Python嵌入的控制理论仿真教学实验软件平台研究

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针对控制理论课程教学中存在的课程理论性强、内容抽象,学生不易理解的问题,通过开发控制理论仿真实验平台辅助学生更好理解课程理论内容。本文采用C#和Python设计了一个前/后台工作的脚本语言形式的可重构控制理论仿真实验软件平台。C#部分负责用XML脚本重构应用程序GUI界面生成控制系统框图,Python则作为后台程序,完成前台程序请求的传递函数计算、响应计算等。这样充分发挥C#的界面开发效率优势和Python的计算能力优势,形成一个简单安装后就可以快速使用的纯脚本的控制理论仿真实验环境,切换一个脚本文件就形成一个不同的仿真实验,十分方便。本文的主要工作如下:首先,介绍了控制理论仿真实验平台的工作原理,并提出了前台C#+后台Python的工作机制。然后,设计实现了在前台C#程序中用XML脚本重构应用程序GUI界面生成控制系统框图。具体包括,基于C#中的WPF框架和XAML界面描述语言,设计了描述控制系统GUI界面的XML脚本;用C#的发布-订阅机制,实现控件之间的连接,进而构建出程序控制系统框图;另外,还介绍了为控件封装发布-订阅接口的方法,以实现应用程序装配式生成。此外,设计实现了Python作为后台程序的整体嵌入和调用方式,以及前台C#程序与后台Python的数据传输方法。另外,针对控制实验中大量的一二维数组交换,提出了C#数组与Num Py数组(ndarray)之间的直接内存拷贝法,解决了前/后台模式的数据交换效率问题。在此基础上,用C#实现了带数据转换功能的Python脚本控件,可以在前台进行GUI布局、数据订阅等操作,然后调用后台的Python程序进行科学计算。最后,为了验证本文工作的效果,针对《机械工程控制基础》课程的实验教学需要,开发了近50个仿真实验脚本,包括线性系统、稳定性判定、时频域分析、PID控制器设计、离散控制系统、非线性控制系统、控制系统校正分析以及最优与鲁棒控制系统。为提高实验的显示效果,还开发了双容水箱、球杆系统以及四旋翼无人机等虚拟仿真实验和虚实结合的两轮平衡车控制实验。
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