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私はPythonでmatplotlibを使って制御工学の勉強をしている者です。今回はlsimの使い方について質問させていただきます。

・まず認識から述べます。

lsimは線形システムの応答を出力する関数です。引数に、システム、時間、入力信号、初期状態を求めます。

・分からない点

lsimそれだけを実行してもグラフがプロットされると聞きましたが、僕の以下のコードではなりません。実行すると多量の数値が出てくるので、それをplotに突っ込んで初めてグラフがでます。
また、プロットするときは

y,_,_=lsim(P,Ud,Td,0)

のように、三つの返り値を設定してやらないと動きません。これはなぜでしょうか?おまけに、このコードでは、yは二本の波形が出てきます。
lsimに三つの返り値を設定しなければいけない理由、そしてそれぞれは何を表しているのか教えてください。

import numpy as np

from matplotlib import pyplot as plt 
from numpy.random import *
from control.matlab import *

A="0,1;-4,-5"
B="0;1"
C="1,0;0,1"
D="0;0"
P=ss(A,B,C,D)

w=np.pi
n=1

Td=np.arange(0,2*np.pi,0.01)
Ud=np.cos(n*w*Td)

y,_,_=lsim(P,Ud,Td,0)

fig,ax=plt.subplots(1,2)

ax[0].plot(Td,Ud)
ax[1].plot(y)
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  • lsimmatplotlibではなくcontrol.matlabのメソッドのようですね。control.matlab.lsim, python control での lsim の使い方, PythonControlで正弦波に対する応答を求める。 他にscipyの物もあるようですが、こちらは戻り値が違うので別物のようです。scipy.signal.lsim
    – kunif
    Commented 2020年10月1日 1:15
  • 元であろうMATLABの解説を見ると、2本の波形は入力信号とシステム応答と思われます。システム応答のプロット, lsim 「lsimそれだけを実行してもグラフがプロットされる」というのはMATLABの開発環境とかツール上の話か、Pythonでも何か同様の環境の話では?
    – kunif
    Commented 2020年10月1日 1:47
  • ありがとうございます。例えば、帰ってくる二本の波形のうち、一本だけをプロットしたい場合はどうすれば良いのでしょうか?僕のあげたコードだとplotにyだけ突っ込んでも時間軸も、2本目の波形も同時に返してきます。
    – SpaceTAKA
    Commented 2020年10月7日 22:07
  • print(type(y))print(y)してみればわかりますが、yは2次元のndarrayです。こちらの記事 NumPy配列ndarrayの要素・行・列を取得(抽出)、代入 にあるようにd0 = y[:, 0], d1 = y[:, 1]とすれば抽出できるのでは? 数値はUdとは同じではないようですが、それをax[0].plot(Td,d0), ax[1].plot(Td,d1)としてみれば分けて表示出来るでしょう。
    – kunif
    Commented 2020年10月7日 22:51
  • なるほど、二次元ですか。二本の波の物理的な意味は「それぞれの初期状態からの応答」ということでしょうかね?
    – SpaceTAKA
    Commented 2020年10月9日 21:45

1 件の回答 1

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コメントのやり取りで解決したようなので、回答として投稿しておきます。

lsimmatplotlibではなくcontrol.matlabのメソッドのようですね。
control.matlab.lsim
python control での lsim の使い方
PythonControlで正弦波に対する応答を求める。

他にscipyにも同名のメソッドがあり、機能としては類似らしいですが、こちらは戻り値の内容や並び方が違うので別物のようです。
scipy.signal.lsim


「三つの返り値を設定してやらないと動きません。これはなぜでしょうか?」というのは、以下のようにそれがこのメソッドの仕様だからです。

control.matlab.lsim(sys, U=0.0, T=None, X0=0.0)

Returns:

  • yout (array) – Response of the system.
  • T (array) – Time values of the output.
  • xout (array) – Time evolution of the state vector.

そして「三つの返り値...それぞれは何を表しているのか」については、上記control.matlab.lsim仕様の記述と、名前から推測できる元であろうMATLABの解説で以下のように記述されています。
lsim

推定に使用したものと同じ入力データと推定コマンドによって返された初期状態を使用して、sys の応答をシミュレートします。

[y,t,x] = lsim(sys,z.InputData,[],x0);

ここで、y はシステム応答、t はシミュレーションに使用される時間ベクトル、x は状態軌跡です。


「おまけに、このコードでは、yは二本の波形が出てきます。」については同様にMATLABの解説を見ると、2本の波形は入力信号とシステム応答と思われます。
システム応答のプロット

lsim コマンドを使用すると、任意の信号 (たとえば正弦波) に対する応答をシミュレートすることもできます。入力信号は灰色、システムの応答は青色で表示されます。

「lsimそれだけを実行してもグラフがプロットされる」というのは上記ページのようにMATLABの開発環境とかツール上の話か、Pythonでも何か同様の環境の話と思われます。


「帰ってくる二本の波形のうち、一本だけをプロットしたい場合はどうすれば良いのでしょうか?」について:

print(type(y))print(y)してみればわかりますが、yは2次元のnumpy.ndarrayです。
こちらの記事NumPy配列ndarrayの要素・行・列を取得(抽出)、代入にあるように

d0 = y[:, 0]
d1 = y[:, 1]

とすれば抽出できるのでは?

数値はUdとは同じではないようですが、それを

ax[0].plot(Td,d0)
ax[1].plot(Td,d1)

としてみれば分けて表示出来るでしょう。


「ax[1].plot(y)のコードだけで時間軸もx軸にプロット出来ているという点です。これはなぜでしょうか?」について:

表示されたグラフのX軸の目盛りとかmatplotlib.pyplot.plotの仕様を見ると、以下のplot(y) # plot y using x as index array 0..N-1のようにパラメータが1個だけ指定されたならY軸データを指定したことになり、X軸にはデータのインデックス(何番目であるか)が使われるようです。

>>> plot(x, y)        # plot x and y using default line style and color
>>> plot(x, y, 'bo')  # plot x and y using blue circle markers
>>> plot(y)           # plot y using x as index array 0..N-1
>>> plot(y, 'r+')     # ditto, but with red plusses

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