MATLAB GUI在水力计算中的应用

吕良军，郝振莉

MATLAB GUI在水力计算中的应用

吕良军，郝振莉

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

以MATLAB软件为设计平台，进行流态可视化操作界面的功能设计、控件选择和边界布局，通过梯形明渠求解正常水深的案例，阐述以GUI为人机交互界面，方便地解决各种复杂的水力计算问题。

MATLAB GUI；可视化设计；梯形明渠；水力计算；数值分析

0 引言

水力计算内容涵盖了管道、明渠、堰闸、水坝、渗流等诸多工程领域的计算问题，其中涉及许多笔算难以解决的问题。如，求解明渠临界水深与正常水深，若用Microsoft Excel进行计算，简单快捷，但缺乏数据可视化［1］。MATLAB软件是目前常用的工程软件，它集数值计算、矩阵计算和图形绘制等功能于一体，广泛应用于各种数学及工程计算中。将MATLAB数值计算方法与水力计算相结合，可以大大缩短计算时间，提高计算精度和工作效率。MATLAB图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）平台实现了人机交互，不但使计算更加简捷明了，而且其执行动作和变化能满足用户的需求［2］。文献［3］给出用MATLAB数值计算求解明渠临界水深的方法，但它只能在命令窗口中运行，不方便工程人员使用。

图形用户界面是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。MATLAB GUI开发环境提供了一套可视化的创建图形窗口的工具，方便用户在此环境下开发界面并快捷地创建GUI应用程序，它可以根据用户设计的GUI布局，自动生成M文件的框架，供用户编制应用程序。笔者探讨了MATLAB GUI在水力计算中的应用。

1 GUI设计的原则和步骤［4］

1.1 GUI设计的原则

在设计GUI时，应遵守简单性、一致性及习常性的原则。设计界面时，应力求简洁、直接、清晰地体现出界面的功能和特征，并尽量使风格一致。此外，还应使用人们所熟悉的标志与符号。

1.2 GUI设计的步骤

（1）明确设计任务，构思草图。在命令窗口直接输入命令GUIDE。在创建新的GUI时，MATLAB提供空白模板、带有控制按钮模板、带有坐标轴和菜单模板、问答式对话框模板4种模板。

（2）设计界面，添加控件和设置属性。控件的标识（Tag）是对于各控件的识别。每个控件创建时，都会由开发环境自动产生一个标识。在程序设计中，为了编辑、记忆和维护的方便，一般为控件设置一个新的标识。

（3）编写代码，实现控件的交互作用。GUI图形界面的功能要通过一定的设计思路和计算方法，由特定的程序来实现。为了实现程序的功能，还需要在运行程序前编写一些代码，完成程序中变量的赋值、输入、输出、计算及绘图等工作。

2 GUI在渠道水力计算中的应用

2.1 已知条件［5］

如图1所示，一梯形断面渠道，已知流量Q＝450 m3/s，边坡系数m＝1，渠道糙率n＝0.025，渠道的底宽b＝45m，底坡i＝0.32/1 000，求正常水深h0。

图1 梯形明渠断面图Fig.1 Trapezoidal open channel cross-section

式中：i为明渠底坡；n为明渠糙率；A为过水断面面积；R为水力半径；R＝A/χ，χ为湿周。

明渠均匀流流量Q的计算公式为。所以，公式（1）可变为

此时，解得f（h）的水深便为正常水深h0。

2.2 用GUI实现计算

2.2.1 创建M函数文件

将式（2）和式（4）编写成如下M函数文件，并保存在matlab的work文件夹中，备用。

2.2.2 布置控件

构思草图，形成框架，在布局编辑器中布置控件。使用几何位置排列工具对控件的位置进行调整。建立3个坐标轴对象，分别用于显示梯形水渠、公式、水量与水深函数图像。建立3个按钮，用来绘图、

式（2）可变形为

当其他条件已知，只有水深未知时，式（3）左端只是水深的函数。于是，可令求解和结束程序。建立8个静态文本标签，显示相应控件的提示和计算结果。5个可编辑文本框，用来输入参数值。界面设计布局如图2所示。

图2 计算界面设计布局图Fig.2 Calculation interface design layout

2.2.3 设置控件的相关属性

控件的标识Tag是对各控件的识别。每个控件创建时，都会由开发环境自动产生一个标识。在程序设计中，为了编辑、记忆和维护的方便，一般为控件设置新的标识。

本文设置 3个按钮的 Tag标识分别为：solve_puhbtton、huitu_puhbtton、close_puhbtton；设置5个可编辑文本框的Tag标识分别为：b_edit、m_edit、n_edit、i_edit、Q_edit。用来显示计算水深结果的静态文本标签Tag标识为：h0_text。另外，建立一级菜单file，在其下设置solve、huitu和close 3个子菜单项。

2.2.4 编写代码，实现控件的交互作用

编写代码，完成程序中变量的赋值、输入、输出及绘图等工作。在程序初始化的时候，显示梯形水渠、公式、水量与水深函数图像，输入默认数值，代码如下：

plot（［h2 h2］，［0 Q2］，＇r-＊＇）；%%%验证计算结果

xlabel（＇正常水深＇）；ylabel（＇水流量＇）

legend（＇Q＝f（h）＇，4）；hold off

按钮close_pushbutton调用close函数关闭结束程序。

2.2.5 运行调试程序

单击“solve”和“绘图”按钮后，运行结果如图3所示。图3中，求得水深h0＝4.8863m。该结果在流量与水深函数图中得到验证。

图3 梯形断面正常水深计算图Fig.3 Normal water depth calculation of trapezoidal cross-section

在整个GUI界面中，有图、公式、各参数值，实现了数据的可视化。每次只需在相应的编辑文本框中输入对应数值，单击solve和绘图按钮，就可实现求解。如在文献［5］中，梯形渠道的底宽b＝7m，边坡系数m＝1.5，底坡i＝0.0003，渠道糙率n＝0.025，渠道流量Q＝9.68m3/s，计算正常水深h0。此时，只需在相应的编辑文本框中输入对应数值，单击solve和绘图按钮，就可实现如图4所示的结果 （求得水深h0＝1.4441m）。

又如，在计算河道过水断面面积计算中，只需在离左岸距离，水深，内插点数编辑框中输入实测数据和计算精度要求后，点击计算按钮，就能求得结果S＝22.1044m2，并给出如图5所示的示意图。

4 结语

本文以在MATLAB环境中如何实现数值计算方法为主线，以水力经典案例为驱动，解决水力计算问题。通过一个具体案例研究GUI系统的可视化操作界面的结构设计、功能设计以及控件的选择和布局、控件功能的实现。

以MATLAB为自由工作平台，以GUI为人机交互界面，笔者坚信，通过大家的共同努力，建立完整的数值计算方法知识系统，必然可以更多地解决各种复杂的水力计算问题。由于数值计算方法的通用性，最终可具备解决诸多领域工程计算的能力。

图4 梯形断面明渠正常水深计算图Fig.4 Normal water depth calculation of trapezoidal open channel cross-section

［1］张宇华.M icrosoft Excel在水力计算中的应用［J］.黄河水利职业技术学院学报，2009（10）：16-18.

［2］吕良军，杨盛用.Matlab在大学物理中应用的几个实例［J］.中国科技信息，2008（19）：250-251.

图5 河道过水断面面积计算Fig.5 River way discharge section area calculation

［3］霍倩.Matlab数值计算方法及其在水力计算中的应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013：90-99.

［4］陈垚光.精通MATLAB GUI设计［M］.北京：电子工业出版社，2011.100-105.

［5］罗全胜，王勤香.水力分析与计算［M］.郑州：黄河水利出版社，2011：111-113.

[责任编辑 杨明庆]

TV131.4

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1008-486X（2015）03-0047-04

2015-05-19

河南省科技发展计划基础与前沿研究项目（项目编号：132300410142河南科技厅）；黄河水利职业技术学院科学技术项目水力学计算的MATLAB数学实验系统设计研究(2015KXJS011)。

吕良军（1969-），男，浙江宁波人，副教授，主要从事高校基础数学教学与研究工作。