Identifiabilit´e structurelle et identification de syst`emes coupl´es par les sorties
Safa JEDIDI 1 , Romain Bourdais 1 , Jean Buisson 1 , Marie-Anne Lefebvre 1
1 Equipe ASH Automatique des Syst` emes Hybrides SUPELEC - IETR UMR 6164, Avenue de la Boulaie
CS 47601, F-35576 Cesson-S´ evign´ e Cedex, France
{safa.jedidi@supelec.fr}
R´ esum´ e— Cet article s’int´ eresse ` a l’identification des syst` emes de grande taille qui peuvent ˆ etre d´ ecompos´ es en une collection de sous-syst` emes coupl´ es par les sorties. Il est d’abord montr´ e que si le syst` eme global est structurellement identifiable, alors tous les sous-syst` emes le sont ´ egalement, en consid´ erant les sorties comme de nouvelles entr´ ees. Cette propri´ et´ e est ensuite utilis´ ee pour proposer une proc´ edure d’identification d´ ecentralis´ ee. L’efficacit´ e de l’approche pro- pos´ ee est illustr´ ee sur un exemple acad´ emique.
Mots-cl´ es— Identifiabilit´ e structurelle, Identification d´ ecen- tralis´ ee, Syst` emes de grande taille.
I. Introduction
Les syst` emes technologiques de grande taille tels que les syst` emes de transport, les syst` emes ´ electriques, les syst` emes de bˆ atiments. . .sont omnipr´ esents dans notre vie moderne. La grande taille de ces syst` emes a conduit au d´ eveloppement de diverses techniques pour r´ eduire la complexit´ e de leur ´ etude. Une approche possible est de consid´ erer le grand syst` eme comme une collection de nom- breux sous-syst` emes plus simples.
L’identification [1] est un point crucial pour l’´ elaboration d’une strat´ egie de contrˆ ole bas´ ee sur un mod` ele. D’un point de vue pratique, le probl` eme de la taille des syst` emes se pose ´ egalement pour l’identification param´ etrique.
Pour simplifier l’identification des syst` emes de grande taille, de nombreux auteurs ont essay´ e d’exploiter leur structure. Dans [5], le syst` eme global est hi´ erarchis´ e et une m´ ethode it´ erative est propos´ ee pour l’identification. Dans [7], les auteurs s’int´ eressent aux syst` emes circulants [3], et ils exploitent leurs propri´ et´ es pour d´ efinir une proc´ edure originale d’identification. Une autre technique exploite la propri´ et´ e de d´ ecouplage en boucle ferm´ ee afin de d´ efinir une collection d’observateurs d´ ecentralis´ es pour les syst` emes non lin´ eaires interconnect´ es [12].
Dans cet article, nous supposons que le syst` eme global est structurellement identifiable. L’identifiabilit´ e structu- relle est une propri´ et´ e importante quand il faut ´ evaluer les param` etres du syst` eme, car elle garantit l’unicit´ e des param` etres [15]. Dans [13], l’auteur se concentre sur les syst` emes compartimentaux pour ´ etudier l’identifiabi- lit´ e structurelle du syst` eme global, et dans [4], l’identi- fiabilit´ e pratique peut ˆ etre v´ erifi´ ee pour des conditions suffisantes sur les signaux d’interaction entre les sous- syst` emes. Dans ce document, on consid` ere un ensemble de syst` emes lin´ eaires coupl´ es par leurs sorties. Un exemple est repr´ esent´ e sur la figure 1. De nombreux processus peuvent ˆ
etre mod´ elis´ es sous cette forme, c’est le cas par exemple des syst` emes thermiques dans les bˆ atiments [8].
Fig. 1. Exemple d’un grand syst` eme compos´ e de M sous-syst` emes coupl´ es par les sorties.
La contribution de cet article est double : il est d’abord prouv´ e que si le syst` eme global est structurellement iden- tifiable, alors tous les sous-syst` emes coupl´ es par les sor- ties sont ´ egalement structurellement identifiables. A partir de ce r´ esultat, une proc´ edure d’identification d´ ecentralis´ ee permettant de r´ eduire la complexit´ e de l’identification glo- bale est d´ evelopp´ ee.
Ce document est organis´ e comme suit : dans la section II, on donne quelques rappels sur l’identifiabilit´ e struc- turelle puis on pr´ esente le syst` eme global et sa struc- ture. La premi` ere contribution de cet article est expliqu´ ee dans la section III dans laquelle on pr´ esente une condi- tion suffisante pour l’identifiabilit´ e structurelle des sous- syst` emes. Dans la section IV, la proc´ edure d’identification d´ ecentralis´ ee est d´ efinie et son efficacit´ e est illustr´ ee par un exemple acad´ emique inspir´ e des syst` emes thermiques dans les bˆ atiments. La conclusion et les perspectives de ce travail sont pr´ esent´ ees dans la section V.
II. Formalisation du probl` eme A. Rappel sur l’identifiabilit´ e structurelle
Tester l’identifiabilit´ e structurelle d’un syst` eme est une
´
etape importante dans la validation th´ eorique d’un mod` ele.
Intuitivement, les param` etres d’un syst` eme sont identi- fiables s’il est th´ eoriquement possible de les d´ eterminer d’une fa¸ con unique ` a partir de l’observation des entr´ ees et des sorties suppos´ ees parfaitement connues, en se pla¸ cant dans un cadre id´ eal non bruit´ e, o` u le mod` ele cherch´ e cor- respond ` a celui du syst` eme ´ etudi´ e.
La litt´ erature sur l’identifiabilit´ e et les m´ ethodes pour la
v´ erifier est vaste [2], [6], . . .. Le lecteur peut se r´ ef´ erer ` a [14]
et [15] qui traitent le sujet en d´ etail. Sa d´ efinition formelle est rappel´ ee comme suit :
D´ efinition 1 : Identifiabili´ e structurelle globale [14]
Consid´ erons le syst` eme lin´ eaire (1) param´ etr´ e en p ,avec p ∈ P ⊂ R n
p(o` u P est l’ensemble des param` etres admis- sibles), repr´ esent´ e sous la forme d’´ etat suivante :
x ˙ = A(p)x + B(p)u
y = C(p)x , x(0) = x 0 (p) ∈ R n (1) Le param` etre p 0 ∈ P 0 ⊂ R est dit structurellement glo- balement identifiable (s.g.i.) si et seulement si, pour tout p e 0 ∈ P 0 et pour une classe d’entr´ ee U :
y( p, t) e ≡ y(p, t), ∀t ∈ R + , ∀u ∈ U , = ⇒ p e 0 = p 0 (2) Le syst` eme global (1) est s.g.i. si et seulement si, tous ses param` etres sont s.g.i..
Dans cet article, sans perte de g´ en´ eralit´ e, nous supposons que la condition initiale est connue et non param´ etr´ ee.
Il existe plusieurs m´ ethodes pour tester l’identifiabilit´ e structurelle comme l’approche par transformation de La- place, d´ ecrite dans [10], la m´ ethode des param` etres de Mar- kov expliqu´ ee dans [11] qui est bas´ ee sur la repr´ esentation Bond Graph du syst` eme ou le d´ eveloppement en s´ erie de Taylor des sorties, ´ etudi´ e dans [9] par exemple.
Dans cet article, nous allons utiliser un outil puis- sant pour v´ erifier l’identifiabilit´ e structurelle d’un mod` ele repr´ esent´ e par sa repr´ esentation d’´ etat : la m´ ethode des si- milarit´ es (similarity transformation approach) d´ ecrite dans [13].
Avant de rappeler le th´ eor` eme principal de cette ap- proche, nous introduisons d’abord quelques notations. La d´ ependance en p de toutes les matrices sera omise : par exemple, la matrice A(p) sera not´ ee A. Pour une autre pa- ram´ etrisation ˜ p, la matrice A(˜ p) sera not´ ee ˜ A.
Pour appliquer la m´ ethode des similarit´ es, il faut que le syst` eme (1) soit structurellement commandable et structu- rellement observable :
D´ efinition 2 : Le syst` eme (1) est structurellement com- mandable si pour presque tout p ∈ P, on a :
rang B AB . . . A n−1 B
= n
D´ efinition 3 : Le syst` eme (1) est structurellement obser- vable si pour presque tout p ∈ P, on a :
rang
C CA
.. . CA n−1
= n
Les r´ esultats de cet article sont bas´ es sur le th´ eor` eme suivant :
Th´ eor` eme 1 : [13] Le syst` eme (1), structurellement com- mandable et observable, est structurellement globalement identifiable si et seulement si, pour deux param´ etrisations p et ˜ p et une matrice non singuli` ere T ∈ R n×n , telles que :
T A = AT e T B = B e CT e = C
(3) alors T = Id et p = ˜ p.
Maintenant que les principales d´ efinitions sont donn´ ees, nous allons pr´ eciser dans la section suivante, la structure du syst` eme global ´ etudi´ e.
B. Passage d’une description locale ` a une description glo- bale du syst` eme
Dans cet article, on consid` ere une collection de M sous- syst` emes dynamiques. Chaque sous-syst` eme est d´ ecrit par l’´ equation diff´ erentielle suivante :
(Σ i ) :
( x ˙ i = A i x i + B i u i + P
j∈N
iK ij y j y i = C i x i
(4) dans laquelle les matrices A i , B i , C i et K ij sont pa- ram´ etr´ ees par le vecteur p i ∈ R n
pi(i = 1 . . . M ).
L’ensemble N i = {j\ K ij 6= 0} est une collection d’in- dices qui indique le voisinage du syst` eme (Σ i ). Un sous- syst` eme (Σ j ) est dans le voisinage de (Σ i ) si sa sortie y j a un effet sur ˙ x i .
A partir de cette description locale, le syst` eme global peut ˆ etre d´ eduit comme suit :
(Σ) :
x ˙ = Ax + Bu
y = Cx (5)
avec :
x =
x 1
x 2 .. . x M
, u =
u 1
u 2 .. . u M
, y =
y 1
y 2 .. . y M
, p =
p 1
p 2 .. . p M
Les matrices A, B et C d´ ependent du vecteur p qui est le vecteur des param` etres du grand syst` eme.
A(p) =
A 1 K 12 C 2 . . . K 1M C M
K 21 C 1 A 2 . . . K 2M C M
.. . .. . .. . .. . K M1 C 1 K M2 C 2 . . . A M
B(p) = diag (B i ) i=1,M , C(p) = diag (C i ) i=1,M On suppose que le syst` eme global est structurellement commandable et observable. Dans ce cas on peut montrer que les sous-syst` emes sont ´ egalement structurellement com- mandables et observables. La preuve de cette propri´ et´ e ne sera pas d´ evelopp´ ee dans cet article.
III. Condition suffisante pour l’identifiabilit´ e structurelle des syst` emes locaux L’id´ ee pour montrer cette propri´ et´ e est de consid´ erer chaque sous-syst` eme comme ind´ ependant des autres mais poss´ edant comme entr´ ees virtuelles certaines des sorties de ses voisins. On d´ efinit ainsi le sous-syst` eme virtuel :
(Σ i ) :
( x ˙ i = A i x i + B i u i + P
j∈N
iK ij u b ij
y i = C i x i
(6)
Le premier r´ esultat de cet article peut ˆ etre ´ enonc´ e comme
suit :
Th´ eor` eme 2 : Si le syst` eme global (Σ), structurellement commandable et observable, est structurallement globale- ment identifiable, alors tous les sous syst` emes (b Σ i ) sont aussi structurellement globalement identifiables.
Preuve 1 : Pour tout i = 1, . . . , M , on suppose qu’on a deux param´ etrisations p i et ˜ p i et une matrice T i telles que : T i A i = A ˜ i T i (7) T i B i = B ˜ i (8)
∀j 6= i, T i K ij = K ˜ ij (9) C ˜ i T i = C i (10) En introduisant T = diag (T i ) i=1,M on a alors :
T A =
T 1 A 1 T 1 K 12 C 2 . . . T 1 K 1M C M
T 2 K 21 C 1 T 2 A 2 . . . T 2 K 2M C M
.. . .. . .. . .. .
T M K M 1 C 1 T M K M 2 C 2 . . . T M A M
=
A ˜ 1 T 1 K ˜ 12 C 2 . . . K ˜ 1M C M K ˜ 21 C 1 A ˜ 2 T 2 . . . K ˜ 2M C M
.. . .. . .. . .. . K ˜ M 1 C 1 K ˜ M 2 C 2 . . . A ˜ M T M
=
A ˜ 1 T 1 K ˜ 12 C ˜ 2 T 2 . . . K ˜ 1M C ˜ M T M K ˜ 21 C ˜ 1 T 1 A ˜ 2 T 2 . . . K ˜ 2M C ˜ M T M
.. . .. . .. . .. .
K ˜ M 1 C ˜ 1 T 1 K ˜ M2 C ˜ 2 T 2 . . . A ˜ M T M
= AT ˜ (11)
Comme B, C et T sont des matrices diagonales par bloc, BT = ˜ B et ˜ CT = C. Et puisque le syst` eme global est par hypoth` ese globalement identifiable, alors en utilisant le th´ eor` eme 1, on peut d´ eduire que T = Id et p = ˜ p.
Par cons´ equent, pour tout i = 1, . . . , M on a T i = Id et p i = ˜ p i . D’o` u, par le th´ eor` eme 1, on d´ eduit que tous les sous-syst` emes (Σ i ) sont structurellement identifiables. Ceci conclut la preuve.
Le th´ eor` eme 2 sera utilis´ e pour ´ elaborer une proc´ edure d’identification d´ ecentralis´ ee. Ce point est expliqu´ e dans la section suivante.
IV. la d´ emarche de l’identification d´ ecentralis´ ee
Dans cette partie, on va tout d’abord d´ ecrire la proc´ edure d’identification d´ ecentralis´ ee qui sera par la suite appliqu´ ee sur un exemple acad´ emique.
A. Le sch´ ema d’identification d´ ecentralis´ ee
L’int´ erˆ et du th´ eor` eme 2 est de simplifier l’identification du syst` eme global en estimant les param` etres de chaque sous-syst` eme. On v´ erifie d’abord que le grand syst` eme est structurellement globalement identifiable. Dans ce cas, en utilisant le th´ eor` eme 2, on peut d´ eduire que les sous- syst` emes sont aussi structurellement globalement identi- fiables. On va donc sous-syst` eme par sous-syst` eme, identi- fier les param` etres associ´ es. On va pour ce faire r´ ecup´ erer le jeu d’entr´ ee/sortie du sous-syst` eme consid´ er´ e, ainsi que les
donn´ ees des sorties des sous-syst` emes qui sont en couplage avec lui. Les param` etres globaux seront alors la r´ eunion de tous les param` etres ainsi obtenus (voir figure 2).
le th´ eor` eme 2 implique que si le grand syst` eme com- pos´ e de sous syst` emes coupl´ es par les sorties est globa- lement identifiable alors les sous syst` emes sont aussi glo- balement identifiables. En s’appuyant sur ce th´ eor` eme, nous proposons de remplacer l’identification globale des pa- ram` etrespar une identification d´ ecentralis´ ee de param` etres de chacun des sous syst` eme qui le compose. les signaux d’entr´ ee pour l’identification d’un sous syst` eme sont ses si- gnaux d’entr´ ees ainsi que les signaux des sorties de de son voisinage.
Fig. 2. Proc´ edure d’identification.
Cette proc´ edure d’identification est test´ ee sur un exemple acad´ emique qui est pr´ esent´ e dans la section sui- vante.
B. Exemple acad´ emique
Pour montrer l’int´ erˆ et du th´ eor` eme 2, l’´ etude sera faite en premier lieu sur un syst` eme global simple et structurelle- ment globalement identifiable compos´ e de M sous-syst` emes coupl´ es par les sorties. On ´ etudiera l’influence de 3 indica- teurs pour comparer les r´ esultats :
– l’erreur param´ etrique maximale (EPM) de l’ap- proche utilis´ ee (globale ou d´ ecentralis´ ee) correspond au maximum des erreurs calcul´ ees sur chacun des pa- ram` etres. Chaque erreur est d´ efinie par la formule sui- vante :
(EP ) i = 100
valeur estim´ ee (p i ) − valeur r´ eelle (p i ) valeur r´ eelle (p i )
o` u p i est un param` etre du syst` eme ´ etudi´ e.
– l’ajustement(ou le fit) minimal(Am) corres- pond au minimum des ajustements calcul´ es sur les diff´ erentes sorties. Ces ajustements indiquent la res- semblance entre les sorties r´ eelles et les sorties me- sur´ ees.
– le temps d’identification calcul´ e comme la somme des temps d’identification de tous les sous-syst` emes qui composent le grand syst` eme (calcul non parall´ elis´ e).
B.1 Description du syst` eme
L’exemple choisi pour illustrer la d´ emarche provient du
domaine de la thermique des bˆ atiments. On consid` ere un
grand syst` eme repr´ esentant un bˆ atiment compos´ e de M pi` eces dont le mod` ele de couplage choisi est un couplage par les sorties. Les sous-syst` emes sont d´ ecrits par les figures 3 et 4.
Fig. 3. Sous syst` eme(i). Fig. 4. Sch´ ema ´ electrique
´
equivalent du sous- syst` eme(i).
Le grand syst` eme peut repr´ esenter une maison dont les sous-syst` emes sont les pi` eces qui la composent et les entr´ ees sont les flux de chauffage et la temp´ erature ext´ erieure par exemple. Le couplage repr´ esente l’influence thermique entre les pi` eces voisines. Le mod` ele ´ electrique ´ equivalent est donn´ e par la figure 4.
Pour cet exemple, on va traiter le cas o` u le couplage par les sorties se fait uniquement entre les sous-syst` emes les plus proches comme le montre la figure 5.
Fig. 5. Couplage par les sorties entre les voisins (sous-syst` emes) les plus proches seulement.
Ce couplage est traduit par les r´ esistances de couplage R ij .
Les param` etres inconnus (` a estimer) sont les r´ esistances et les capacit´ es pour chaque sous-syst` eme : C mi , C i , R i , R 0i et R ij . Les valeurs de ces param` etres sont diff´ erentes d’une pi` ece ` a l’autre mais restent proches des valeurs donn´ ees dans le tableau I.
TABLE I
Valeurs moyennes des param` etres
p i C mi C i R i R 0i R ij
valeur r´ eelle 5 4 3 0.4 6
Chaque sous-syst` eme est d´ ecrit par la repr´ esentation d’´ etat 4 avec :
A i =
−1 C
mi( R 1
0i
+ R 1
i
) C 1
mi
R
i1 C
iR
i−1 C
i( R 1
i
+ P
j∈N
i1 R
ij)
!
B i =
0 C 1
mi