基于雙燃料發(fā)動機排放算法的MATLAB GUI界面設(shè)計

蔡尚峰

摘要：數(shù)據(jù)處理是發(fā)動機性能檢測的重要組成部分，是衡量發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)。能否達到測試目的，并得出明確的結(jié)論，關(guān)鍵在于是否能正確的處理試驗數(shù)據(jù)。本文以柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機的排放算法為基礎(chǔ)，利用MATLAB軟件強大的數(shù)據(jù)處理功能對發(fā)動機進行了排放計算處理。同時，利用MATLAB包含的GUI功能編制了能反映發(fā)動機排放水平的輸入輸出界面，并將最終結(jié)果導(dǎo)入與MATLAB接口的Excel文件中，完成了計算過程的程序化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：Matlab GUI;界面設(shè)計;雙燃料發(fā)動機;排放計算

中圖分類號：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0030-02

0? 引言

MATLAB具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。同時，它還為用戶提供了直觀的程序設(shè)計流程、高品質(zhì)的可視化體驗以及便捷的與其他程序接口的功能。對于參數(shù)繁多又經(jīng)常需要修改的大型計算程序，利用MATLAB GUI功能設(shè)計一個交互式圖形用戶界面就顯得十分必要。

1? MATLAB GUI功能簡介

MATLAB GUI通常采用圖形對象的形式創(chuàng)建操作界面，如：窗口、光標、按鈕、菜單、文本描述等。其中，按鈕是最常用的控件，功能主要是執(zhí)行命令。靜態(tài)文本框主要用于對界面提供功能性的解釋和說明?？删庉嬑谋究騽t主要是為程序運行提供輸入?yún)?shù)，包括文本或數(shù)字。用戶通過鍵盤輸入、鼠標點擊等方式激活這些圖形對象，即可使計算機執(zhí)行相關(guān)程序來回應(yīng)用戶的操作。

2? 本文MATLAB GUI圖形界面設(shè)計理念

本文將Matlab GUI圖形界面功能與雙燃料發(fā)動機的排放算法相結(jié)合，編寫了交互式的操作界面，并編寫了后臺回調(diào)函數(shù)，形成了發(fā)動機的排放計算系統(tǒng)。

考慮到大多數(shù)用戶是非專業(yè)的計算機人員，本文在編寫GUI界面時，遵循了簡潔、直觀的原則。為了使界面保持簡潔，采用的控件主要是按鈕、靜態(tài)文本框和可編輯文本框。為了能更加直觀的反映發(fā)動機的排放水平，應(yīng)盡量減少參數(shù)的輸入與輸出。用戶只需在輸入界面輸入相關(guān)試驗參數(shù)，系統(tǒng)即可執(zhí)行后臺回調(diào)程序，完成復(fù)雜的計算，在輸出界面得到可視化的計算結(jié)果。

2.1 本文GUI界面外觀展現(xiàn)

本文通過編輯M腳本文件來創(chuàng)建GUI界面，在主窗口創(chuàng)建了三個按鈕，分別對應(yīng)天然氣發(fā)動機、柴油機和雙燃料發(fā)動機的排放計算。點擊任意按鈕，即可進入相應(yīng)算法的參數(shù)輸入界面。主窗口的界面示意圖如圖1所示。

以某雙燃料發(fā)動機臺架試驗為例，在輸入界面（INPUT）輸入試驗參數(shù)，輸出界面（OUTPUT）即可得到對應(yīng)的結(jié)果。在進行界面設(shè)計時，應(yīng)盡量將輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)顯示在同一界面，方便用戶及時比對發(fā)現(xiàn)輸入?yún)?shù)可能存在的錯誤。界面如圖2所示。

2.2 所編界面的代碼實現(xiàn)

本文的主界面對應(yīng)的M文件代碼如下（常用%表示注釋說明內(nèi)容）：

圖形窗口的語法格式為：窗口句柄=figure（屬性1，屬性值1，屬性2，屬性值2，……）;%窗口句柄相當(dāng)于窗口的名字或標志，表示使用figure函數(shù)按MATLAB缺省的屬性值建立圖形窗口。

例如：a=figure（‘toolbar’，’none’，’name’，’算法選擇界面’）;? %創(chuàng)建主窗口的標題欄“算法選擇界面”

構(gòu)成對話框窗口的基本元素及調(diào)用的函數(shù)或命令都是通過調(diào)用uicontrol（）函數(shù)來完成的，其語法格式為：返回句柄=uicontrol（屬性1，屬性值1，屬性2，屬性值2，……）。

例如：d=uicontrol（'style'，'pushbutton'，'position'，[220 160 100 50]，'string'，'雙燃料模式'）;? %創(chuàng)建“雙燃料模式”按鈕

set（d，'Callback'，'sub03'） %點擊“雙燃料模式”對應(yīng)的按鈕后，調(diào)用雙燃料模式輸入界面“sub03”對應(yīng)的M文件

其中，設(shè)置命令set中的“sub03”對應(yīng)雙燃料模式算法的輸入界面。由于本界面大量的創(chuàng)建按鈕以及文本框，所以僅列舉部分文本框和按鈕的代碼，在此以雙燃料模式算法的界面“sub03”為例。

“sub03”界面對應(yīng)的代碼如下所示：

title=figure（'toolbar'，'none'，'name'，'雙燃料模式算法'）;

uicontrol（'style'，'text'，'fontsize'，35，'position'，[450 870 400 70]，'string'，'雙燃料模式算法'）;? %創(chuàng)建標題“雙燃料模式算法”

a=uicontrol（'style'，'text'，'fontsize'，10，'position'，[80 700 220 20]，'string'，'請輸入天然氣中甲烷的含量（%）：'）;? %創(chuàng)建靜態(tài)文本框，為隨后的參數(shù)輸入提供解釋說明

b=uicontrol（'style'，'edit'，'fontsize'，10，'string'，num2str（CH4），'position'，[320 700 50 20]）;? %將a中輸入的數(shù)值默認為天然氣中甲烷（CH4）的含量，并將數(shù)字轉(zhuǎn)化為字符串形式

c=uicontrol（'style'，'text'，'fontsize'，10，'position'，[80 650 220 20]，'string'，'請輸入天然氣中乙炔的含量（%）：'）;

d=uicontrol（'style'，'edit'，'fontsize'，10，'string'，num2str（C2H2），'position'，[320 650 50 20]）;……

mm=uicontrol（'style'，'pushbutton'，'position'，[560 80 100 70]，'string'，'OK'）;? %創(chuàng)建名為“OK”的按鈕

set（mm，'Callback'，'equ03'）? %點擊“OK”按鈕后，系統(tǒng)自動調(diào)用名為“equ03”的文件，開始執(zhí)行計算

在上述代碼中，“equ03”文件中存放的是雙燃料模式算法對應(yīng)的代碼，主要由雙燃料算法的算式構(gòu)成，同時也包含了一些對“sub03”文件中輸入數(shù)據(jù)的讀取和輸出參數(shù)的表示等。數(shù)據(jù)的讀取可用get（）函數(shù)獲得，其語法為V=get（句柄名，屬性）。其中V為指定屬性的返回屬性值，如果不指定屬性，則返回當(dāng)前句柄的所有屬性值。

“equ03”文件中的部分程序代碼如下所示：

CH4=str2num（get（b，'string'））;? %提取“sub03”文件中句柄b對應(yīng)的CH4含量，并將字符串重新轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式

C2H2=str2num（get（d，'string'））;……

aa=uicontrol（'style'，'text'，'fontsize'，10，'position'，[760 440 180 25]，'string'，'排氣質(zhì)量流量（kg/h）：'）;

bb=uicontrol（'style'，'edit'，'fontsize'，10，'string'，num2str（GEXHW），'position'，[960 440 80 25]）; %后臺計算結(jié)束后，在文本框中顯示排氣質(zhì)量流量值

cc=uicontrol（'style'，'text'，'fontsize'，10，'position'，[760 190 180 25]，'string'，'NOx的質(zhì)量流量（kg/h）：'）;

dd=uicontrol（'style'，'edit'，'fontsize'，10，'string'， num2str（MNOx），'position'，[960 190 80 25]）;……

由上述代碼可知，甲烷（CH4）和乙炔（C2H2）的含量要經(jīng)過數(shù)字與字符串的相互轉(zhuǎn)換才能從“sub03”文件中的句柄b和d中提取出來。在“equ03”文件中，句柄bb和dd對應(yīng)的編輯框中分別輸出經(jīng)計算得到的排氣質(zhì)量流量和NOx的質(zhì)量流量值。其他排氣組分質(zhì)量流量的輸出過程與上述例子相似，在此不做贅述。

2.3 MATLAB與Excel的結(jié)合

倘若進一步優(yōu)化，將輸出數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Excel文件中，系統(tǒng)自動保存，即可省去手動抄寫的麻煩，節(jié)省大量時間。實現(xiàn)這一功能最簡捷的指令便是依靠“xlswrite”函數(shù)。目前，用戶普遍使用的MATLAB軟件為MATLAB7.0以上的版本，其中便自帶了“xlswrite”函數(shù)。本界面所對應(yīng)的“xlwrite”函數(shù)代碼如下所示：

FINAL={'排氣流量' 'CO2流量' 'CO流量' 'HC流量' 'O2流量' 'NOx流量';

GEXHW MCO2 MCO MHC MO2 MNOx};

xlswrite（'excel.xlsx'，F(xiàn)INAL）? %將FINAL中的輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入名為excel的文件中

當(dāng)程序運行時，系統(tǒng)便自動創(chuàng)建了名為“excel.xlsx”的文件，輸出數(shù)據(jù)便能自動保存到此文檔中。以此發(fā)動機的第一工況為例，當(dāng)雙燃料模式算法對應(yīng)的程序運行結(jié)束后，自動導(dǎo)入Excel中的結(jié)果如圖3所示。

3? 結(jié)論

本文結(jié)合雙燃料發(fā)動機的排放算法，利用MATLAB GUI界面設(shè)計功能，對某雙燃料發(fā)動機的排放水平進行了模擬計算，并將計算結(jié)果固化在Excel表格中。通過實例驗證，證明本文設(shè)計的操作程序能夠根據(jù)已知數(shù)據(jù)準確地計算排放結(jié)果，給雙燃料發(fā)動機排放水平的研究工作帶來極大的便利。同時，此界面的設(shè)計不但能夠促進MATLAB與Excel兩款軟件的配合使用，還可以使用戶在不具備高超的編程技能或者對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)不甚了解的情況下，完成對數(shù)據(jù)的處理任務(wù)，具備較高的通用性，是一件實用性非常強的工具。

參考文獻：

[1]王玉林，葛蕾，李艷斌.新型界面設(shè)計開發(fā)工具：MATLAB/GUI[J].無線電通信技術(shù)，2009，34（6）：50-52.

[2]李磊.基于MATLAB GUI的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.

[3]余承依.基于Matlab數(shù)值計算的GUI設(shè)計[J].漳州師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，04.

[4]印金國.Matlab可視化界面設(shè)計與控件使用[J].電腦編程技巧與維護，2007（1）：30-35.

[5]張顯庫，高君佩.Matlab圖形界面設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用[J].電子與電腦，1998.