【python】PID制御による変化をリアルタイムで表示できるアプリに設定欄をタブで切り替えられる機能をつける

import tkinter as tk
import tkinter.ttk as ttk
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import (
    FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk)
import numpy as np
from control.matlab import *
import re

root = tk.Tk()#ウインドの作成
root.title("pid soft")#ウインドのタイトル
root.geometry("650x450") #ウインドの大きさ
frame_1 = tk.LabelFrame(root,labelanchor="nw",text="グラフ",foreground="green")
frame_1.grid(rowspan=2, column=0)
frame_2 = tk.LabelFrame(root,labelanchor="nw",text="パラメータ",foreground="green")
frame_2.grid(row=0, column=1, sticky="nwse")
frame3=tk.LabelFrame(root,text="履歴",foreground="green")
frame3.grid(row=1,column=1,sticky="nwse")
frame4=tk.LabelFrame(root,text="状態方程式から伝達関数を計算",foreground="green")
frame4.grid(row=2,column=0,sticky="nwse")
frame5=tk.LabelFrame(root,text="制御対象の伝達関数",foreground="green")
frame5.grid(row=2,column=1,sticky="nwse")
frame6=tk.LabelFrame(root,text="伝達関数を直接入力",foreground="green")
frame6.grid(row=2,column=0,sticky="nwse")

def change_page(page):
    page.tkraise()

#menuバーをrootに作る
menu=tk.Menu(root)
#個別のmenuを作る
menu_1=tk.Menu(menu,tearoff=False)
#menuを選択した時に出てくるドロップリストを作る
menu_1.add_command(label="状態方程式から入力",command=lambda :change_page(frame4))
menu_1.add_command(label="伝達関数から入力",command=lambda :change_page(frame6))
#menuバーに個別のmenuを足す
menu.add_cascade(label="伝達関数の計算方法を選択",menu=menu_1)

#スケールバーが動いたらその値を読み取りグラフを更新する
def graph(*args):
    global G
    graph_on_off=graph_var.get()
    if graph_on_off==0:
        ax.cla()
    Kp=scale_var.get()
    Ti=scale_var_Ti.get()
    Td=scale_var_Td.get()
    value_Kp=f"{Kp:.2f}"
    value_Ti=f"{Ti:.2f}"
    value_Td=f"{Td:.2f}"
    text_display.set(str(value_Kp))
    text_display_Ti.set(str(value_Ti))
    text_display_Td.set(str(value_Td))
    num=[Td,1,1/Ti]
    den=[1,0]
    G_ID=tf(num,den)
    G_all=feedback(G_ID*Kp*G,1)
    (y_s,t_s)=step(G_all,T=np.arange(0,10,0.01))
    (y_in,t_in)=step(1,T=np.arange(0,10,0.01))
    ax.set_xlabel('t / s')
    ax.set_ylabel('y')
    plt.style.use('ggplot')
    ax.plot(t_s,y_s)
    ax.plot(t_in,y_in,linestyle="dashed")
    ax.set_title('Kp='+str(value_Kp)+',Ti='+str(value_Ti)+',Td='+str(value_Td))
    canvas.draw()

#伝達関数の設定
#PID制御のパラメータ
Kp=30 #比例ゲイン
Ti=1.8 #積分ゲイン
Td=0.2 #微分ゲイン
num=[Td,1,1/Ti]
den=[1,0]
G_ID=tf(num,den)

#伝達関数の設定
num = [0.1]
den = [0.1, 1.0, 1]
G = tf(num, den)
G_all=feedback(G_ID*Kp*G,1)

#ステップ応答
(y_s,t_s)=step(G_all,T=np.arange(0,10,0.01))
(y_in,t_in)=step(1,T=np.arange(0,10,0.01))

#グラフの設定
fig=plt.Figure()
ax = fig.add_subplot(111) 
ax.plot(t_s,y_s)
ax.plot(t_in,y_in,linestyle="dashed")
ax.set_title('Kp='+str(Kp)+',Ti='+str(Ti)+',Td='+str(Td))
ax.set_xlabel('t / s')
ax.set_ylabel('y')
plt.style.use('ggplot')

#tkinterのウインド上部にグラフを表示する
canvas = FigureCanvasTkAgg(fig, master=frame_1)
canvas.draw()
canvas.get_tk_widget().pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=1)
    
#比例ゲインのスケール作成
scale_var=tk.DoubleVar()
scale_var.set(Kp)
scale_var.trace("w",graph)
scale=ttk.Scale(frame_2,from_=0,to=10,length=150,orient="h",variable=scale_var)
scale.grid(row=1,column=0)

#比例ゲインのテキスト
text=tk.Label(frame_2,text="比例ゲイン:Kp")
text.grid(row=0,column=0)

#比例ゲインの数値表示テキスト
text_display=tk.StringVar()
text_display.set(str(Kp))
label=tk.Label(frame_2,textvariable=text_display)
label.grid(row=1,column=1)

#積分ゲインのスケール作成
scale_var_Ti=tk.DoubleVar()
scale_var_Ti.set(Ti)
scale_var_Ti.trace("w",graph)
scale_Ti=ttk.Scale(frame_2,from_=0.01,to=3,length=150,orient="h",variable=scale_var_Ti)
scale_Ti.grid(row=3,column=0)

#積分ゲインのテキスト
text_ti=tk.Label(frame_2,text="積分ゲイン:Ti")
text_ti.grid(row=2,column=0)

#積分ゲインの数値表示テキスト
text_display_Ti=tk.StringVar()
text_display_Ti.set(str(Ti))
label_Ti=tk.Label(frame_2,textvariable=text_display_Ti)
label_Ti.grid(row=3,column=1)

#微分ゲインのスケール作成
scale_var_Td=tk.DoubleVar()
scale_var_Td.set(Td)
scale_var_Td.trace("w",graph)
scale_Td=ttk.Scale(frame_2,from_=0,to=1.0,length=150,orient="h",variable=scale_var_Td)
scale_Td.grid(row=5,column=0)

#微分ゲインのテキスト
text_td=tk.Label(frame_2,text="微分ゲイン:Td")
text_td.grid(row=4,column=0)

#微分ゲインの数値表示テキスト
text_display_Td=tk.StringVar()
text_display_Td.set(str(Td))
label_Td=tk.Label(frame_2,textvariable=text_display_Td)
label_Td.grid(row=5,column=1)

#グラフ変化の履歴を残すか指定できるラジオボタンを作成
graph_var=tk.IntVar()
graph_var.set(0)
graph_on=tk.Radiobutton(frame3,value=0,variable=graph_var,text="なし")
graph_on.pack()
graph_off=tk.Radiobutton(frame3,value=1,variable=graph_var,text="あり")
graph_off.pack()

text_display_sys=tk.StringVar()
text_display_sys.set(str(G))
label=tk.Label(frame5,textvariable=text_display_sys)
label.pack()

label_A=tk.Label(frame4,text='A=',width=5)
label_A.grid(row=1,column=0)

label_A1=tk.Entry(frame4,width=5)
label_A1.insert(tk.END,'-10')
label_A1.grid(row=1,column=1)

label_A2=tk.Entry(frame4,width=5)
label_A2.insert(tk.END,'-10')
label_A2.grid(row=1,column=2)

label_A3=tk.Entry(frame4,width=5)
label_A3.insert(tk.END,'1')
label_A3.grid(row=2,column=1)

label_A4=tk.Entry(frame4,width=5)
label_A4.insert(tk.END,'0')
label_A4.grid(row=2,column=2)

label_B=tk.Label(frame4,text='B=',width=5)
label_B.grid(row=1,column=4)

label_B1=tk.Entry(frame4,width=5)
label_B1.insert(tk.END,'1')
label_B1.grid(row=1,column=5)

label_B2=tk.Entry(frame4,width=5)
label_B2.insert(tk.END,'0')
label_B2.grid(row=2,column=5)

label_C=tk.Label(frame4,text='C=',width=5)
label_C.grid(row=4,column=0,pady=10)

label_C1=tk.Entry(frame4,width=5)
label_C1.insert(tk.END,'0')
label_C1.grid(row=4,column=1,pady=10)

label_C2=tk.Entry(frame4,width=5)
label_C2.insert(tk.END,'1')
label_C2.grid(row=4,column=2,pady=10)

label_D=tk.Label(frame4,text='D=',width=5)
label_D.grid(row=4,column=4,pady=10)

label_D1=tk.Entry(frame4,width=5)
label_D1.insert(tk.END,'0')
label_D1.grid(row=4,column=5,pady=10)

def cal_sys():
    global G
    s2_num=float(num_s2.get())
    s1_num=float(num_s1.get())
    s0_num=float(num_s0.get())
    num=[s2_num,s1_num,s0_num]
    
    s2_den=float(den_s2.get())
    s1_den=float(den_s1.get())
    s0_den=float(den_s0.get())
    den=[s2_den,s1_den,s0_den]
    
    G = tf(num, den)
    
    text_display_sys.set(str(G))
    
    Kp=scale_var.get()
    Ti=scale_var_Ti.get()
    Td=scale_var_Td.get()
    value_Kp=f"{Kp:.2f}"
    value_Ti=f"{Ti:.2f}"
    value_Td=f"{Td:.2f}"
    text_display.set(str(value_Kp))
    text_display_Ti.set(str(value_Ti))
    text_display_Td.set(str(value_Td))
    num=[Td,1,1/Ti]
    den=[1,0]
    G_ID=tf(num,den)
    G_all=feedback(G_ID*Kp*G,1)
    ax.cla()
    (y_s,t_s)=step(G_all,T=np.arange(0,10,0.01))
    (y_in,t_in)=step(1,T=np.arange(0,10,0.01))
    ax.set_xlabel('t / s')
    ax.set_ylabel('y')
    plt.style.use('ggplot')
    ax.plot(t_s,y_s)
    ax.plot(t_in,y_in,linestyle="dashed")
    ax.set_title('Kp='+str(value_Kp)+',Ti='+str(value_Ti)+',Td='+str(value_Td))
    canvas.draw()


Button_cal=tk.Button(frame4,text='伝達関数を計算',width=15,command=cal_ABCD)
Button_cal.grid(row=1,column=7,padx=5)

def cal_ABCD():
    global G
    A_1=float(label_A1.get())
    A_2=float(label_A2.get())
    A_3=float(label_A3.get())
    A_4=float(label_A4.get())
    A=np.matrix([[A_1,A_2],[A_3,A_4]])
    
    B_1=float(label_B1.get())
    B_2=float(label_B2.get())
    B=np.matrix([[B_1],[B_2]])
    
    C_1=float(label_C1.get())
    C_2=float(label_C2.get())
    C=np.matrix([C_1,C_2])
    
    D_1=float(label_D1.get())
    D=D_1
    
    G=ss2tf(A,B,C,D)
    
    text_display_sys.set(str(G))
    
    Kp=scale_var.get()
    Ti=scale_var_Ti.get()
    Td=scale_var_Td.get()
    value_Kp=f"{Kp:.2f}"
    value_Ti=f"{Ti:.2f}"
    value_Td=f"{Td:.2f}"
    text_display.set(str(value_Kp))
    text_display_Ti.set(str(value_Ti))
    text_display_Td.set(str(value_Td))
    num=[Td,1,1/Ti]
    den=[1,0]
    G_ID=tf(num,den)
    G_all=feedback(G_ID*Kp*G,1)
    ax.cla()
    (y_s,t_s)=step(G_all,T=np.arange(0,10,0.01))
    (y_in,t_in)=step(1,T=np.arange(0,10,0.01))
    ax.set_xlabel('t / s')
    ax.set_ylabel('y')
    plt.style.use('ggplot')
    ax.plot(t_s,y_s)
    ax.plot(t_in,y_in,linestyle="dashed")
    ax.set_title('Kp='+str(value_Kp)+',Ti='+str(value_Ti)+',Td='+str(value_Td))
    canvas.draw()

label_num=tk.Label(frame6,text='分子=',width=5)
label_num.grid(row=1,column=0)

num_s2=tk.Entry(frame6,width=5)
num_s2.insert(tk.END,'0')
num_s2.grid(row=1,column=1)

label_num_s2=tk.Label(frame6,text='S^2+',width=5)
label_num_s2.grid(row=1,column=2)

num_s1=tk.Entry(frame6,width=5)
num_s1.insert(tk.END,'0')
num_s1.grid(row=1,column=3)

label_num_s1=tk.Label(frame6,text='S+',width=5)
label_num_s1.grid(row=1,column=4)

num_s0=tk.Entry(frame6,width=5)
num_s0.insert(tk.END,'0.1')
num_s0.grid(row=1,column=5)

label_den=tk.Label(frame6,text='分母=',width=5)
label_den.grid(row=4,column=0)

den_s2=tk.Entry(frame6,width=5)
den_s2.insert(tk.END,'0.1')
den_s2.grid(row=4,column=1)

label_den_s2=tk.Label(frame6,text='S^2+',width=5)
label_den_s2.grid(row=4,column=2)

den_s1=tk.Entry(frame6,width=5)
den_s1.insert(tk.END,'1')
den_s1.grid(row=4,column=3)

label_den_s1=tk.Label(frame6,text='S+',width=5)
label_den_s1.grid(row=4,column=4)

den_s0=tk.Entry(frame6,width=5)
den_s0.insert(tk.END,'1')
den_s0.grid(row=4,column=5)

Button_cal_sys=tk.Button(frame6,text='伝達関数を計算',width=15,command=cal_sys)
Button_cal_sys.grid(row=1,column=7,padx=5)


#状態空間モデルのフレームを上位層にする
frame4.tkraise()

root["menu"]=menu

root.mainloop()

3.2 実行結果

実行すると以下のアプリが表示されます。

上部にタブ「伝達関数の計算方法を選択」が追加されており、「状態空間モデルから伝達関数を計算する」か「直接伝達関数を設定する」かを選ぶことができます。

タブをクリックすると左下の欄が変化します。

f:id:stjun:20200126172429p:plain

ここでS^2、Sの係数や定数の入力を終えて「伝達関数を計算」のボタンを押すと、右下の制御対象の伝達関数が変わり、PID制御が再計算されます。

■ 読んで良かった本を紹介

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tkinterでの基本的なパーツの作成方法（ボタンやテキストやスクロールバー等）について、初心者が読んでもすぐに分かるように丁寧に書かれています。私はtkinterを学んだ後に知りましたが、こんなに分かりやすい本があるなら初めからこの本を読んで勉強すればこんなに苦労するなかったのにと思ったくらいです...