Einführung in Matlab

Graphische Bedienungs-Oberfläche (GUI):

graphische Anzeige in einem oder mehreren Fenstern zur interaktiven Arbeit mit einem Programm
Eingabe-Elemente
- Push-Button
- Check-Box
- Radio-Button
- Textfeld
- Drop-Down-Menü
- Listbox
- Tabelle
Ausgabe-Elemente
- Textfeld
- Graphik
- Tabelle
zu jedem Eingabe-Element gehört eine Ausführungsfunktion (Callback)
Funktionsweise
- Programm erzeugt beim Start Fenster mit GUI-Elementen
- wartet auf Eingabe
- ruft bei Eingabe die Callback-Funktion des aktivierten Eingabe-Elements auf
- diese erzeugt (u.a.) Ausgabewerte für die Ausgabe-Elemente
ereignis-gesteuerte Programmierung
- Benutzer löst eine Aktion aus (Klick auf Button, Eingabe von Werten)
- Eingabe-Element löst ein Event aus
- dem Event zugeordnete Callback-Funktion wird ausgelöst

Vorhandene Funktionen zum Einbauen in die Oberfläche:

truss = loadTruss("bruecke");
[M, C] = createMatrices(truss);
[Phi, freq] = computeEigenvalues(M, C);
plotTruss(axes, truss);
plotMode(axes, Phi(:,1), truss);
F = plotModeAnimation(axes, xe, truss);

Beispielprogramm trussGUI1:

Aufgabenstellung
- Berechnung der Eigenfrequenzen des Beispiel-Fachwerks
- Eingabe der Ordnung
- Ausgabe der Frequenz
gewünschte GUI
Erstellen der GUI
- hier mit interactivem Werkzeug App Designer
- alternativ auch komplette GUI-Erstellung mit M-File-Programmierung möglich

Starten von App Designer:

appdesigner am Matlab-Prompt eingeben
Auswahl von Blank App → App-Designer-Fenster erscheint
Fenstergröße verkleinern ("Anfasser" unten rechts)

Einfügen der benötigten Elemente:

Komponenten aus der Component Library (Panel links) einfügen
für die Überschrift Label
weiteres Label für Hinweistext
zur Eingabe der Ordnung Edit Field (Numeric)mit Strg → kein zusätzliches Textfeld
drei weitere Label nebeneinander für Hinweistext, Ausgabe des Zahlenwerts und Einheit
abspeichern unter trussGUI1.mlapp

Anpassen der Komponenten:

Component Browser (Panel rechts)
- zeigt oben Liste aller Komponenten
- können über Kontext-Menü (Rechts-Klick) umgenannt oder gelöscht werden
- nenne Label um in Label1
Klick auf eine Komponente (oder im Design-Fenster)
- Component Browser/Inspector zeigt Liste aller Parameter mit ihren Werten
- können direkt editiert werden

Parameter für Überschrift (Label1)

Eigenschaft	alter Wert	neuer Wert
FontSize	12	16
Text	Label	Eigenschwingungen eines Fachwerks
BackgroundColor	hellgrau	z.B. weiß ([1.0 1.0 1.0])

Darstellungsfenster (Größe und Position) anpassen

analog für die weiteren Elemente

Element	Eigenschaft	alter Wert	neuer Wert
Label2	Text	Label2	Ordnung der Eigenschwingung
Label2	BackgroundColor	hellgrau	weiß
Label3	Text	Label3	Eigenfrequenz:
Label3	BackgroundColor	hellgrau	weiß
Label4	Text	Label4	-1.234567
Label4	BackgroundColor	hellgrau	weiß
Label5	Text	Label5	Hz
Label5	BackgroundColor	hellgrau	weiß
EditField	Value	0	1
EditField	HorizontalAlignment	rechts	mittig
EditField	BackgroundColor	weiß	rosa (1.0, 0.9, 0.9)

Namen der Label ändern sich automatisch, evtl. manuell umnennen

allgemeine Eigenschaften
- durch Klick auf den Hintergrund oder Auswahl von UIFigure
- Color von hellgrau auf weiß
Hinweise zum Fine-Tuning
- Show grid/Snap to Grid ggf. aktivieren
- Position und Größe (z.B. 100,100,405,205) evtl. direkt eintragen bei Parameter Position
abspeichern mit Save
Programm starten mit Run im App-Designer oder trussGUI1 von der Kommandozeile
- fertige Oberfläche erscheint
- Wert der Ordnung kann geändert werden - aber nur als gültiges Zahlenformat
- <ENTER> im geänderten Textfeld bewirkt (natürlich!) nichts

Einbau der Callback-Funktion:

Bei Eingabe eines Wertes (mit <ENTER> bestätigt) soll die entsprechende Eigenfrequenz angezeigt werden
Callback-Funktion des Textfelds EditField anlegen
- Kontext-Menü von app.EditField/Callbacks/Add ValueChangedFcn callback
- Funktion EditFieldValueChanged(app, event) wird erzeugt
- automatisch umgeschaltet auf Code View
- weiß hinterlegter Code: kann (muss!) manuell eingegeben werden

Parameter von EditFieldValueChanged

app	Objekt app mit allen UI-Komponenten
event	event-spezifische Informationen

eingegebenen Wert holen (als double)
- modeNr = app.EditField.Value;
Eigenfrequenz fe berechnen, zunächst Dummy-Berechnung
- fe = modeNr/12;
fe zur Ausgabe in eine Zeichenkette mit 6 Nachkommastellen wandeln
- sFreq = sprintf("%8.6f", fe);
Text von Textfeld Label4 auf diesen Wert setzen
- app.Label4.Text = sFreq;

kompletter Inhalt der Callback-Funktion (incl. Kontrolle der Eingabe)

truss = loadTruss("bruecke");
[M, C] = createMatrices(truss);
[Phi, freq] = computeEigenvalues(M, C); 
         
modeNr = app.EditField.Value;
if (1 <= modeNr) && (modeNr <= 2*truss.N)
   fe = freq(modeNr);
   sFreq = sprintf("%8.6f", fe); % Eigenfrequenz als String
   app.Label4.Text = sFreq;
end

Testen → klappt!

Verbessern von trussGUI1:

Probleme
- zeigt am Anfang sinnlosen Wert
- berechnet bei jeder Eingabe Fachwerk und seine Eigenfrequenzen neu
Lösungsidee
- beim Programmstart wird eine Startup-Funktion automatisch ausgeführt
- darin Berechnung der Eigenfrequenzen
- dort auch Wert zu modeNr = 1 anzeigen
Startup-Funktion anlegen
- Kontext-Menü von UIFigure/Callbacks/Add StartupFcn callback

folgenden Code einfügen

truss = loadTruss("bruecke");
[M, C] = createMatrices(truss);
[Phi, freq] = computeEigenvalues(M, C); 
         
% Setze Frequenz für Startwert 1
fe = freq(1);
sFreq = sprintf("%8.6f", fe);
app.Label4.Text = sFreq;

automatisch erzeugte Zeilen folgen (nicht löschen!)
Test klappt, Anfangswert wird richtig angezeigt
nun in EditFieldValueChanged Zeilen 1-3 löschen (Berechnung von truss und freq)
- → Eingabe neuer Werte klappt nicht mehr
Ursache:
- in startupFcn definierte Werte (truss, freq) sind in EditFieldValueChanged nicht bekannt!

Übergeben von Benutzer-Informationen:

app-weite Daten (Properties) anlegen
- im Code Browser von Callbacks auf Properties wechseln
- + Private Property → neue Property namens app.Property
- mit Kontextmenü umnennen zu app.Truss
- weitere Property app.Freq anlegen
- Beschreibung der Properties hinzufügen
- Truss % Fachwerk-Struktur
  Freq % Vektor der Eigenfrequenzen
startupFcn und EditFieldValueChanged anpassen
- ersetze truss durch app.Truss
- ersetze freq durch app.Freq
komplettes Programm: trussGUI1.mlapp

GUI mit Plotbereich:

Ziel: Erweitern von trussGUI um Anzeige der Eigenvektoren
Vorbereitungen mit App Designer
- trussGUI1.mlapp öffnen
- als trussGUI2.mlapp speichern
- Layout-Fläche vergrößern (auf 600 x 400 Pixel)
- Überschrift mittig anordnen
- restliche Texte nach rechts schieben
Plotbereich
- Achsenkreuz (Axes) hinzufügen
- Größe (Position): 320 x 300 Pixel
- Strings für Title, XLabel und YLabel entfernen
- Box Styling: Checkbox Box aktivieren
Plot-Kommandos in startupFcn am Ende hinzufügen
- plotTruss(app.UIAxes, app.Truss)
  plotMode(app.UIAxes, Phi(:,1), app.Truss);
- starten → klappt
plotten nach Mode-Änderung
- Eigenvektoren als neue Property app.Phi
- in startupFcn Phi durch app.Phi ersetzen
- Rechnung in EditFieldValueChanged ergänzen um
- plotTruss(app.UIAxes, app.Truss)
  plotMode(app.UIAxes, app.Phi(:,modeNr), app.Truss);
- Testen → klappt
Toolbar ausschalten
- Maus im Plot → Toolbar erscheint
- in der startupFcn ausschalten
- app.UIAxes.Toolbar.Visible = "off";
Ergebnis in trussGUI2.mlapp

Animation der Eigenschwingung hinzufügen:

mit App Designer trussGUI2 öffnen und als trussGUI speichern
Button hinzufügen
- Beschriftung auf Animation ändern
- Größe und Farbe anpassen
Callback ButtonPushedFcn hinzufügen

AnimationButtonPushed füllen mit

modeNr = app.EditField.Value;
if (1 <= modeNr) && (modeNr <= 2*app.Truss.N)
  xe = app.Phi(:, modeNr);
  plotModeAnimation(app.UIAxes, xe, app.Truss, 4);
  plotTruss(app.UIAxes, app.Truss)
  plotMode(app.UIAxes, xe, app.Truss);
end

Abspeichern erzeugter Plots:

Problem: Zugriff auf GUI-Figure und -Achsen von außen nicht möglich
Lösung: füge Button "Save Plot" incl. Callback hinzu
weiteres Problem
- getframe, saveas funktionieren nicht in App Designer
- Alternative ab Version 2020a: exportgraphics
Inhalt von SavePlotButtonPushed
- exportgraphics(app.UIAxes, "plot.png");
fertige Version in trussGUI.mlapp

Erstellen graphischer Oberflächen