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はじめに
いろいろ追記してきたtkinterによるFMU制御用Pythonコード。
GUIイベント、タイマハンドラと処理が横断することもあり、グローバル変数に頼る状態になっている。
ここは一旦クラスを利用して変数スコープを局所的にした方が良いだろう。
って、ことでフクさんが頑張ってクラス化してきた。
登場人物
博識フクロウのフクさん
イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1
エンジニア歴8年の太郎くん
イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1
クラス化はできたのか？
太郎くん
クラス化はできた？
フクさん
一応ね。
まぁもっと細かくクラス分類すべきとかあるかもだけど、
まずはグローバル変数の抑制を目的としてやってきた。
太郎くん
まぁすでにある程度動いてるからなー。
あんまりいじくり回したくないよねー。
フクさん
というわけでソースコード。
クラス化済み実験コード
from pyfmi import load_fmu, FMUModelCS2, Master
from pyfmi.tests.test_util import Dummy_FMUModelCS2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk
import collections
import time
import sys
import tkinter
import os
from contextlib import redirect_stdout
import math
class MotorControl:
def do_dummy(self, current_t, step_size, new_step=True):
self.model_dummy.values[self.model_dummy.get_variable_valueref("y")] = self._y
self.model_dummy.completed_integrator_step()
return 0
def __init__(self):
self.root = tkinter.Tk()
self.root.title("DC Motor Control")
w = self.root.winfo_screenwidth() #モニター横幅取得
h = self.root.winfo_screenheight() #モニター縦幅取得
#self.root.geometry("120x100+"+str(w)+"+0") #位置設定
self.root.geometry(str(int(w/2))+"x"+str(int(h/2))+"+"+str(int(w/2))+"+0") #位置設定
self.model_sub1 = FMUModelCS2( "PID.fmu", "", _connect_dll=True)
self.model_sub2 = FMUModelCS2( "Motor.fmu", "", _connect_dll=True)
self.model_dummy = Dummy_FMUModelCS2([], "Dummy.fmu", "", _connect_dll=False)
self.model_dummy.values[self.model_dummy.get_variable_valueref("y")] = 0
self._y = 0
self._ytmp = 0
self.model_dummy.do_step = self.do_dummy
models = [self.model_sub1, self.model_sub2, self.model_dummy]
connections = [(self.model_dummy,"y", self.model_sub1,"target" ),
(self.model_sub1,"y",self.model_sub2,"voltage"),
(self.model_sub2,"speed",self.model_sub1,"u")]
self.master = Master(models, connections)
self.step_size = 0.001
queue_max = int(8.5/self.step_size) # 8.5秒分のqueueを用意
# define queues
self.deque_voltage = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_current = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_speed = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_loadTorqueStep_tau = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_target = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_time = collections.deque(maxlen=queue_max)
self.deque_cpuload = collections.deque(maxlen=queue_max)
# define figure
self.fig = plt.figure()
self.fig.set_size_inches(8.4, 4.5)
self.ax = plt.subplot(1,1,1)
self.ax.set_xlabel('Time')
self.ax.set_ylabel('Value')
#fig.show()
# define plots
self.ax.plot([], [], label="target[rad/s]", color='Magenta',linewidth=3)
self.ax.plot([], [], label="voltage[V]", color='Red')
self.ax.plot([], [], label="speed[rad/s]", color='Blue',linewidth=0.9)
self.ax.plot([], [], label="loadTorqueStep.tau[N m]", color='Cyan')
self.ax.plot([], [], label="current[A]", color='Green',linestyle='--',linewidth=0.8)
self.ax.plot([], [], label="cpu_load[ms]", color='Black',linestyle='--',linewidth=1)
self.ax.legend(bbox_to_anchor=(1, 1), borderaxespad=0, fontsize=10)
self.ax.grid(which='both')
#Figureを埋め込み
self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, self.root)
self.canvas.get_tk_widget().pack(side = tkinter.RIGHT)
#ツールバーを表示
toolbar=NavigationToolbar2Tk(self.canvas, self.root)
toolbar.place(x=0, y=h/2-40)
#スケール
scale = tkinter.Scale(
self.root,
label = "target Speed",
orient=tkinter.VERTICAL, #方向
command=self.change, #調整時に実行
length = 300,
from_ = 100,
to = 0
)
scale.pack(side = tkinter.LEFT)
#checkbutton
self.scalbln = tkinter.BooleanVar()
self.scalbln.set(True)
chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.scalbln, text="Enable Scale bar")
chk.place(x=0, y=10)
self.cpuloadbln = tkinter.BooleanVar()
self.cpuloadbln.set(False)
chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.cpuloadbln, text="Enable Cpu Load")
chk.place(x=0, y=30)
self.pausebln = tkinter.BooleanVar()
self.pausebln.set(False)
chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.pausebln, text="pause")
chk.place(x=0, y=50)
self.sinbln = tkinter.BooleanVar()
self.sinbln.set(False)
chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.sinbln, text="sin wave")
chk.place(x=0, y=70)
self.sawtoothbln = tkinter.BooleanVar()
self.sawtoothbln.set(False)
chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.sawtoothbln, text="Sawtooth wave")
chk.place(x=0, y=90)
# define timers
self.start_tick = time.perf_counter()
self.opts = self.master.simulate_options()
self.opts["step_size"] = self.step_size
self.opts["initialize"] = 1
self.currenttime = 0
self.FMU_handler()
self.plot_handler()
self.root.mainloop()
#スケール用関数
def change(self, value):
if self.scalbln.get():
self._ytmp = float(value)
self._y = float(value)
# FMUシミュレーション用関数(タイマハンドラ)
def FMU_handler(self):
current_tick = time.perf_counter()
delta_tick = current_tick - self.start_tick;
self.start_tick = current_tick
delta_simulate = delta_tick
# Scale取り込み(OFFSET)
y_tmp = 0
if self.scalbln.get():
y_tmp = self._ytmp
else:
y_tmp = 0
# sin波生成
if self.sinbln.get():
y_tmp += math.sin(self.currenttime*4)*50+50
# のこぎり波生成
if self.sawtoothbln.get():
A = 100
N = 500
y = 0.0
omega = 1/2
for n in range(1,N):
y += - A / (np.pi * n) * np.sin( n * 2 * np.pi * omega * self.currenttime)
y += A / 2.0
y_tmp += y
self._y = y_tmp
with redirect_stdout(open(os.devnull, 'w')):
res = self.master.simulate(start_time=self.currenttime, final_time=self.currenttime+delta_simulate-self.step_size/100, options=self.opts)
self.opts["initialize"] = 0
self.currenttime = self.currenttime + delta_simulate
self.deque_voltage.extend(res[self.model_sub2]['voltage'])
self.deque_current.extend(res[self.model_sub2]['current'])
self.deque_speed.extend(res[self.model_sub2]['speed'])
self.deque_loadTorqueStep_tau.extend(res[self.model_sub2]['loadTorqueStep.tau'])
self.deque_target.extend(res[self.model_sub1]['target'])
self.deque_time.extend(res[self.model_sub2]['time'])
self.deque_cpuload.extend(np.ones(len(res[self.model_sub2]['time']))*delta_simulate*1000)
self.root.after(1, self.FMU_handler)
# plot用関数(タイマハンドラ)
def plot_handler(self):
if self.pausebln.get() == False:
self.ax.lines[0].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_target) )
self.ax.lines[1].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_voltage) )
self.ax.lines[2].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_speed) )
self.ax.lines[3].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_loadTorqueStep_tau) )
self.ax.lines[4].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_current) )
if self.cpuloadbln.get():
self.ax.lines[5].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_cpuload) )
self.ax.relim() # recompute the data limits
self.ax.autoscale_view() # automatic axis scaling
self.ax.set_ylim(-70,200)
self.ax.set_xlim(self.deque_time[-1]-8,self.deque_time[-1])
self.canvas.draw()
self.root.after(200, self.plot_handler)
if __name__ == '__main__':
app = MotorControl()
コードの状況確認
太郎くん
クラス化と言っても、コードの構成はそれほど変わってないね。
フクさん
そうね。
横断性のあるものをメンバ変数として、
無いものはローカル変数のままって程度だ。
太郎くん
ほとんどにselfが付いてるから、
つまり、ほとんどが暗黙的なグローバル変数ってことになってたってことか・・・。
フクさん
Pythonの場合、参照だけだとglobalキーワード無くてもグローバル変数として認識しちゃうからね。
「実はグローバル変数だったのかー！」ってのはちょっとあるある。
太郎くん
でも、スコープがハッキリしたからこれはこれで良い感じになったんじゃない？
フクさん
一応簡単に動作確認はしたから、
これをベースに実験はできるだろう。
まとめ
フクさん
まとめだよ。
- 実験用Pythonコードのクラス化。
- 基本、関数横断変数をメンバ変数にした。
- つまり、メンバ変数になっているものが暗黙的なグローバル変数だった。
- 「実はグローバル変数だったのかー！」ってのはあるある。
- 前回と同様の動きはしていそうなので、このコードをベースに実験を継続する。
- 特に負荷関連が残っている。
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