Identification parcimonieuse d un système non-linéaire en régime forcé : mesure, transformée de Hilbert-Huang et a priori.

Identification parcimonieuse d un système non-linéaire en régime forcé : mesure, transformée de Hilbert-Huang et a priori. P.-O. Mattei & M. Pachebat LMA le 15 novembre 2012

Plan de la présentation 1 Introduction du problème sur un signal mesuré sur un système non-linéaire 2 Transformée de Hilbert-Huang et fréquence instantanée 3 Le système à l étude : un cas pathologique 4 Comment intégrer un a priori 5 Interprétation physique des résultats

Soit une membrane, comme NES d un système en pompage non-linéaire... Exemples de déformées de membrane, sollicitée à forte amplitude, mesurées au vibromètre laser et identifiée par analyse de Fourier : 40 composantes... à 84 Hz :

Soit une membrane, comme NES d un système en pompage non-linéaire... Exemples de déformées de membrane, sollicitée à forte amplitude, mesurées au vibromètre laser et identifiée par analyse de Fourier : 40 composantes... à 168 Hz :

Soit une membrane, comme NES d un système en pompage non-linéaire... Exemples de déformées de membrane, sollicitée à forte amplitude, mesurées au vibromètre laser et identifiée par analyse de Fourier : 40 composantes... à 252 Hz :

Soit une membrane, comme NES d un système en pompage non-linéaire... Ces exemples caractérisent certaines difficultés rencontrées sur les signaux réels : Signaux non-stationnaires en temps (comment concilier courtes fenêtres temporelles et résolution fréquentielle?) Systèmes non-linéaires (distortion harmonique, fluctuations fréquentielles intra-cycliques) Analyse de Fourier non satisfaisante (pas d interprétation des représentations) Une bonne base doit être : complète : precision du développement orthogonale : positivité de l énergie locale : identifer tous les évènements,a = A(t),f = f(t) adaptative : la base ne peut ête prédéterminée

Une représentation possible : la Transformée de Hilbert-Huang - HHT 1 La HHT est caractérisée par 3 étapes : Décomposition modale empirique (EMD) du signal en une suite de fonctions déterminées à partir du signal, les IMFs (Intrinsic Mode Functions) Transformée de Hilbert pour chaque IMF et définition du signal analytique Calcul de la fréquence instantannée Une IMF satisfait deux propriétés : 1 Maxima > 0 et minima < 0 2 Moyenne locale des enveloppes des maxima et des minima nulle L EMD se fait par tamisage (sifting) du signal par extraction successive des composantes hautes fréquences que contient le signal pour aboutir à un résidu quasi-continu et/ou négligeable. Les difficultés viennent de l identification des extrema, de la non-linéarité du tamisage (double itération sur les enveloppes des extrema et les IMFs) et de la propagation des erreurs. La représentation ainsi bâtie est souvent parcimonieuse (entre 2 et 10 IMFs) et permet une interprétation physique des IMFs. 1. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis. N. Huang et al., Proc. R. Soc. Lond. A (1998), 454, 903-995.

Transformée de Hilbert, signal analytique et fréquence instantannée Par définition, la transformée de Hilbert y(t) d un signal x(t) quelconque (dans L p ) est donnée par H(x(t)) = y(t) = 1 + π P x(t ) t t dt Par exemple H(sin(t)) = cos(t). On obtient alors le signal analytique 2 z(t) = x(t) + ıy(t) = A(t) exp(ıφ(t)), A(t) = On définit alors la fréquence instantanée 3 par x(t) 2 +y(t) 2,φ(t) = arctan(y(t)/x(t)) f(t) = 1 dφ(t) = 1 x(t)y (t) x (t)y(t) 2π dt 2π x(t) 2 +y(t) 2 Hypothèse 1 : signal monocomposante (les IMFs sont construites pour cela) Hypothèse 2 : théorème de Bedrosian 4 Pour que la TH génère la composante en quadrature, le signal doit satisfaire : si x(t) = A(t) cos(φ(t)), alors y(t) = A(t)sin(φ(t)) ssi le spectre de A(t) est borné par f 0 (BF) et celui de cosφ(t) existe au delà de f 0 (HF) 2. Theory of communication. D. Gabor. Proc. IEE. Vol 93. (III), 429-457, 1946. 3. The fundamental principles of frequency modulation. B. Van der Pol. Proc. IEE. Vol 93. (III), 153-158, 1946. 4. Estimating and Interpreting the Instantaneous Frequency of a Signal-Part 1 : Fundamentals & Part 2 : Algorithms and Applications. B. Boashash. Proc IEEE. Vol 80. (IV), 520-538 & 540-568. 1992.

Le syste me expe rimental a l e tude Syste me TET de veloppe au LMA : couplage en un milieu acoustique et une membrane (NES) en non line aire. Exemple de signal observe et analyse : niveau d excitation a la limite du seuil de pompage, (membrane h = 0, 4 mm, R = 2 cm, 15 termes dans la se rie de Fourier) FFT [x(t)] -20-40 -60-80 -100-120 400 801 1202 1603 2003 2404 Hz

Un défaut de la HHT... Signal patholgique pour la HHT, on identifie 1 seule IMF (et un terme continu) : 1.5 0.5 0.5-0.5 500 1000 1500 2000-500 1000 1500 2000-1.5-0.5 0.2 0.1-500 1000 1500 2000-1.5-0.1-0.2 l IMF identifiée ne sépare pas les BF et HF 5 du signal A(t)cos(φ(t)), 2πf(t) = φ (t)... 2.5 2.0 IMF 1 : A(t) 300 250 IMF 1 : f(t) IMF1 0 49 548 1046 1544 2043 Hz FFT[A(t)] -20 FFT[Cos(F)(t)] 1.5 200 150-40 100-60 0.5 50-80 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Une solution : ôter du signal la porteuse due au forçage périodique et traiter le résidu 5. A Spectral Approach for Sifting Process in Empirical Mode Decomposition. O. Niang et al., IEEE Trans. on Sig. proc., Vol. 58, NO. 11, November 2010, 5612-5623.

...corrigé par l introduction d un a priori On identifie le terme A 0 +A 1 cos(2πf f t +φ 1 ) de forçage f f = 84 Hz connu. On obtient A 0 = 0,002 m/s, A 1 = 1,41 m/s et φ 1 = 0,089 rad. v (m/s) Signal brut v (m/s) IMF 1 0.4 0.2 0.5 t 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30-0.2 500 1000 1500 2000-0.5-0.4 - v (m/s) 0.6 IMF 2-1.5 0.4 0.2 v (m/s) 1.5 Porteuse et résidu -0.2 500 1000 1500 2000-0.4-0.6 0.5 v (m/s) t 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.20 0.15 IMF 3-0.5 0.10 0.05 - -0.05 500 1000 1500 2000-0.10 On identifie nettement 3 IMFs.

Analyse des résultats a(t) m/s f(t) Hz 500 400 0.8 0.6 0.4 300 200 252Hz 168 Hz 0.2 100 84 Hz 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 t 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 t Pas de terme continu La porteuse à la fréquence du forçage est corrigée par une faible fluctuation Les IMFs révèlent deux composantes à 2 f f et 3 f f de fréquences instantanées qui fluctuent assez fortement

FFT[A(t)] FFT[Cos(F)(t)] FFT[A(t)] FFT[Cos(F)(t)] FFT[A(t)] FFT[Cos(F)(t)] Analyse des résultats a(t) m/s f(t) Hz 500 400 0.8 0.6 0.4 300 200 252Hz 168 Hz 0.2 100 84 Hz 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 t 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 t IMF1 IMF2 IMF3-20 -20-20 -40-40 -40-60 -60-80 -60-80 241 483 724 966 1207 1449 1691 1932 Hz -100 241 483 724 966 1207 1449 1691 1932 Hz -80 241 483 724 966 1207 1449 1691 1932 Hz L amplitude et la fréquence instantanées de chaque IMF montrent une fluctuation au cours du temps. Les spectres de A(t) et de cosφ(t) se croisent au voisinage de l origine et montrent en HF un décalage de près de 20 db qui valide les hypothèses du théorème de Bedrosian

Analyse des résultats 500 Hz V (m /s) U (m) f(t) Hz 500 400 300 200 252Hz 168 Hz 400 300 200 100 84 Hz 168 Hz 252 Hz IMF 1 IMF 2 IMF 3 100 84 Hz t 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.095 0.100 0.105 0.110 0.115 0.120 t Les maxima de fréquence au cours d un cycle correspondent au maxima du déplacement (et de tension) de la membrane : la dynamique de la membrane change au cours du cycle 6 Non symétrie des extrema de fréquence au cours d un cycle : asymétrie du système (effet Döppler ±1Hz)? Léger décalage temporel des extrema de l IMF2 : présence d hystérésis? 6. Un oscillateur de Duffing ẍ + x + ǫx 3 = acosωt peut être vu comme un oscillateur linéaire dont la rigidité varie avec sa position et atteint son maximum au maximum d amplitude ẍ + x(1 + ǫx 2 ) = acosωt.

La même membrane sous un régime différent Niveau de forçage doublé (17 termes dans la série de Fourier) On identifie le terme A 0 +A 1 cos(2πf f t +φ 1 ) où f f = 84 Hz : A 0 = 0,003 m/s, A 1 = 1,77 m/s 7 et φ 1 = 0,92 rad. 600 500 Hz V(m/s) U(m) 84 Hz 168 Hz 252 Hz 336 Hz 400 300 IMF 1 IMF 2 IMF 3 IMF 4 200 100 0.095 0.100 0.105 0.110 0.115 0.120 t(s) On observe ici 4 IMFs à 1,2,3,4 f f avec les mêmes commentaires que précédemment Les IMFs à f f et 2 f f ont des comportements temporels identiques. Seuls changent les termes d ordre élevé, indiquant une non-linéarité de plus en plus marquée. 7. L amplitude vibratoire a augmenté de 25%.

Commentaires HHT : méthode d analyse de signal bien adaptée aux signaux non-stationnaires et aux systèmes non-linéaires Représentation parcimonieuse du système Réglage des paramètres de l EMD délicat (résultats parfois déconcertants) Permet une interprétation physique des résultats Introduire de l a priori est simple et améliore grandement l efficacité de l EMD...... mais en limite le champ d application.

Des questions?

Annexe. Ré-examen des résultats de Huang 1 N. Huang (1998) : oscillateur de Duffing ẍ x +x 3 = 0,1cos2π/25t : 1.5 Oscillateur deduffing : x(t) 0.5 0.0-0.5 - -1.5 0 20 40 60 80 100 120 140 1.5 0.5-0.5 - -1.5 IMF 1 200 400 600 800 0 IMF1 0 FFT A (t) Hz IMF 2-20 FFT Cos [F(t)] 0.05-0.05 200 400 600 800-40 IMF 3-60 0.015 0.010 0.005-0.005-0.010-0.015 200 400 600 800-80 Pas de séparation BF-HF : problème!

Annexe. Ré-examen des résultats de Huang 2 Ôtons la porteuse : A 0 +A 1 cos(2πf f t +φ 1 ) où f f = 2,632/25 Hz, A 0 = 0,0015, A 1 = 1,24 et φ 1 = 0,51 rad. 0.5-0.5 20 40 60 80 100 120 140-0.3 0.2 0.1-0.1-0.2-0.3 0.4 0.2-0.2-0.4 500 1000 1500 500 1000 1500-20 -40 IMF1 FFT A (t) FFT Cos [F(t)] 0.05-0.05 500 1000 1500-60 0.06 0.04 0.02-0.02-0.04-0.06 500 1000 1500-80 -100 0 1 2 Hz Séparation BF-HF...