呂良軍，郝振莉

MATLAB GUI在水力計算中的應用

呂良軍，郝振莉

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

以MATLAB軟件為設計平臺，進行流態(tài)可視化操作界面的功能設計、控件選擇和邊界布局，通過梯形明渠求解正常水深的案例，闡述以GUI為人機交互界面，方便地解決各種復雜的水力計算問題。

MATLAB GUI；可視化設計；梯形明渠；水力計算；數值分析

0 引言

水力計算內容涵蓋了管道、明渠、堰閘、水壩、滲流等諸多工程領域的計算問題，其中涉及許多筆算難以解決的問題。如，求解明渠臨界水深與正常水深，若用Microsoft Excel進行計算，簡單快捷，但缺乏數據可視化［1］。MATLAB軟件是目前常用的工程軟件，它集數值計算、矩陣計算和圖形繪制等功能于一體，廣泛應用于各種數學及工程計算中。將MATLAB數值計算方法與水力計算相結合，可以大大縮短計算時間，提高計算精度和工作效率。MATLAB圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱GUI）平臺實現了人機交互，不但使計算更加簡捷明了，而且其執(zhí)行動作和變化能滿足用戶的需求［2］。文獻［3］給出用MATLAB數值計算求解明渠臨界水深的方法，但它只能在命令窗口中運行，不方便工程人員使用。

圖形用戶界面是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象構成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法（如鼠標或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，比如實現計算、繪圖等。MATLAB GUI開發(fā)環(huán)境提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，方便用戶在此環(huán)境下開發(fā)界面并快捷地創(chuàng)建GUI應用程序，它可以根據用戶設計的GUI布局，自動生成M文件的框架，供用戶編制應用程序。筆者探討了MATLAB GUI在水力計算中的應用。

1 GUI設計的原則和步驟［4］

1.1 GUI設計的原則

在設計GUI時，應遵守簡單性、一致性及習常性的原則。設計界面時，應力求簡潔、直接、清晰地體現出界面的功能和特征，并盡量使風格一致。此外，還應使用人們所熟悉的標志與符號。

1.2 GUI設計的步驟

（1）明確設計任務，構思草圖。在命令窗口直接輸入命令GUIDE。在創(chuàng)建新的GUI時，MATLAB提供空白模板、帶有控制按鈕模板、帶有坐標軸和菜單模板、問答式對話框模板4種模板。

（2）設計界面，添加控件和設置屬性?？丶臉俗R（Tag）是對于各控件的識別。每個控件創(chuàng)建時，都會由開發(fā)環(huán)境自動產生一個標識。在程序設計中，為了編輯、記憶和維護的方便，一般為控件設置一個新的標識。

（3）編寫代碼，實現控件的交互作用。GUI圖形界面的功能要通過一定的設計思路和計算方法，由特定的程序來實現。為了實現程序的功能，還需要在運行程序前編寫一些代碼，完成程序中變量的賦值、輸入、輸出、計算及繪圖等工作。

2 GUI在渠道水力計算中的應用

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為過水斷面面積；R為水力半徑；R＝A/χ，χ為濕周。

明渠均勻流流量Q的計算公式為。所以，公式（1）可變?yōu)?/p>

此時，解得f（h）的水深便為正常水深h0。

2.2 用GUI實現計算

2.2.1 創(chuàng)建M函數文件

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

2.2.2 布置控件

構思草圖，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控件的位置進行調整。建立3個坐標軸對象，分別用于顯示梯形水渠、公式、水量與水深函數圖像。建立3個按鈕，用來繪圖、

式（2）可變形為

當其他條件已知，只有水深未知時，式（3）左端只是水深的函數。于是，可令求解和結束程序。建立8個靜態(tài)文本標簽，顯示相應控件的提示和計算結果。5個可編輯文本框，用來輸入參數值。界面設計布局如圖2所示。

圖2 計算界面設計布局圖Fig.2 Calculation interface design layout

2.2.3 設置控件的相關屬性

控件的標識Tag是對各控件的識別。每個控件創(chuàng)建時，都會由開發(fā)環(huán)境自動產生一個標識。在程序設計中，為了編輯、記憶和維護的方便，一般為控件設置新的標識。

本文設置 3個按鈕的 Tag標識分別為：solve_puhbtton、huitu_puhbtton、close_puhbtton；設置5個可編輯文本框的Tag標識分別為：b_edit、m_edit、n_edit、i_edit、Q_edit。用來顯示計算水深結果的靜態(tài)文本標簽Tag標識為：h0_text。另外，建立一級菜單file，在其下設置solve、huitu和close 3個子菜單項。

2.2.4 編寫代碼，實現控件的交互作用

編寫代碼，完成程序中變量的賦值、輸入、輸出及繪圖等工作。在程序初始化的時候，顯示梯形水渠、公式、水量與水深函數圖像，輸入默認數值，代碼如下：

plot（［h2 h2］，［0 Q2］，＇r-＊＇）；%%%驗證計算結果

xlabel（＇正常水深＇）；ylabel（＇水流量＇）

legend（＇Q＝f（h）＇，4）；hold off

按鈕close_pushbutton調用close函數關閉結束程序。

2.2.5 運行調試程序

單擊“solve”和“繪圖”按鈕后，運行結果如圖3所示。圖3中，求得水深h0＝4.8863m。該結果在流量與水深函數圖中得到驗證。

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

在整個GUI界面中，有圖、公式、各參數值，實現了數據的可視化。每次只需在相應的編輯文本框中輸入對應數值，單擊solve和繪圖按鈕，就可實現求解。如在文獻［5］中，梯形渠道的底寬b＝7m，邊坡系數m＝1.5，底坡i＝0.0003，渠道糙率n＝0.025，渠道流量Q＝9.68m3/s，計算正常水深h0。此時，只需在相應的編輯文本框中輸入對應數值，單擊solve和繪圖按鈕，就可實現如圖4所示的結果 （求得水深h0＝1.4441m）。

又如，在計算河道過水斷面面積計算中，只需在離左岸距離，水深，內插點數編輯框中輸入實測數據和計算精度要求后，點擊計算按鈕，就能求得結果S＝22.1044m2，并給出如圖5所示的示意圖。

4 結語

本文以在MATLAB環(huán)境中如何實現數值計算方法為主線，以水力經典案例為驅動，解決水力計算問題。通過一個具體案例研究GUI系統(tǒng)的可視化操作界面的結構設計、功能設計以及控件的選擇和布局、控件功能的實現。

以MATLAB為自由工作平臺，以GUI為人機交互界面，筆者堅信，通過大家的共同努力，建立完整的數值計算方法知識系統(tǒng)，必然可以更多地解決各種復雜的水力計算問題。由于數值計算方法的通用性，最終可具備解決諸多領域工程計算的能力。

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

［1］張宇華.M icrosoft Excel在水力計算中的應用［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2009（10）：16-18.

［2］呂良軍，楊盛用.Matlab在大學物理中應用的幾個實例［J］.中國科技信息，2008（19）：250-251.

圖5 河道過水斷面面積計算Fig.5 River way discharge section area calculation

［3］霍倩.Matlab數值計算方法及其在水力計算中的應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：90-99.

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

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

[責任編輯 楊明慶]

TV131.4

B

1008-486X（2015）03-0047-04

2015-05-19

河南省科技發(fā)展計劃基礎與前沿研究項目（項目編號：132300410142河南科技廳）；黃河水利職業(yè)技術學院科學技術項目水力學計算的MATLAB數學實驗系統(tǒng)設計研究(2015KXJS011)。

呂良軍（1969-），男，浙江寧波人，副教授，主要從事高?；A數學教學與研究工作。