A connection between time domain model
- rder reduction and moment matching
Manuela Hund
joint with Jens Saak
September 2, 2016
Partners:
A connection between time domain model order reduction and moment - - PowerPoint PPT Presentation
A connection between time domain model order reduction and moment matching Manuela Hund joint with Jens Saak September 2, 2016 Partners: Introduction Model order reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
joint with Jens Saak
Partners:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 2/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Er = V T EV ∈ Rm×m Ar = V T AV ∈ Rm×m Br = V T B ∈ Rm×p Cr = CV ∈ Rq×m
A connection between time domain MOR and moment matching 2/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Er = V T EV ∈ Rm×m Ar = V T AV ∈ Rm×m Br = V T B ∈ Rm×p Cr = CV ∈ Rq×m
A connection between time domain MOR and moment matching 2/24
[JIANG/CHEN 2012]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 3/24
[JIANG/CHEN 2012]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(∀i : vi ∈ Rn, wi ∈ R, gi : [t0, tf ] → R)
m−1
m−1
m−1
A connection between time domain MOR and moment matching 3/24
[HUND 2015]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(∀i : vi ∈ Rn, wi ∈ R, gi : [t0, tf ] → R)
m
m
A connection between time domain MOR and moment matching 3/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 1 (Differential recurrence formula)
[HUND 2015]
A connection between time domain MOR and moment matching 4/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 1 (Differential recurrence formula)
[HUND 2015]
A connection between time domain MOR and moment matching 4/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 1 (Differential recurrence formula)
[HUND 2015]
A connection between time domain MOR and moment matching 4/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 1 (Differential recurrence formula)
[HUND 2015]
A connection between time domain MOR and moment matching 4/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
H = E − β1A −γ2A · · · · · · · · · −α1A E − β2A −γ3A ... . . . −α2A E − β3A −γ4A ... . . . . . . ... ... ... ... ... . . . . . . ... ... ... ... . . . ... ... ... −γmA · · · · · · · · · −αm−1A E − βmA , v = v1 . . . vm , f = Bw1 . . . Bwm .
A connection between time domain MOR and moment matching 5/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
H = E − β1A −γ2A · · · · · · · · · −α1A E − β2A −γ3A ... . . . −α2A E − β3A −γ4A ... . . . . . . ... ... ... ... ... . . . . . . ... ... ... ... . . . ... ... ... −γmA · · · · · · · · · −αm−1A E − βmA , v = v1 . . . vm , f = Bw1 . . . Bwm .
A connection between time domain MOR and moment matching 5/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
H = − β1A γ2A · · · · · · · · · α1A β2A γ3A ... . . . α2A β3A γ4A ... . . . . . . ... ... ... ... ... . . . . . . ... ... ... ... . . . ... ... ... γm−1A · · · · · · · · · αm−2A βm−1A + E · · · · · · ... ... . . . . . . ... ... ... . . . . . . ... ... · · · · · · E
A connection between time domain MOR and moment matching 6/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds: e.g. [HORN/JOHNSON 1991]
Sylvester equation:
A connection between time domain MOR and moment matching 7/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 2 (Duality theorem) e.g. [VANDENDORPE 2004]
A connection between time domain MOR and moment matching 8/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorem 2 (Duality theorem) e.g. [VANDENDORPE 2004]
Theorem 3
[HUND 2015]
A connection between time domain MOR and moment matching 8/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 9/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 9/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 9/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sylvester equation using Laguerre polynomials
A connection between time domain MOR and moment matching 10/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sylvester equation using Laguerre polynomials
Necessary: Full rank of observability matrix
!
A connection between time domain MOR and moment matching 10/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 11/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(1,:)
A connection between time domain MOR and moment matching 11/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(1,:)
(1,:)
A connection between time domain MOR and moment matching 11/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(1,:)
(1,:)
Aim
A connection between time domain MOR and moment matching 11/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
2
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
2
1
1
1
1
1
1
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
1
n − 1
k
k − 1
k
3
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
1
n − 1
k
k − 1
k
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
1
n − 1
k
k − 1
k
1
2
m−1
1
m−2
1
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
It holds e.g [KNUTH 1969]
n
1
n − 1
k
k − 1
k
1
2
m−1
1
m−2
1
A connection between time domain MOR and moment matching 12/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(1,:)
(1,:)
(1,:)
1
2
m−1
1
2
m−1
1
2
m−1
A connection between time domain MOR and moment matching 13/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
m(m+1) 2
m(m+1)(m+2) 6
m(m+1) 2 m(m+1)(m+2) 6
m−1
A connection between time domain MOR and moment matching 13/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
m(m+1) 2
m(m+1)(m+2) 6
m(m+1) 2 m(m+1)(m+2) 6
m−1
A connection between time domain MOR and moment matching 13/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 2 sin
2
2
A connection between time domain MOR and moment matching 14/24
[SAAK 2009]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure: visualized triple chain example
A connection between time domain MOR and moment matching 15/24
[SAAK 2009]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2
A connection between time domain MOR and moment matching 16/24
[SAAK 2009]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2 IRKA-OO
A connection between time domain MOR and moment matching 16/24
[SAAK 2009]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2 IRKA-OO IRKA BT
A connection between time domain MOR and moment matching 16/24
[SAAK 2009]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hermite (m = 24) Laguerre Legendre,Chebychev 10−2 10−1 100 101 102 total time [s]
simulation time reduction time H\f Syl∗ H\f Syl∗ H\f Syl∗
0.44 0.02 0.74 0.13 39.44 0.17 * [BENNER/K¨ OHLER/SAAK 2011]
A connection between time domain MOR and moment matching 17/24
[PENZL 1999]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A = A1 A2 A3 A4 ∈ R1006×1006
10 20 30 40 Magnitude (dB) 10 1 10 2 10 3
45 90 Phase (deg) Bode Diagram Frequency (rad/s)
where A1 = −1 100 −100 −1
A2 = −1 200 −200 −1
A3 = −1 400 −400 −1
A4 = diag(−1, . . . , −1000) ∈ R1000×1000, BT = C = [6 . . . 6
6
1 . . . 1
1000
] ∈ R1×1006.
A connection between time domain MOR and moment matching 18/24
[PENZL 1999]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−12 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2
A connection between time domain MOR and moment matching 19/24
[PENZL 1999]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−12 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2 IRKA-OO
A connection between time domain MOR and moment matching 19/24
[PENZL 1999]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 10 15 20 25 30 35 40 10−12 10−9 10−6 10−3 100 103
reduced order m
y
Hermite Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2 IRKA-OO IRKA BT
A connection between time domain MOR and moment matching 19/24
[PENZL 1999]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hermite (m = 24) Laguerre Legendre,Chebychev 10−2 10−1 100 101 total time [s]
10−2 10−1 100 101 simulation time reduction time H\f Syl∗ H\f Syl∗ H\f Syl∗
0.1 0.01 0.1 0.03 0.19 0.05 * [BENNER/K¨ OHLER/SAAK 2011]
A connection between time domain MOR and moment matching 20/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical Problems
A connection between time domain MOR and moment matching 21/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical Problems
Remark
A connection between time domain MOR and moment matching 21/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical Problems
Remark
−50 50 −50 50
Re(λ) Im(λ)
Spectrum m = 40 (original) Laguerre Legendre Chebychev1 Chebychev2 −2 2 −500 500
Re(λ) Im(λ)
Spectrum m = 40 (variation)
A connection between time domain MOR and moment matching 21/24
Conclusions
A connection between time domain MOR and moment matching 22/24
Conclusions
Outlook
A connection between time domain MOR and moment matching 22/24
H2-model order reduction, Preprint MPIMD/11-11, Max Planck Institute Magdeburg, Dec. 2011.
Algebra and its Applications, 174 (1992), pp. 13–23.
Technische Universit¨ at M¨ unchen, 2009.
University Press, Cambridge, 1991.
Otto-von-Guericke Universit¨ at Magdeburg, 2015. Y.-L. Jiang and H.-B. Chen, Time domain model order reduction of general
Control, 57 (2012), pp. 330–343.
A connection between time domain MOR and moment matching 23/24
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