Réduction des Modèles linéaires -...

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Réduction des Modèles linéaires B. CHERKI Département d’Automatique Université Aboubekr Belkaid Tlemcen Algérie ORAN - du 09 au 12 Décembre 2013 B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 1 / 57

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  • Réduction des Modèles linéaires

    B. CHERKI

    Département d’AutomatiqueUniversité Aboubekr Belkaid Tlemcen Algérie

    ORAN - du 09 au 12 Décembre 2013

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 1 / 57

  • Introduction

    Les systèmes considérés son décrit par :

    ẋ = Ax(t) + Bu(t) x(t0) = x0y = Cx(t) + Du(t)

    x(t) ∈ Rn est appelé état du système, x(t0) est la condition initiale,u(t) ∈ Rm est l’entrée du système, y(t) ∈ Rp est la sortie du système.A,B,C,D des matrices à coefficients constants de dimensionsappropriées

    Ils décrivent beaucoup de systèmes physiques autour de pointsde fonctionnementLa Complexité est due à la dimension

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 2 / 57

  • Introduction

    Les systèmes considérés son décrit par :

    ẋ = Ax(t) + Bu(t) x(t0) = x0y = Cx(t) + Du(t)

    x(t) ∈ Rn est appelé état du système, x(t0) est la condition initiale,u(t) ∈ Rm est l’entrée du système, y(t) ∈ Rp est la sortie du système.A,B,C,D des matrices à coefficients constants de dimensionsappropriées

    Ils décrivent beaucoup de systèmes physiques autour de pointsde fonctionnementLa Complexité est due à la dimension

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 2 / 57

  • Que cherche t-on à faire ?

    Approximer le système initial par un système de même nature mais dedimension plus petite, tout en préservant les propriètés entrée /sortie.Les questions posées

    Y’ a t-il des limites fondamentales à la réduction ?Quelle type de norme utiliser pour quantifier l’approximation ?Algorithme de réductionQuelle est la qualité de l’approximation obtenue ?

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 3 / 57

  • Que cherche t-on à faire ?

    Approximer le système initial par un système de même nature mais dedimension plus petite, tout en préservant les propriètés entrée /sortie.Les questions posées

    Y’ a t-il des limites fondamentales à la réduction ?Quelle type de norme utiliser pour quantifier l’approximation ?Algorithme de réductionQuelle est la qualité de l’approximation obtenue ?

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 3 / 57

  • Que cherche t-on à faire ?

    Approximer le système initial par un système de même nature mais dedimension plus petite, tout en préservant les propriètés entrée /sortie.Les questions posées

    Y’ a t-il des limites fondamentales à la réduction ?Quelle type de norme utiliser pour quantifier l’approximation ?Algorithme de réductionQuelle est la qualité de l’approximation obtenue ?

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 3 / 57

  • Que cherche t-on à faire ?

    Approximer le système initial par un système de même nature mais dedimension plus petite, tout en préservant les propriètés entrée /sortie.Les questions posées

    Y’ a t-il des limites fondamentales à la réduction ?Quelle type de norme utiliser pour quantifier l’approximation ?Algorithme de réductionQuelle est la qualité de l’approximation obtenue ?

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  • Notions nécessaires à developper

    Commandabilté des systèmes linéairesObservabilité des systèmes linéairesComportement entrée /sortie : Matrice de transfertRéalisation minimale - Une première réductionUn ingrédient important : La décomposition en valeur singulière

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 4 / 57

  • Notions nécessaires à developper

    Commandabilté des systèmes linéairesObservabilité des systèmes linéairesComportement entrée /sortie : Matrice de transfertRéalisation minimale - Une première réductionUn ingrédient important : La décomposition en valeur singulière

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 4 / 57

  • Notions nécessaires à developper

    Commandabilté des systèmes linéairesObservabilité des systèmes linéairesComportement entrée /sortie : Matrice de transfertRéalisation minimale - Une première réductionUn ingrédient important : La décomposition en valeur singulière

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 4 / 57

  • Notions nécessaires à developper

    Commandabilté des systèmes linéairesObservabilité des systèmes linéairesComportement entrée /sortie : Matrice de transfertRéalisation minimale - Une première réductionUn ingrédient important : La décomposition en valeur singulière

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 4 / 57

  • Notions nécessaires à developper

    Commandabilté des systèmes linéairesObservabilité des systèmes linéairesComportement entrée /sortie : Matrice de transfertRéalisation minimale - Une première réductionUn ingrédient important : La décomposition en valeur singulière

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  • Matrice de Transfert

    La matrice de transfert est définie par la relation Y (s) = G(s)U(s)avec la condition initiale x(t0) = 0. Elle est donnée par :

    G(s) = C(sI − A)−1B + D

    La description d’un système physique peut se faire avec différentescoordonnées bien que certaines coordonnées n’aient pas de sensphysique, elles peuvent rendre l’analyse et la synthèse plus faciles.Engénéral soit T ∈ Rn×n une matrice non singulière et soit x = Tx alors :

    ẋ = TAT−1x + TBuy = CT−1x + Du

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  • Matrice de Transfert (suite)

    La matrice de transfert ne change pas par changement decoordonnées.

    G(s) = C(sI − A)−1B + D= C(sTT−1 − A)−1B + D= C[T−1(sI − TAT−1)T ]−1B + D= CT−1(sI − TAT−1)−1TB + D= C(sI − A)B + D

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  • Commandabilité des systèmes linéaires

    ẋ = Ax(t) + Bu(t) x(t0) = x0 (1)y = Cx(t) + Du(t)

    DéfinitionLe système linéaire décrit par (1) ou la paire (A,B) est ditcommandable si pour n’importe quel état initial x(t0) = x0, t1 > 0 et unétat final x1 il existe une commande u(t) continue par morceaux telleque la solution de (1) vérifie x(t1) = x1. Autrement le système ou lapaire (A,B) est dit non commandable

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  • Critères de Commandabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont équivalentes

    i) (A,B) est commandableii) la matrice

    Wc(t) :=∫ t

    0eAτBB∗eA

    ∗τdτ

    est définie positive ∀t > 0iii) La matrice de commandabilité C =

    [B AB · · · An−1B

    ]est de

    rang complet par les lignes.

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  • Critères de Commandabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont équivalentes

    i) (A,B) est commandableii) la matrice

    Wc(t) :=∫ t

    0eAτBB∗eA

    ∗τdτ

    est définie positive ∀t > 0iii) La matrice de commandabilité C =

    [B AB · · · An−1B

    ]est de

    rang complet par les lignes.

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  • Critères de Commandabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont équivalentes

    i) (A,B) est commandableii) la matrice

    Wc(t) :=∫ t

    0eAτBB∗eA

    ∗τdτ

    est définie positive ∀t > 0iii) La matrice de commandabilité C =

    [B AB · · · An−1B

    ]est de

    rang complet par les lignes.

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  • Critères de Commandabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont équivalentes

    i) (A,B) est commandableii) la matrice

    Wc(t) :=∫ t

    0eAτBB∗eA

    ∗τdτ

    est définie positive ∀t > 0iii) La matrice de commandabilité C =

    [B AB · · · An−1B

    ]est de

    rang complet par les lignes.

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  • Critères de Commandabilité (suite)

    Théorème (suite)

    iv) La matrice [A− λI,B] est de rang complet ∀λ ∈ Cv) Soient λ et x n’importe quelle valeur propre et n’importe quel

    vecteur propre à gauche correspondant (x∗A = x∗λ) alors x∗B 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + BF ) peuvent être arbitrairement

    choisies par un choix judicieux de F

    u(τ) = −B∗eA∗(t1−τ)Wc(t1)−1(eAt1x0 − x1)

    permet de transfeŕer l’état de x0 à x1

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  • Critères de Commandabilité (suite)

    Théorème (suite)

    iv) La matrice [A− λI,B] est de rang complet ∀λ ∈ Cv) Soient λ et x n’importe quelle valeur propre et n’importe quel

    vecteur propre à gauche correspondant (x∗A = x∗λ) alors x∗B 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + BF ) peuvent être arbitrairement

    choisies par un choix judicieux de F

    u(τ) = −B∗eA∗(t1−τ)Wc(t1)−1(eAt1x0 − x1)

    permet de transfeŕer l’état de x0 à x1

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  • Critères de Commandabilité (suite)

    Théorème (suite)

    iv) La matrice [A− λI,B] est de rang complet ∀λ ∈ Cv) Soient λ et x n’importe quelle valeur propre et n’importe quel

    vecteur propre à gauche correspondant (x∗A = x∗λ) alors x∗B 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + BF ) peuvent être arbitrairement

    choisies par un choix judicieux de F

    u(τ) = −B∗eA∗(t1−τ)Wc(t1)−1(eAt1x0 − x1)

    permet de transfeŕer l’état de x0 à x1

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  • Critères de Commandabilité (suite)

    Théorème (suite)

    iv) La matrice [A− λI,B] est de rang complet ∀λ ∈ Cv) Soient λ et x n’importe quelle valeur propre et n’importe quel

    vecteur propre à gauche correspondant (x∗A = x∗λ) alors x∗B 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + BF ) peuvent être arbitrairement

    choisies par un choix judicieux de F

    u(τ) = −B∗eA∗(t1−τ)Wc(t1)−1(eAt1x0 − x1)

    permet de transfeŕer l’état de x0 à x1

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  • Exemple

    A =

    0 1 00 0 1−a0 −a1 −a2

    b = 00

    1

    C = [ b0 b1 b2 ] Lamatrice de commandabilité est donnée par C =

    0 0 10 1 −a21 −a2 a22 − a1

    On voit bien qu’elle est de rang 3, et donc le système est biencommandable. La matrice de transfert est donnée parg(s) = b2s

    2+b1s+b0s3+a2s2+a1s+a0

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  • Observabilité des systèmes linéaires

    Définitionle système décrit par (1) est dit observable si ∀t1 > 0 x(t0) = x0 peutêtre determiné à partir de u(t) t ∈ [0, t1] et y(t) ∈ [0, t1] autrement lesystème est dit inobservable

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  • Critères d’Observabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont equivalentes :

    i) (C, A) est observableii) La matrice

    Wo :=∫ t

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    est définie positive ∀tiii) La matrice d’observabilité

    O =

    C

    CA...

    CAn−1

    est de rang complet par les colonnes.

    iv) La matrice(

    A− λIC

    )est de rang complet par les colonnes

    ∀λ ∈ C

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  • Critères d’Observabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont equivalentes :

    i) (C, A) est observableii) La matrice

    Wo :=∫ t

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    est définie positive ∀tiii) La matrice d’observabilité

    O =

    C

    CA...

    CAn−1

    est de rang complet par les colonnes.

    iv) La matrice(

    A− λIC

    )est de rang complet par les colonnes

    ∀λ ∈ C

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  • Critères d’Observabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont equivalentes :

    i) (C, A) est observableii) La matrice

    Wo :=∫ t

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    est définie positive ∀tiii) La matrice d’observabilité

    O =

    C

    CA...

    CAn−1

    est de rang complet par les colonnes.

    iv) La matrice(

    A− λIC

    )est de rang complet par les colonnes

    ∀λ ∈ C

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 12 / 57

  • Critères d’Observabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont equivalentes :

    i) (C, A) est observableii) La matrice

    Wo :=∫ t

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    est définie positive ∀tiii) La matrice d’observabilité

    O =

    C

    CA...

    CAn−1

    est de rang complet par les colonnes.

    iv) La matrice(

    A− λIC

    )est de rang complet par les colonnes

    ∀λ ∈ C

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 12 / 57

  • Critères d’Observabilité

    ThéorèmeLes assertions suivantes sont equivalentes :

    i) (C, A) est observableii) La matrice

    Wo :=∫ t

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    est définie positive ∀tiii) La matrice d’observabilité

    O =

    C

    CA...

    CAn−1

    est de rang complet par les colonnes.

    iv) La matrice(

    A− λIC

    )est de rang complet par les colonnes

    ∀λ ∈ C

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  • Critères d’observabilité (suite)

    Théorème (suite)v) Soient λ et y n’importe quelle valeur propre et n’importe quelle

    vecteur propre à droite de A ie Ay = λy alors Cy 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + LC) peuvent être placées librement

    par un choix judicieux de Lvii) (A∗,C∗) est commandable.

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  • Critères d’observabilité (suite)

    Théorème (suite)v) Soient λ et y n’importe quelle valeur propre et n’importe quelle

    vecteur propre à droite de A ie Ay = λy alors Cy 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + LC) peuvent être placées librement

    par un choix judicieux de Lvii) (A∗,C∗) est commandable.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 13 / 57

  • Critères d’observabilité (suite)

    Théorème (suite)v) Soient λ et y n’importe quelle valeur propre et n’importe quelle

    vecteur propre à droite de A ie Ay = λy alors Cy 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + LC) peuvent être placées librement

    par un choix judicieux de Lvii) (A∗,C∗) est commandable.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 13 / 57

  • Critères d’observabilité (suite)

    Théorème (suite)v) Soient λ et y n’importe quelle valeur propre et n’importe quelle

    vecteur propre à droite de A ie Ay = λy alors Cy 6= 0vi) Les valeurs propres de (A + LC) peuvent être placées librement

    par un choix judicieux de Lvii) (A∗,C∗) est commandable.

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  • Invariance de la Commadabilité et l’Observabilité

    Les matrices de commandabilité et d’observabilité deviennent

    C =[

    TB TAT−1TB · · · TAn−1T−1TB]

    = TCO = OT−1 (2)

    Donc la commandabilité et l’observabilité ne changent pas parchangement de coordonnées.

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  • Réduction des états non commandables

    Si la matrice de commandabilité C est de rang k1 < n alors il existe

    une transformation de similitude x =(

    xcxc

    )= Tx tel que

    (ẋcẋc

    )=

    (Ac A120 Ac

    )(xcxc

    )+

    (Bc0

    )u (3)

    y =(

    Cc Cc)( xc

    xc

    )+ Du

    Avec Ac ∈ Rk1×k1 et (Ac ,Bc) commandable. De plus

    G(s) = C(sI − A)−1B + D = Cc(sI − Ac)−1Bc + D

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  • Exemple

    A =

    0 1 00 0 1−6 −11 −6

    b = 01−3

    C = 0 1 −31 −3 7−3 7 −15

    elleest de rang 2, le système n’est pas commandable.

    SoitQ =

    0 1 01 −3 0−3 7 1

    = T−1 alorsTAT−1 =

    0 −2 11 −3 00 0 −3

    Tb = 10

    0

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  • Réduction des états non observables

    Si la matrice de d’observabilité O à un rang k2 < n alors il existe unetransformation de similitude telle que

    [TAT−1 TBCT−1 D

    ]=

    Ao 0A21 Ao BoBoCo 0 D

    avec Ao ∈ Rk2×k2 , (Co,Ao) observable. De plus

    G(s) = C(sI − A)−1B + D = C0(sI − Ao)−1Bo + D

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  • Réduction des états non commandables et nonobservables

    Si C est de rang k1 < n et O à un rang k2 < n Alors il existe unetransformation x = Tx (T non singulière) telle que :

    ẋcoẋcoẋcoẋco

    =

    Aco 0 A13 0A12 Aco A23 A240 0 Aco 00 0 A43 Aco

    xcoxcoxcoxco

    +

    BcoBco00

    u

    y =(

    Cco 0 Cco 0)

    xcoxcoxcoxco

    + DuG(s) = Cco(sI − Aco)−1Bco + D

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  • Réalisation minimale

    (A,B,C,D) est appelée réalisation de G(s), une réalisation est diteminimale si à la fois elle est commandable et observable d’après ledécomposition précédente.

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  • Décomposition en Valeurs Singulières

    Soit A ∈ Rm×n alors il existe des matrices unitaires

    U = [u1,u2, · · · ,um] ∈ Rm×m

    V = [v1, v2, · · · , vn] ∈ Rn×n

    tel que

    A = UΣV ∗, Σ =[

    Σ1 00 0

    ]où

    Σ1 =

    σ1 0 · · · 00 σ2 · · · 0...

    .... . .

    ...0 0 · · · σp

    et

    σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ σp ≥ 0, p = min(m,n)

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  • Quelques propriètés de la SVD

    σ̄(A) = max‖x‖=1

    ‖Ax‖

    σ(A) = min‖x‖=1

    ‖Ax‖

    σ̄(A−1) =1σ

    (A)siAinversible

    Si A et ∆ sont des matrices carrés alors :

    |σ(A + ∆)− σ(A)| ≤ σ̄(∆)

    σ(A∆) ≥ σ(A)σ(∆)

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  • Propriètés de la SVD (suite)

    Soit A ∈ Fm×n et

    σ1 ≥ σ2 · · · ≥ σr > σr+1 = · · · = 0, r ≤ min (r ,n)

    alors :

    1 rang(A) = r2 ker A = span{vr+1, · · · , vn} et

    (ker A)⊥ = span{v1, · · · , vr}3 ImA = span{u1, · · · ,ur} et

    (ImA)⊥ = span{ur+1, · · · ,um}4 ‖A‖ = σ1

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  • Propriètés de la SVD (suite)

    Soit A ∈ Fm×n et

    σ1 ≥ σ2 · · · ≥ σr > σr+1 = · · · = 0, r ≤ min (r ,n)

    alors :

    1 rang(A) = r2 ker A = span{vr+1, · · · , vn} et

    (ker A)⊥ = span{v1, · · · , vr}3 ImA = span{u1, · · · ,ur} et

    (ImA)⊥ = span{ur+1, · · · ,um}4 ‖A‖ = σ1

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  • Propriètés de la SVD (suite)

    Soit A ∈ Fm×n et

    σ1 ≥ σ2 · · · ≥ σr > σr+1 = · · · = 0, r ≤ min (r ,n)

    alors :

    1 rang(A) = r2 ker A = span{vr+1, · · · , vn} et

    (ker A)⊥ = span{v1, · · · , vr}3 ImA = span{u1, · · · ,ur} et

    (ImA)⊥ = span{ur+1, · · · ,um}4 ‖A‖ = σ1

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  • Propriètés de la SVD (suite)

    Soit A ∈ Fm×n et

    σ1 ≥ σ2 · · · ≥ σr > σr+1 = · · · = 0, r ≤ min (r ,n)

    alors :

    1 rang(A) = r2 ker A = span{vr+1, · · · , vn} et

    (ker A)⊥ = span{v1, · · · , vr}3 ImA = span{u1, · · · ,ur} et

    (ImA)⊥ = span{ur+1, · · · ,um}4 ‖A‖ = σ1

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  • Équations de Lyapunov

    A∗X + XA + Q = 0AX + XA∗ + Q = 0

    ThéorèmeSupposons A et Q des matrices carrées et A Hurwitzienne, alors :

    X =∫ ∞

    0eA

    ∗τQeAτdτ

    est l’unique solution de l’équation de Lyapunov A∗X + XA + Q = 0

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  • Équations de Lyapunov

    A∗X + XA + Q = 0AX + XA∗ + Q = 0

    ThéorèmeSupposons A et Q des matrices carrées et A Hurwitzienne, alors :

    X =∫ ∞

    0eA

    ∗τQeAτdτ

    est l’unique solution de l’équation de Lyapunov A∗X + XA + Q = 0

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  • Preuve

    L’intǵrale converge car A est hurwitzienneA∗X + XA =

    ∫∞0

    ddt (e

    A∗τQeAτ )dτ = −QΠ : Rn×n → Rn×n définie par :Π(X ) = A∗X + XA où X ∈ Rn×n∀Q ∈ Rn×n l’équation Π(X ) = −Q possède une solution, cela veut direque que la dimension de l’image de Π est n2 mais la dimension dudomaine de Π est aussi n2 et donc ker Π = 0 et donc l’équationΠ(X ) = −Q possède une unique solution pour chaque Q.

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  • Équations de Lyapunov

    ThéorèmeSupposons Q > 0, alors A est Hurwitzienne si et seulement si il existeune solution X > 0 à l’équation de Lyapunov A∗X + XA + Q = 0

    Le résultat précédent reste vrai si l’hypothèse Q > 0 est remplacée parQ = C∗C ≥ 0 avec (C,A) observable, dans ce cas la solution del’équation de Lyapunov est notée Yo et vérifie A∗X + XA + C∗C = 0 etest appelée le Gramien d’observabilité de (C,A).

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 25 / 57

  • Opérateur et Gramien d’observabilité

    ẋ(t) = Ax(t , x(0) = x0 ∈ Rn,A Hurwitzy(t) = Cx(t)

    y(t) = CeAtx0 pour t ≥ 0On définit l’opérateur d’observabilité par Ψo : Rn → L2[0∞) par

    x0 7→{

    CeAtx0 pour t ≥ 00, autrement

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 26 / 57

  • Opérateur et Gramien d’observabilité

    On peut montrer que

    |CeAtx0| ≤ βe−αt |x0|

    quelque soit x0 et t . Si l’on pose y = Ψox0 nous obtenons‖y‖ ≤ β√

    2α|x0| donc y ∈ L2[0,∞) et Ψo est un opérateur borné.

    L’énergie contenue dans le signal y = Ψox0, pour x0 ∈ Rn, est donnéepar :

    ‖y‖2 = 〈Ψox0,Ψox0〉 = 〈x0,Ψ∗oΨox0〉

    , où Ψ∗o : L2[0,∞)→ Rn est l’adjoint de Ψo.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 27 / 57

  • Ψ∗oz =∫ ∞

    0eA

    ∗τC∗z(τ)(τ)dτ

    pour z ∈ L2[,∞) la norme de y = Ψox0 est donné par 〈x0,Ψ∗oΨox0〉

    Ψ∗o(Ψox0) =∫ ∞

    0eA

    ∗τC∗CeAτx0dτ (4)

    =

    (∫ ∞0

    eA∗τC∗CeAτdτ

    )x0 = (Ψ∗oΨo) x0

    Donc l’opérateur Ψ∗oΨo est donné par la matrice :

    Yo = Ψ∗oΨo =∫ ∞

    0eA

    ∗τC∗CeAτdτ

    ,c’est le Gramien d’observabilité

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 28 / 57

  • Représentation d’une ellipsoïde

    Soit M : U → Rn et Z = MM∗Alors

    E1 = {x ∈ Rn; x∗Z−1x ≤ 1}

    E2 = {Z12 y ; y ∈ Rn, ‖y‖2 ≤ 1}

    E3 = {Mu; u ∈ U , ‖u‖2 ≤ 1}

    Représentent le même ellipsoide, les λi sont les valeurs propres de Z

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 29 / 57

  • Ellipsoïde d’Observabilité

    L’énergie contenue dans le signal de sortie y = Ψox0 à partir de lacondition initiale x0 ∈ Cn est donnée par

    ‖y‖2 = x∗0 Yox0

    Le Gramien "mesure" combien est observable un état initial

    Y12

    o x0 où x0 est de longueur unité, ce vecteur possède une longueurégale à la norme 2 de y .

    Eo = {Y12

    o x0 : x0 ∈ Rnet|x0| = 1}

    Comme Yo est semi défini positif, cet ensemble est une ellipsoïde etindique la norme de sortie associée à une direction particulière del’espace d’état

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 30 / 57

  • Ellipsoïde d’Observabilité

    Soientη1 ≥ η2 ≥ · · · ≥ ηn ≥ 0

    les valeurs propres de Y12

    o et v1, · · · , vn les vecteurs propresnormalisés correspondants. Alors vk donne les directions des axesprincipaux de l’ellipsoide et ηk la longeur de ces axes.ηk = 0⇒ le vecteur vk correspondant ne produit aucune énergie ensortie et sera donc non observable.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 31 / 57

  • Ellipsoïde d’Observabilité

    Si ηk >> ηl ⇒ "l’énergie en sortie due à vk >> l’énergie en sortie dueà vl " Donc on peut penser supprimer les états peu observables.

    Un état peut être faiblement observable mais fortement commandable !

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 32 / 57

  • Opérateur et Gramien de Commandabilité

    L’opérateur de commandabilité est définit par : Ψc : L2(−∞,0]→ Rnpar

    u 7→∫ 0−∞

    e−AτBu(τ)dτ

    Interprétation :

    ẋ(t) = Ax(t) + Bu(t), x(−∞) = 0 (5)

    u ∈ L2(−∞,0] où la sortie est le vecteur x(0)

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 33 / 57

  • Interprétation énergétique

    Étant donné la condition finale x(0) ∈ Rn avec la norme |x0| = 1, quelu ∈ L2(−∞,0] résoud l’équation

    Ψcu = x0

    avec la norme minimale ‖u‖?En d’autres termes quelle est l’entrée deplus faible énergie ‖u‖ qui transfère l’état à x(0) = x0 à l’instant t = 0

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 34 / 57

  • ThéorèmeSupposons (A,B) commandable, alors :

    i) La matrice ΨcΨ∗c = Xc est non singulièreii) pour n’importe quel x0 ∈ Rn, l’entrée uopt := Ψ∗cX−1c x0 est

    l’élement de norme minimale dans l’ensemble{u ∈ L2(−∞,0],Ψcu = x0}.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 35 / 57

  • ThéorèmeSupposons (A,B) commandable, alors :

    i) La matrice ΨcΨ∗c = Xc est non singulièreii) pour n’importe quel x0 ∈ Rn, l’entrée uopt := Ψ∗cX−1c x0 est

    l’élement de norme minimale dans l’ensemble{u ∈ L2(−∞,0],Ψcu = x0}.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 35 / 57

  • ThéorèmeSupposons (A,B) commandable, alors :

    i) La matrice ΨcΨ∗c = Xc est non singulièreii) pour n’importe quel x0 ∈ Rn, l’entrée uopt := Ψ∗cX−1c x0 est

    l’élement de norme minimale dans l’ensemble{u ∈ L2(−∞,0],Ψcu = x0}.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 35 / 57

  • Le théorème nous dit que pour atteindre x0, uopt = Ψ∗cX−1c x0 est la

    commande la plus économique en termes d’énergie, cette énergie estdonnée par

    ‖uopt‖2 = 〈Ψ∗cX−1c x0,Ψ∗cX−1c x0〉 (6)= 〈X−1c x0,ΨcΨ∗cX−1c x0〉= x∗0 X

    −1c x0

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 36 / 57

  • ThéorèmeLes ensembles suivants sont égaux

    a) {Ψcu : u ∈ L2(−∞,0]et‖u‖ ≤ 1}

    b) {X12

    c xc : xc ∈ Rnet|xc | ≤ 1}

    Cela veut dire que les états atteignables avec u vérifiant ‖u‖ ≤ 1 sontdonnés par

    X12

    c xc

    où xc vérifie |xc | ≤ 1 La norme de n’importe quel état de ce type estx∗c Xcxc

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 37 / 57

  • ThéorèmeLes ensembles suivants sont égaux

    a) {Ψcu : u ∈ L2(−∞,0]et‖u‖ ≤ 1}

    b) {X12

    c xc : xc ∈ Rnet|xc | ≤ 1}

    Cela veut dire que les états atteignables avec u vérifiant ‖u‖ ≤ 1 sontdonnés par

    X12

    c xc

    où xc vérifie |xc | ≤ 1 La norme de n’importe quel état de ce type estx∗c Xcxc

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 37 / 57

  • ThéorèmeLes ensembles suivants sont égaux

    a) {Ψcu : u ∈ L2(−∞,0]et‖u‖ ≤ 1}

    b) {X12

    c xc : xc ∈ Rnet|xc | ≤ 1}

    Cela veut dire que les états atteignables avec u vérifiant ‖u‖ ≤ 1 sontdonnés par

    X12

    c xc

    où xc vérifie |xc | ≤ 1 La norme de n’importe quel état de ce type estx∗c Xcxc

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 37 / 57

  • Ellipsoïde de Commandabilité

    on définit l’ellipsoide de commandabilité par :

    Ec = {X12

    c xc : xc ∈ Rnet|xc | = 1}

    Soient µ1 ≥ µ2 ≥ · · · ≥ µn ≥ 0, les valeurs propres de X12

    cv1, · · · , vn les vecteurs propres orthonormés correspondantsSi µk = 0 alors l’état vk est non atteignable.Si µk >> µl alors la direction vk est plus commandable que la directionvl .

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 38 / 57

  • Réalisations équilibrées

    Ellipsoides de Commandabilité et observabilité

    Une direction peu commandable pourrait être très observableChangement de coordonnées pour aligner les deux ellipsoides

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 39 / 57

  • Réalisations équilibrées

    Ellipsoides de Commandabilité et observabilité

    Une direction peu commandable pourrait être très observableChangement de coordonnées pour aligner les deux ellipsoides

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 39 / 57

  • Réalisations équilibrées

    (A,B,C) −→ (Ã = TAT−1, B̃ = TB, C̃ = CT−1) avec T une matrice dechangement de coordonnées

    X̃c =∫ ∞

    0eÃτ B̃B̃∗eÃ

    ∗τdτ (7)

    =

    ∫ ∞0

    TeAτT−1TBB∗T ∗(T ∗)−1eA∗τT ∗dτ

    = TXcT ∗

    de mêmeỸo = (T ∗)−1YoT−1

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 40 / 57

  • Réalisations équilibrées

    Théorème

    Étant donné deux matrices définies positives X et Y , il existe unematrice non singulière telle que

    TXT ∗ = (T ∗)−1YT−1 = Σ

    où Σ est une matrice diagonale définie positive.

    CorrolaireSupposons (A,B,C) une réalisation commandable et observable,alors il existe une transformation d’état T telle que la réalisationéquivalente (Ã, B̃, C̃) = (TAT−1,TB,CT−1) vérifie

    X̃c = Ỹo = Σ avec Σ > 0diagonal.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 41 / 57

  • Réalisations équilibrées

    Théorème

    Étant donné deux matrices définies positives X et Y , il existe unematrice non singulière telle que

    TXT ∗ = (T ∗)−1YT−1 = Σ

    où Σ est une matrice diagonale définie positive.

    CorrolaireSupposons (A,B,C) une réalisation commandable et observable,alors il existe une transformation d’état T telle que la réalisationéquivalente (Ã, B̃, C̃) = (TAT−1,TB,CT−1) vérifie

    X̃c = Ỹo = Σ avec Σ > 0diagonal.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 41 / 57

  • Rálisations équilibrées

    ThéorèmeEtant donné les matrices définies positives X et Y alors il existe T nonsingulière T telle que

    a) TXT ∗ =

    Σ1

    Σ20

    0

    b) (T ∗)−1YT−1 =

    Σ1

    0Σ3

    0

    où les matrices Σk sont diagonales définies positives.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 42 / 57

  • Rálisations équilibrées

    ThéorèmeEtant donné les matrices définies positives X et Y alors il existe T nonsingulière T telle que

    a) TXT ∗ =

    Σ1

    Σ20

    0

    b) (T ∗)−1YT−1 =

    Σ1

    0Σ3

    0

    où les matrices Σk sont diagonales définies positives.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 42 / 57

  • Rálisations équilibrées

    ThéorèmeEtant donné les matrices définies positives X et Y alors il existe T nonsingulière T telle que

    a) TXT ∗ =

    Σ1

    Σ20

    0

    b) (T ∗)−1YT−1 =

    Σ1

    0Σ3

    0

    où les matrices Σk sont diagonales définies positives.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 42 / 57

  • Rálisations équilibrées

    Sous une telle transformation la matrice d’état à aura la forme :

    Ã =

    Ã1 0 Ã6 0Ã2 Ã3 Ã4 Ã50 0 Ã7 00 0 Ã8 Ã9

    C’est la décomposition de Kalman.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 43 / 57

  • Opérateur de Hankel

    ΓG = ΨoΨc

    ThéorèmeLa norme de ΓG est donnée par :

    ‖ΓG‖L2→L2 = (λmax (YoXc))12

    où Yo et Xc sont les Gramiens de la réalisation minimale (A,B,C)

    Les valeurs propres de YoXc sont appelées les valeurs singulières deΓG ou les valeurs singulières de Hankel du système G. on note cesvaleurs singulièrs σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ 0

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 44 / 57

  • Opérateur de Hankel

    Les valeurs singulièrs de Hankel sont les mêmes pour des réalisationséquivalentes. En effet

    Ỹo = (T−1)∗YoT−1 (8)X̃c = TxcT ∗

    et doncỸoX̃c = (T−1)∗YoXcT ∗

    , donc ỸoX̃c et YoXc sont reliés par une transformation de similitude etdonc elles ont les mêmes valeurs propres.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 45 / 57

  • Opérateur de Hankel

    Théorème

    Supposons G(s) = C(sI − A)−1B et que A est Hurwitzienne alors :

    ‖G‖∞ ≤ 2(σ1 + · · ·+ σn)

    où les σk sont les valeurs singulières de Hankel de G

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 46 / 57

  • Réduction de modèles

    Réduction de modèles

    Le problème se pose comme suit :

    Donnée : Matrice de transfert G(s) =[

    A BC D

    ]où A ∈ Rn×n est

    hurwitzienne

    Trouver une matrice d’ordre plus faible Gr (s) =[

    Ar BrCr Dr

    ]où

    Ar ∈ Rr×r et Hurwitziennetel que

    ‖G −Gr‖∞soit minimisée.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 47 / 57

  • Réduction de modèles

    Réduction de modèles

    Le problème se pose comme suit :

    Donnée : Matrice de transfert G(s) =[

    A BC D

    ]où A ∈ Rn×n est

    hurwitzienne

    Trouver une matrice d’ordre plus faible Gr (s) =[

    Ar BrCr Dr

    ]où

    Ar ∈ Rr×r et Hurwitziennetel que

    ‖G −Gr‖∞soit minimisée.

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 47 / 57

  • Réduction de modèles

    Limitations

    LemmeSupposons N ∈ Rn×n avec les valeurs singilières σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ σn.Alors pour n’importe quelle matrice R ∈ Rn×n, rang(R) ≤ r < n

    σ̄(N − R) ≥ σr+1

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 48 / 57

  • Réduction de modèles

    Limitations

    ThéorèmeSoient σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ σr ≥ σr+1 · · · ≥ σn ≥ 0 les valeurs singulièresde Hankel associées à la fonction de transfert G ∈ RH∞ Alors pourn’importe quel Gr d’ordre r < n , l’inégalité suivante

    ‖G −Gr‖∞ ≥ σr+1

    est vérifiée

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 49 / 57

  • Réduction de modèles

    Borne de l’erreur

    ThéorèmeSupposons que les valeurs singulières de Hankel vérifient :

    σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ σr > σr+1 ≥ σr+2 ≥ · · · ≥ σn.

    Si Gr est obtenue par une troncature à l’ordre r d’une éalisationéquilibr̊’ee alors :

    ‖G −Gr‖∞ ≤ 2(σr+1 + σr+2 + · · ·+ σn)

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 50 / 57

  • Réduction de modèles

    Exemple 1

    On considère l’exemple suivant :

    g(s) =(s + 10)(s − 5)(s2 + 2s + 5)(s2 − 0.5s + 5)

    (s + 4)(s2 + 4s + 8)(s2 + 0.2s + 100)(s2 + 5s + 2000)

    À l’aide de Matlab on peut calculer les valeurs singulières de Hankel àl’aide de la commande sv = hankelsv(g)

    sv =

    0.17920.17870.10760.10750.0007

    0.000080.00002

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 51 / 57

  • Réduction de modèles

    Réduction à l’ordre 4

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 52 / 57

  • Réduction de modèles

    Réduction à l’ordre 2

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 53 / 57

  • Réduction de modèles

    Exemple 2

    Modèle d’aun batiment à 8 étages, chacun ayant trois degrés deliberté soit 24 variables. Le modèle a la forme suivante :

    Mq̈(t) + Cq̇(t) + Kq(t) = uv(t)

    , le système peut être mis sous la forme d’état avec x =[

    qq̇

    ]. on

    s’intéresse au mouvement de la première coordonnées q1(t) doncv = [10 · · · 0]T et y(t) = q̇1(t) = x25(t)

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 54 / 57

  • Réduction de modèles

    Exemple 2

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 55 / 57

  • Réduction de modèles

    Exemple 2 suite

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 56 / 57

  • Réduction de modèles

    Exemple 2 suite

    B. CHERKI () Réduction des Modèles linéaires Oran 57 / 57

    Réduction de modèles