序初始化的時(shí)候，顯示梯形水渠、公式、水量與水深函數(shù)圖像，輸入默認(rèn)數(shù)值，代碼如下：

plot（［h2 h2］，［0 Q2］，＇r-＊＇）；%%%驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

xlabel（＇正常水深＇）；ylabel（＇水流量＇）

legend（＇Q＝f（h）＇，4）；hold off

按鈕close_pushbutton調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉結(jié)束程序。

2.2.5 運(yùn)行調(diào)試程序

單擊“solve”和“繪圖”按鈕后，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。圖3中，求得水深h0＝4.8863m。該結(jié)果在流量與水深函數(shù)圖中得到驗(yàn)證。

圖3 梯形斷面正常水深計(jì)算圖Fig.3 Normal water depth calculation of trapezoidal cross-section

在整個(gè)GUI界面中，有圖、公式、各參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。每次只需在相應(yīng)的編輯文本框中輸入對(duì)應(yīng)數(shù)值，單擊solve和繪圖按鈕，就可實(shí)現(xiàn)求解。如在文獻(xiàn)［5］中，梯形渠道的底寬b＝7m，邊坡系數(shù)m＝1.5，底坡i＝0.0003，渠道糙率n＝0.025，渠道流量Q＝9.68m3/s，計(jì)算正常水深h0。此時(shí)，只需在相應(yīng)的編輯文本框中輸入對(duì)應(yīng)數(shù)值，單擊solve和繪圖按鈕，就可實(shí)現(xiàn)如圖4所示的結(jié)果 （求得水深h0＝1.4441m）。

又如，在計(jì)算河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e計(jì)算中，只需在離左岸距離，水深，內(nèi)插點(diǎn)數(shù)編輯框中輸入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算精度要求后，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，就能求得結(jié)果S＝22.1044m2，并給出如圖5所示的示意圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以在MATLAB環(huán)境中如何實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算方法為主線(xiàn)，以水力經(jīng)典案例為驅(qū)動(dòng)，解決水力計(jì)算問(wèn)題。通過(guò)一個(gè)具體案例研究GUI系統(tǒng)的可視化操作界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)以及控件的選擇和布局、控件功能的實(shí)現(xiàn)。

以MATLAB為自由工作平臺(tái)，以GUI為人機(jī)交互界面，筆者堅(jiān)信，通過(guò)大家的共同努力，建立完整的數(shù)值計(jì)算方法知識(shí)系統(tǒng)，必然可以更多地解決各種復(fù)雜的水力計(jì)算問(wèn)題。由于數(shù)值計(jì)算方法的通用性，最終可具備解決諸多領(lǐng)域工程計(jì)算的能力。

圖4 梯形斷面明渠正常水深計(jì)算圖Fig.4 Normal water depth calculation of trapezoidal open channel cross-section

［1］張宇華.M icrosoft Excel在水力計(jì)算中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（10）：16-18.

［2］呂良軍，楊盛用.Matlab在大學(xué)物理中應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例［J］.中國(guó)科技信息，2008（19）：250-251.

圖5 河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e計(jì)算Fig.5 River way discharge section area calculation

［3］霍倩.Matlab數(shù)值計(jì)算方法及其在水力計(jì)算中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：90-99.

［4］陳垚光.精通MATLAB GUI設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.100-105.

［5］羅全勝，王勤香.水力分析與計(jì)算［M］.鄭州：黃河水利出版社，2011：111-113.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

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1008-486X（2015）03-0047-04

2015-05-19

河南省科技發(fā)展計(jì)劃基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：132300410142河南科技廳）；黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目水力學(xué)計(jì)算的MATLAB數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究(2015KXJS011)。

呂良軍（1969-），男，浙江寧波人，副教授，主要從事高?；A(chǔ)數(shù)學(xué)教學(xué)與研究工作。