Direct identification of continuous-time LPV models

Controllers in the linear parameter-varying (LPV) framework are commonly designed in continuous time (CT) requiring accurate and low-order CT models of the system. Nonetheless, most of the methods dedicated to the identification of LPV systems are addressed in the discrete-time setting. In practice when discretizing models which are naturally expressed in CT, the dependency on the scheduling variables becomes non-trivial and over-parameterized. Consequently, direct identification of CT-LPV systems in an input-output setting is investigated. To provide consistent model parameter estimates in this setting, a refined instrumental variable approach is proposed. The statistical properties of this approach are demonstrated through a Monte Carlo simulation example

Design of delayed fractional state variable filter for parameter estimation of fractional nonlinear models

This paper presents a novel direct parameter estimation method for continuous-time fractional nonlinear models. This is achieved by adapting a filter-based approach that uses the delayed fractional state variable filter for estimating the nonlinear model parameters directly from the measured sampled input–output data. A class of fractional nonlinear ordinary differential equation models is considered, where the nonlinear terms are linear with respect to the parameters. The nonlinear model equations are reformulated such that it allows a linear estimator to be used for estimating the model parameters. The required fractional time derivatives of measured input–output data are computed by a proposed delayed fractional state variable filter. The filter comprises of a cascade of all-pass filters and a fractional Butterworth filter, which forms the core part of the proposed parameter estimation method. The presented approaches for designing the fractional Butterworth filter are the so-called, square root base and compartmental fractional Butterworth design. According to the results, the parameters of the fractional-order nonlinear ordinary differential model converge to the true values and the estimator performs efficiently for the output error noise structure

Continuous time model identification using sinusoidal response

System identification is an interface that unites the mathematical world of control theory and practical applications of control; as such its significance is omnipresent. Identification techniques involve differential equations where the coefficients are closely related to the physical parameters in the system; continuous time models have greater appeal than its discrete-time counterpart in understanding these interpretations. In this study, we have considered sinusoidal input for identification purpose as it has been discussed in the context of designing optimal input and also because it facilitates to excite processes with particular frequencies of interest. The primary objective of this work focuses on process parameter estimation. At first, integer order model is studied due to its simplicity, as order estimation is not necessary and thus the structure of the model. In addition, a comparison between different identification methods for better parameter estimates is performed on integer order model. Following on, fractional order model is taken into consideration with known and unknown order estimates. When solving for unknown model order, more emphasis is given on the logarithmic derivative term. According to literature, the unknown model order is estimated numerically whereas we provide an analytical expression of logarithmic derivative of sinusoidal inputs considering deterministic approach. For integer order model, although satisfactory results were achieved in terms of parameter estimates for different approaches varying different input constraints, it was evident that the performances varied with data length, and more importantly with the frequency of the input signal. The developed methodology for fractional order model identification with known model order lead fairly accurate estimates of the process parameters and when extended for unknown model order, exhibited highly satisfactory results as well but with higher computational time. The main challenge of this study was optimizing process parameters based on convergence; this issue was studied in simulation and corresponding numerical results for diverse noise levels met our expectations

Identification par Modèle Non Entier pour la Poursuite Robuste de Trajectoire par Platitude

The general theme of the work enables to handle a system, from identification to robust control. Flatness principles tackle path planning unless knowing the system model, hence the system parameter identification necessity. The principal contribution of this thesis deals with system identification by non integer models and with robust path tracking by the use of flatness principles for fractional models.Chapter 1 recalls the definitions and properties of a fractional operator and also the various representation methods of a fractional system. The stability theorem is also brought to mind. Fractional polynomial and fractional polynomial matrix algebras are introduced for the extension of flatness principles for fractional systems.Chapter 2 is about non integer model identification. After a state of the art on system identification by non integer model, two contexts are considered: in presence of white noise and of colored noise. In each situation, two optimal (in variance and bias sense) estimators are put forward: one, when considering a known model structure with fixed differentiating orders, and another one by combining nonlinear programming technics for the optimization of coefficients and differentiating orders.Chapter 3 establishes the extension of flatness principles to fractional systems. Flatness of linear fractional systems are studied while considering different approaches such as transfer functions or pseudo-state-space representations with polynomial matrices. Path tracking robustness is ensured with CRONE control. Simulation examples display theoretical developments on flatness through thermal diffusion on a metallic rod.Finally, Chapter 4 is devoted to validate the contributions to system identification, to trajectory planning and to robust path tracking on a real fractional system: a metallic rod submitted to a heat flux.Les études menées permettent de prendre en main un système depuis l'identification jusqu'à la commande robuste des systèmes non entiers. Les principes de la platitude permettent de parvenir à la planification de trajectoire à condition de connaître le modèle du système, d'où l'intérêt de l'identification des paramètres du système.Les principaux travaux de cette thèse concernent l'identification de système par modèles non entiers, la génération et la poursuite robuste de trajectoire par l'application des principes de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 1 rappelle les définitions et propriétés de l'opérateur non entier ainsi que les diverses méthodes de représentation d'un système non entier. Le théorème de stabilité est également remémoré. Les algèbres sur les polynômes non entiers et sur les matrices polynômiales non entières sont introduites pour l'extension de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 2 porte sur l'identification par modèle non entier.Après un état de l'art sur les méthodes d'identification par modèle non entier, deux contextes sont étudiés : en présence de bruit blanc et en présence de bruit coloré. Dans chaque cas, deux estimateurs optimaux (sur la variance et le biais) sont proposés : l'un, en supposant une structure du modèle connue et d'ordres de dérivation fixés, et l'autre en combinant des techniques de programmation non linéaire qui optimise à la fois les coefficients et les ordres de dérivation.Le chapitre 3 établit l'extension des principes de la platitude aux systèmes non entiers.La platitude des systèmes non entiers linéaires en proposant différentes approches telles que les fonctions de transfert et la pseudo-représentation d'état par matrices polynômiales est étudiée. La robustesse du suivi de trajectoire est abordée par la commande CRONE. Des exemples de simulations illustrent les développements théoriques de la platitude au travers de la diffusion thermique sur un barreau métallique.Enfin, le chapitre 3 est consacré à la validation des contributions en identification, en planification de trajectoire et en poursuite robuste sur un système non entier réel : un barreau métallique est soumis à un flux de chaleur

High Performance P3M N-body code: CUBEP3M

This paper presents CUBEP3M, a publicly-available high performance cosmological N-body code and describes many utilities and extensions that have been added to the standard package. These include a memory-light runtime SO halo finder, a non-Gaussian initial conditions generator, and a system of unique particle identification. CUBEP3M is fast, its accuracy is tuneable to optimize speed or memory, and has been run on more than 27,000 cores, achieving within a factor of two of ideal weak scaling even at this problem size. The code can be run in an extra-lean mode where the peak memory imprint for large runs is as low as 37 bytes per particles, which is almost two times leaner than other widely used N-body codes. However, load imbalances can increase this requirement by a factor of two, such that fast configurations with all the utilities enabled and load imbalances factored in require between 70 and 120 bytes per particles. CUBEP3M is well designed to study large scales cosmological systems, where imbalances are not too large and adaptive time-stepping not essential. It has already been used for a broad number of science applications that require either large samples of non-linear realizations or very large dark matter N-body simulations, including cosmological reionization, halo formation, baryonic acoustic oscillations, weak lensing or non-Gaussian statistics. We discuss the structure, the accuracy, known systematic effects and the scaling performance of the code and its utilities, when applicable.Comment: 20 pages, 17 figures, added halo profiles, updated to match MNRAS accepted versio

Identification of nonlinear processes based on Wiener-Hammerstein models and heuristic optimization.

[ES] En muchos campos de la ingeniería los modelos matemáticos son utilizados para describir el comportamiento de los sistemas, procesos o fenómenos. Hoy en día, existen varias técnicas o métodos que pueden ser usadas para obtener estos modelos. Debido a su versatilidad y simplicidad, a menudo se prefieren los métodos de identificación de sistemas. Por lo general, estos métodos requieren la definición de una estructura y la estimación computacional de los parámetros que la componen utilizando un conjunto de procedimientos y mediciones de las señales de entrada y salida del sistema. En el contexto de la identificación de sistemas no lineales, un desafío importante es la selección de la estructura. En el caso de que el sistema a identificar presente una no linealidad de tipo estático, los modelos orientados a bloques, pueden ser útiles para definir adecuadamente una estructura. Sin embargo, el diseñador puede enfrentarse a cierto grado de incertidumbre al seleccionar el modelo orientado a bloques adecuado en concordancia con el sistema real. Además de este inconveniente, se debe tener en cuenta que la estimación de algunos modelos orientados a bloques no es sencilla, como es el caso de los modelos de Wiener-Hammerstein que consisten en un bloque NL en medio de dos subsistemas LTI. La presencia de dos subsistemas LTI en los modelos de Wiener-Hammerstein es lo que principalmente dificulta su estimación. Generalmente, el procedimiento de identificación comienza con la estimación de la dinámica lineal, y el principal desafío es dividir esta dinámica entre los dos bloques LTI. Por lo general, esto implica una alta interacción del usuario para desarrollar varios procedimientos, y el modelo final estimado depende principalmente de estas etapas previas. El objetivo de esta tesis es contribuir a la identificación de los modelos de Wiener-Hammerstein. Esta contribución se basa en la presentación de dos nuevos algoritmos para atender aspectos específicos que no han sido abordados en la identificación de este tipo de modelos. El primer algoritmo, denominado WH-EA, permite estimar todos los parámetros de un modelo de Wiener-Hammerstein con un solo procedimiento a partir de un modelo dinámico lineal. Con WH-EA, una buena estimación no depende de procedimientos intermedios ya que el algoritmo evolutivo simultáneamente busca la mejor distribución de la dinámica, ajusta con precisión la ubicación de los polos y los ceros y captura la no linealidad estática. Otra ventaja importante de este algoritmo es que bajo consideraciones específicas y utilizando una señal de excitación adecuada, es posible crear un enfoque unificado que permite también la identificación de los modelos de Wiener y Hammerstein, que son casos particulares del modelo de Wiener-Hammerstein cuando uno de sus bloques LTI carece de dinámica. Lo interesante de este enfoque unificado es que con un mismo algoritmo es posible identificar los modelos de Wiener, Hammerstein y Wiener-Hammerstein sin que el usuario especifique de antemano el tipo de estructura a identificar. El segundo algoritmo llamado WH-MOEA, permite abordar el problema de identificación como un Problema de Optimización Multiobjetivo (MOOP). Sobre la base de este algoritmo se presenta un nuevo enfoque para la identificación de los modelos de Wiener-Hammerstein considerando un compromiso entre la precisión alcanzada y la complejidad del modelo. Con este enfoque es posible comparar varios modelos con diferentes prestaciones incluyendo como un objetivo de identificación el número de parámetros que puede tener el modelo estimado. El aporte de este enfoque se sustenta en el hecho de que en muchos problemas de ingeniería los requisitos de diseño y las preferencias del usuario no siempre apuntan a la precisión del modelo como un único objetivo, sino que muchas veces la complejidad es también un factor predominante en la toma de decisiones.[CA] En molts camps de l'enginyeria els models matemàtics són utilitzats per a descriure el comportament dels sistemes, processos o fenòmens. Hui dia, existeixen diverses tècniques o mètodes que poden ser usades per a obtindre aquests models. A causa de la seua versatilitat i simplicitat, sovint es prefereixen els mètodes d'identificació de sistemes. En general, aquests mètodes requereixen la definició d'una estructura i l'estimació computacional dels paràmetres que la componen utilitzant un conjunt de procediments i mesuraments dels senyals d'entrada i eixida del sistema. En el context de la identificació de sistemes no lineals, un desafiament important és la selecció de l'estructura. En el cas que el sistema a identificar presente una no linealitat de tipus estàtic, els models orientats a blocs, poden ser útils per a definir adequadament una estructura. No obstant això, el dissenyador pot enfrontar-se a cert grau d'incertesa en seleccionar el model orientat a blocs adequat en concordança amb el sistema real. A més d'aquest inconvenient, s'ha de tindre en compte que l'estimació d'alguns models orientats a blocs no és senzilla, com és el cas dels models de Wiener-Hammerstein que consisteixen en un bloc NL enmig de dos subsistemes LTI. La presència de dos subsistemes LTI en els models de Wiener-Hammerstein és el que principalment dificulta la seua estimació. Generalment, el procediment d'identificació comença amb l'estimació de la dinàmica lineal, i el principal desafiament és dividir aquesta dinàmica entre els dos blocs LTI. En general, això implica una alta interacció de l'usuari per a desenvolupar diversos procediments, i el model final estimat depén principalment d'aquestes etapes prèvies. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir a la identificació dels models de Wiener-Hammerstein. Aquesta contribució es basa en la presentació de dos nous algorismes per a atendre aspectes específics que no han sigut adreçats en la identificació d'aquesta mena de models. El primer algorisme, denominat WH-EA (Algorisme Evolutiu per a la identificació de sistemes de Wiener-Hammerstein), permet estimar tots els paràmetres d'un model de Wiener-Hammerstein amb un sol procediment a partir d'un model dinàmic lineal. Amb WH-EA, una bona estimació no depén de procediments intermedis ja que l'algorisme evolutiu simultàniament busca la millor distribució de la dinàmica, afina la ubicació dels pols i els zeros i captura la no linealitat estàtica. Un altre avantatge important d'aquest algorisme és que sota consideracions específiques i utilitzant un senyal d'excitació adequada, és possible crear un enfocament unificat que permet també la identificació dels models de Wiener i Hammerstein, que són casos particulars del model de Wiener-Hammerstein quan un dels seus blocs LTI manca de dinàmica. L'interessant d'aquest enfocament unificat és que amb un mateix algorisme és possible identificar els models de Wiener, Hammerstein i Wiener-Hammerstein sense que l'usuari especifique per endavant el tipus d'estructura a identificar. El segon algorisme anomenat WH-MOEA (Algorisme evolutiu multi-objectiu per a la identificació de models de Wiener-Hammerstein), permet abordar el problema d'identificació com un Problema d'Optimització Multiobjectiu (MOOP). Sobre la base d'aquest algorisme es presenta un nou enfocament per a la identificació dels models de Wiener-Hammerstein considerant un compromís entre la precisió aconseguida i la complexitat del model. Amb aquest enfocament és possible comparar diversos models amb diferents prestacions incloent com un objectiu d'identificació el nombre de paràmetres que pot tindre el model estimat. L'aportació d'aquest enfocament se sustenta en el fet que en molts problemes d'enginyeria els requisits de disseny i les preferències de l'usuari no sempre apunten a la precisió del model com un únic objectiu, sinó que moltes vegades la complexitat és també un factor predominant en la presa de decisions.[EN] In several engineering fields, mathematical models are used to describe the behaviour of systems, processes or phenomena. Nowadays, there are several techniques or methods for obtaining mathematical models. Because of their versatility and simplicity, system identification methods are often preferred. Generally, systems identification methods require defining a structure and estimating computationally the parameters that make it up, using a set of procedures y measurements of the system's input and output signals. In the context of nonlinear system identification, a significant challenge is the structure selection. In the case that the system to be identified presents a static type of nonlinearity, block-oriented models can be useful to define a suitable structure. However, the designer may face a certain degree of uncertainty when selecting the block-oriented model in accordance with the real system. In addition to this inconvenience, the estimation of some block-oriented models is not an easy task, as is the case with the Wiener-Hammerstein models consisting of a NL block in the middle of two LTI subsystems. The presence of two LTI subsystems in the Wiener-Hammerstein models is what mainly makes their estimation difficult. Generally, the identification procedure begins with the estimation of the linear dynamics, and the main challenge is to split this dynamic between the two LTI block. Usually, this implies a high user interaction to develop several procedures, and the final model estimated mostly depends on these previous stages. The aim of this thesis is to contribute to the identification of the Wiener-Hammerstein models. This contribution is based on the presentation of two new algorithms to address specific aspects that have not been addressed in the identification of this type of model. The first algorithm, called WH-EA (An Evolutionary Algorithm for Wiener-Hammerstein System Identification), allows estimating all the parameters of a Wiener-Hammerstein model with a single procedure from a linear dynamic model. With WH-EA, a good estimate does not depend on intermediate procedures since the evolutionary algorithm looks for the best dynamic division, while the locations of the poles and zeros are fine-tuned, and nonlinearity is captured simultaneously. Another significant advantage of this algorithm is that under specific considerations and using a suitable excitation signal; it is possible to create a unified approach that also allows the identification of Wiener and Hammerstein models which are particular cases of the Wiener-Hammerstein model when one of its LTI blocks lacks dynamics. What is interesting about this unified approach is that with the same algorithm, it is possible to identify Wiener, Hammerstein, and Wiener-Hammerstein models without the user specifying in advance the type of structure to be identified. The second algorithm called WH-MOEA (Multi-objective Evolutionary Algorithm for Wiener-Hammerstein identification), allows to address the identification problem as a Multi-Objective Optimisation Problem (MOOP). Based on this algorithm, a new approach for the identification of Wiener-Hammerstein models is presented considering a compromise between the accuracy achieved and the model complexity. With this approach, it is possible to compare several models with different performances, including as an identification target the number of parameters that the estimated model may have. The contribution of this approach is based on the fact that in many engineering problems the design requirements and user's preferences do not always point to the accuracy of the model as a single objective, but many times the complexity is also a predominant factor in decision-making.Zambrano Abad, JC. (2021). Identification of nonlinear processes based on Wiener-Hammerstein models and heuristic optimization [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171739TESI