Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 1 ,  Febr u a r y   201 6,  pp . 16 7 ~ 17 I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 1.8 694          1 67     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Identification of Nonlinear Sy stem s Struct ured by Wiener- Hamm erstein M o del      A Br ouri,  S Sl assi   ENS A M,  AEEE Departm ,  L2MC,  Moula y   Ism a il  Universit y ,  Mek n es, Moroc c o       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  J u l 12, 2015  Rev i sed  O c t 25 , 20 15  Accepted Nov 16, 2015      Wiener-Hammerstein s y stems consist  of a series connection including  nonline a r s t ati c  elem ent s a nd wiched with t w o linear s ubs ys tem s . The   problem of identif y i ng Wien er -Hammers tein m odels is addressed in the   presence of hard  nonlinearity   an d two linear sub s y s tems of structure entir e ly   unknown (as y mptotically  s t able) .  Furtherm ore, the static nonlinearity   is not  required  to be invertib le. Given th e s y s t em nonparametric nature, the  identif ic ation  pr oblem  is presen tl y de alt with  b y  d e veloping  a two-stage  frequency  id entification  met hod involving simple inputs.   Keyword:  Hard  no n lin earity   Freq u e n c y syst e m  id en tificatio W i en er  mo d e ls  Hammerstein  m o d e ls   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Ad il Brou ri,    Depa rtem ent of AEEE,  ENSAM, L2 M C , Mou l ay Ismail Un iv ersity,  EN SA M, Mar j an 2 ,  B P   4 024, Mekn es, Moro cco.  Em a il: a.b r ou ri @en s am -u m i .a c.m a  & b r o u ri_ad il@yaho o.fr       1.   INTRODUCTION  W i en er-Hammerstein  syste m s co n s ist o f  a  series  connecti on incl udi ng a  nonlinear static ele m ent  sand wich ed   wi th  two lin ear su b s ystem s  (Fig ure  1 ) . Acco rd ingly, this structureof m ode ls can be  vie w ed as a   gene ral i zat i o n   of  Ham m erst ei n an d   W i e n er  m odel s  an d s o  i t  i s  e x pect ed t o  feat ure  a  su peri or  m odel i n g   cap ab ility. Th i s  h a s b e en  confirm e d  b y  sev e ral practical ap p licatio n s  e.g.  p a ralyzed sk el etal  m u scle d y n a m i cs   [1 ]. No te th at, th e in tern al sig n a ls:  v ( t ),  w ( t ),  x ( t ) an ξ ( t ) are not accessible to m e a s urem ents. The only  m easurabl e   si g n al s are  t h sy st em  i nput   u ( t )  an ou tpu t   y ( t ).   As a  m a tter o f  fact,  W i en er-Hammerstein  syste m s are  mo re d i fficu lt to  id en tify th an   th e si m p ler  Hammerstein  an d   Wien er mo d e ls. Th e com p lex i t y  o f  the fo rm er lies i n  th e fact th at th ese syste m in vo lv tree internal si gnals  not acce ssible to m eas urem ents,  whe r eas the latter only invol ve two. The n , it is not  surprisi ng that  only a  fe w m e thods  ar a v aila ble  that deal with W i e n er-H ammerstein  syst e m  id en tificatio n.  The a v ai l a bl e m e t hods  ha ve  been  de vel o pe d f o l l o wi n g  t h r ee  m a i n  app r o aches i . e. i t e rat i ve n onl i n ea r   opt i m i zati on  pr oced u r es e. g.  [ 2 ] - [ 3 ] ;  st oc hast i c   m e t hods  e. g.  [ 4 ] - [ 5 ] ;  fre q u e n cy  m e t hods  [ 6 ] - [ 9 ] .   R o u g h l y , t h e i t e rat i v e m e t h o d s (e .g . [ 2 ] - [ 3 ] )  necessi t a t e  a l a rge am ount   of  dat a ;  si nce com put at i o n   tim e  and m e mory usa g e drast i cally increase, and ha ve  local  convergence properties  wh ich  n ecessitates th at  a   fairly accurate param e ter esti mates are avail a ble to initia liz e the search process. Th is pri o r knowle dge i s  not  requ ired  in  stoch a stic  m e th o d s b u t  th ese are  g e n e rally relied  on  sp ecific assu m p tio n  on  th e in pu t sign als (e.g.  g a ussian ity, p e rsisten t  ex citatio n....) and  on  syste m   m o d e l (e.g . M A  lin ear su bsyste m s , sm o o t h  n o n lin earity).  The f r eq ue ncy  m e t hods are  ge neral l y  appl i e d  t o  no npa ram e tri c  sy st em s under m i nim a l  assum p t i ons an d onl y   requ ire  sim p le  p e ri o d i c ex citatio n s . Bu t, t h ey so m e ti m e  necessi t a t e  several  dat a   gene rat i o n e xpe ri m e nt s.  The p r ese n t  i d ent i f i cat i o m e t hod i s  q u i t e di ffe rent   of  pre v i o us f r e q uency  m e t hod s. I n  [ 3 ]  t h i d ent i f i cat i o n   m e t hods  re qui r e  a s p eci al  desi gn  o f  t h e i n p u t   si gnal .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :  16 7 – 17 6   16 8 In [ 9 ]  t h e i d en t i f i cat i on  m e t hod i s  base d o n  t h e best  l i n ear app r o x i m ati on t echni que  us i ng cl ass o f   Gaus sian (-like) signals. In [10], th e a u thors show that there are m a ny  local minim a , the estim a tion m u st  to  be re peat ed s e veral  t i m es  wi t h  di ffe rent  st art i ng  va lues to increa se  the cha n ces  of  finding a  m odel  cor r es po n d i n t o  a g o o d  l o cal  m i nim u m .  In [ 11] , a n  a p pr oa ch  based  o n  t h e st anda r d  S V M  fo r re g r essi on  was  p r esen ted. Th e qu ite poo r resu lts ob tain ed  i n  t h at work  hi ghl i g ht ed  s o m e  o f  t h e l i m it ati ons  o f  t h e m e tho d .   I n   part i c ul a r , o n l y  a NFIR  m o del  st ruct ure  was t a ke n i n t o  acco u n t ,  w h i c h di not   pe rf orm  wel l  si nce t h con s i d ere d   sy st em  has a l o ng  im pul se res p o n se.  A not her  p r o b l e m  was gi ven  by  t h hi g h  c o m put at i o n a l  t i m e   and m e m o ry  usa g e, w h i c m a de i t  di ffi c u l t  t o  w o r k   wi t h  a l a r g am ount   of  dat a . Seve ral  S V M - l i k approaches (e.g.  [12]-[13]), base on the l east squa res SVM (LSSVM ),  are c h aracterized by a ve ry  high  num ber of   pa ra m e t e rs.          Fi gu re 1.  W i e n er- H am m e rst e i n   M o del   st ruct ure           Fig u re  2 .  Hard  n o n lin earity with  prelo a     In  t h i s   pa per,  a f r eq ue ncy - dom ai n i d e n t i f i cat i on  sche m e  i s  desi g n e d   fo Wi ene r - H am m e rst e i n   sy st em s i nvol v i ng t w o  l i n ea sub s y s t e m s  (asym p t o t i cal l y  stabl e o f  e n t i r el y  un k n o w n st r u ct u r e,  u n l i k m a ny  pre v i o us  w o r k s. Q u i t e  a fe w  pre v i o us  st u d i es have  deal t  wi t h   bl oc k- or i e nt ed sy st em s (o f a n y  t y pe)  t h at   in vo lv e p i ecewise affin e  non lin earities (Fig ure  2 )  th at  are, po ssi b l y d i sco n tinuo us and   o f  a  p r i o ri  un kno wn  structure. T h syste m  nonline a rity can have several e ffect [6]. In  particul ar, it  m a y contain a saturation effect   or  dead z one . One  key  co nt ri but i o n o f  t h e p r esent  w o rk i s   to  sho w  th at the syste m   id en tificatio n  is po ssib le  wi t h o u t  passi n g  by  an o r t h og onal  seri es e x p a nsi o n o f  t h e ( pos si bl y )  di sc o n t i n u o u s i n put   no nl i n ea ri t y . Gi ven   th e syste m  n o n p a ram e tric n a tu re, th e id en tificatio n  prob le m is p r esen tly d ealt with  b y   dev e lop i ng  a two - stag fre que ncy  i d e n t i f i cat i on m e t hod . Fi rst ,  t h e i d ent i f i cat i o n o f  sy st em  nonl i n eari t y  can  be  achi e ve by  us i ng a   set o f  co nstan t  p o i n t s. Th en, th e lin ear subsyste m s  can  be d ealt b y  d e velo p i ng  a  frequ en cy id en tificatio n   m e t hod.    Th o u tlin o f   th e rem a in in g   p a rt  o f  t h is p a p e r con s ists of 4  section s . The id en tification p r ob lem   is   fo rm all y  descr i bed i n  Sect i o 2. Sect i on  i s  dev o t e d   to  t h e id en tification   o f  t h e system  n o n lin ear el e m en t.  Th e lin ear sub s yste m s  id en tificatio n  is  d i scu s sed  i n   Section  4 .  Sim u latio n s   are p r esen ted  in   Section  5 .       2.   IDENTIFICATION  PROBLEM  ST ATE M ENT   We a r e i n terest ed i n  system s that ca be  des c ribe by the   W i e n e r -Hammerstein st ruct ure (Fi g ure  1)  with  h a rd  no n l i n earity  (Figu r 2)  w ith  k now seg m en ts  nu mb er  q . Th is m o d e l is an alytically d e scrib e d   by th fo llowing  equ a tio n s :     v ( t )= g i ( t )* u ( t ) ( 1 a)     () () * ( ) () i vt g t u t wt f f    (1 b)     () () () * ( ) ( ) ( ) * ( ) oo vt yt g t w t t g t f t  (1c )   whe r g i ( t ) L -1 ( G i ( s ))  an g o ( t ) L -1 ( G o ( s )) a r e the i nve rse L a place tra n sform  of  G i ( s ) a n G o ( s ) (res p ectively ) * r efers t o  th e co nvo lu tion  op eratio n.  The linear subsystem s  are of e n tirel y unknown st ructure. T h ere are only   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Id en tifica tio n  of  No n lin ea r S y stems S t ru ct u r ed  b y   Wien er-Hammerstein  Mod e l   (Ad il Bro u r i)   16 9 suppose d to be asym ptotically stable  (because syste m  ide n tification is ca rried  out in open  loop) and with  no nze r o st at i c  gai n  (i .e 0 ) 0 ( i G  and  0 ) 0 ( o G ). Also, not e  that the nonzer o st at i c - g ai n re qui rem e nt i s   satisfied by m o st real life syste m s.  In fact, only derivative  syste m m a ke  an exce ption that can be coped with  usi n g a d - h oc a d apt a t i o ns  of  t h e m e t hod  de v e l ope d i n  t h i s   p a per .   Fo r a  p r o b l em  o f  id en tifiab ility, at least o n e o f  non lin eari t y seg m en t h a s no n z ero slop e. Th e ex tern al  n o i se  () t  i s  su p pos ed  t o  be a  zer o-m ean st at i o nary  se que nce  o f  i n de pen d e n t  ra n d o m  vari abl e s an d e r g o d i c .   Let  mM uu  b e  th e work i n g  in terv al.  Th e prob lem  c o m p lex ity a l so  lies  in  th e fact th at th e in ternal   si gnal s  a r n o t  uni quel y   de fi ne d f r o m  an i n p u t - o u t p ut   vi ew poi nt In  effect ,  i f    () , ( ) , () io Gs f v G s  is  represen tativ e o f  th e system th en , an y   m o d e l o f  the fo rm   12 1 2 ( ) /  ,  ( )  ,  ( ) / io Gs k k f k v G s k  is  also  represe n tative whate v er the real num bers  1 0 k  and  2 0 k   (Fig ure 3). To   g e t b e n e fit o f  m o d e l p l u r ality,  t h ese c onst a nt s  can  be c h ose n   as f o l l o w s :   2 (0) o kG   and  1 (0 ) i kG .   Accord ing l y, th e system  to  be id en tified  is  d e scri b e d b y  t h e tran sfer fun c tio n s :     () () / ( 0 ) ii i Gs Gs G ;   () () / ( 0 ) oo o Gs Gs G (2a )     and the  nonli n earity:    () ( 0 ) ( 0 ) oi f xG f G x   (2 b)     The n , t h e foc u s m odel is cha r acteri zed   b y  the fo llo wi n g  pro p e rties:    (0 ) ( 0 ) 1 io GG  (3 )     Equ a tio n   (3) i m p l ies th at, if  u ( t ) i s  c o nst a nt  t h en t h e st e a dy -st a t e  u ndi st ur bed  o u t p ut   x ( t ) de pe nd s   o n l o n  th e i n pu t v a l u e an d the no n lin earity  f (.). Sp ecifically, let:     () ut U   fo r    0 r kT t   ,  with   k> 1 (4 )     whe r k  is an y in teg e r and  T r  is co m p arab le to  th e syste m  rise t i m e.  Th en , th e in tern al sig n a x ( t ), in  th e   steady-state, is  of the  form  of:    () ( ) x tf U (5 )                                  Fig u re 3 .  W i ener-Hammerstein   Mod e m u lti p licity       3.   IDENTIFICATION OF SYSTEM NONL INEARIT Y   Th Wien er-Ha m m e rstein  syste m  is ex cited b y  a set of con s tan t  i n pu ts  1 () ; ; N ut U U , whe r the num b er  N   is arbitrarily c hos en by t h user and  12 N UU U  . Afterward, using the  fact that () () () yt x t t  , it is read ily o b t ain e d fro m  (5 ) t h at,  t h steady state of the system  output  y ( t ) ca be   expresse d as  follows:     () ( ) ()    w h e r e    1 ; ; j yt f U t j N  (6 )           x ( t v ( t u ( t )   ( t )   f (.)   w ( t y ( t )   k 1   k 2   The nonlinearity of  the    transformed syste m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :  16 7 – 17 6   17 0 Hence ,  t h e es tim a te of  () j f U , f o r a n y  i n put   j U , can  be  rec ove red  by  a v e r ag i ng  y ( t ) on  su fficien tly larg e in terv al (the n o i se  () t   is zero-m ean). T h e above res u lts  su gg est th e fo llo wi n g  estim at o r   fo f (. ) :     0 1 ˆ ˆ () ( ) ( ) r jj r kT f UX k y t d t kT   (7 )     with   1 j N . Acc o r d i ngl y ,  a n u m b er of  poi nt s o f  t h e n onl i n ea r fu nct i o f (.) can thus  be accurately   esti m a ted  (i.e. th e resu ltin g  syste m , in  th e stead y state, b o ils d o w n  to  t h e lin earity p a rt  f (.)) . T h is y i elds th e   fo llowing  statemen t:     Prop osi t i o n 1   The c o upl of  p o i n t s    ˆ () , jj UX k ,  fo 1 j N , d e term in ed  i n  th e Non lin earity Esti m a to r,  co nv erg e  (in pro b a b ility) to  the traj ect o r o f   f (.) .     Accord ing l y, fro m  (7 ), on gets esti m a tes o f   N  po in ts  ,( ) jj Uf U   bel o n g i n g t o   f (. ). Furt herm ore,  t h larg er th p a rameter  N  is, the  better estim a t ion accuracy.  The n by  succ essively conne cting all avail a bl e   poi nt  (, ( ) ) ; 1 jj Uf U k N , a pi e cewi s e affi ne  app r oxi m a t i on of  f (. ) is o b tained.  If the  num ber o f   o b t ain e d seg m en t is less th an  q th e n o n lin ear  system   is  excited   b y  o t her co nstan t  in pu ts. Fin a lly, let  c h oo se  any se gm ent  l  o f  th e i d en tified   n o n lin earity with   n o n z ero slo p e .       4.   LINEAR SUB S YSTE MS IDENTIFICATION  In t h i s  sect i o n ,  an i d e n t i f i cat i on m e t hod i s  pr op ose d  t o  obt ai n est i m at es of t h e c o m p l e x gai n   co rresp ond ing   to  th e two  lin ear sub s ystem s   () i Gj   and  () o Gj for a  set of  fre quencies   1 ; ... ; m . Le t  () a r g ( ) ii Gj    and   () a r g ( ) oo Gj  . Fo r si m p l i city, we  p r esen tly su ppo se th at th e no n lin earity   id en tificatio n hav e   b een exactly d e term in ed Th en , let  d e fi ne th v a riab les  (fo r  an ω ):     () () () io   (8a )     () () () io Gj G j G j  (8 b)     Th e sub s ystem id en tification   can   b e  im p l e m en ted  i n  two   stag es:   Firstly, an ac curate estim ates of  () k Gj   and  () k ,  fo r a n y  f r eq uency   1 ;. . . ; km  , can  be  d e term in ed The i d e n t i f i cat i on  pr obl em  unde r st u d y  i s  deal t  usi n g a  m e t hod  base on t h e f r eq ue n c y  appr oac h .   Th e Wien er-Ha m m e rstein   syste m is  ex cited  with   a g i v e n  sin e   inpu t:    () s i n ( ) ok ut u U t  (9 )     whe r e t h e am plitude  0 U   is a priori sm all value.  The c h oice of  u o  ca be  per f o r m e d usi n g t h e  ex peri m e nt al   dat a  o f   n onl i n e a ri t y  est i m a ti on.  It  ca n t a ke  a n y  val u e i n  t h e  vi ci ni t y  fr om  t h e ce nt er  of  se gm ent   l . The n as the  lin ear su bsystem   G i ( s ) is asy m p t o tical ly sta b le, it fo llows  fro m  (3)-(9),  one h a s in  t h e stead y  state:    () ( ) s i n ( ( ) ) oi k k i k vt u U G j t   (1 0)     If  v ( t spa n o n l y  t h e ch ose n  s e gm ent ,  one   ge t s :     w ( t S * v ( t P * (1 1)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Id en tifica tio n  of  No n lin ea r S y stems S t ru ct u r ed  b y   Wien er-Hammerstein  Mod e l   (Ad il Bro u r i)   17 1 whe r S i s  t h e  sl ope of se gm ent   and  P is th e v a lu e o f   w ( t ) whe n   () 0 vt . In practice, this case can be  easily d e tected  b y  a si m p le in sp ection  of th e o u t pu t sign al.  Fo r a sm all v a lu e o f  the am p litu d e   U , the st eady   st at e of sy st em  out put   y ( t ) i s   a si ne si g n al  ( up t o  n o i s e) . A s  so on as v ( t spa n s at least two se gm ents,  y ( t ) is  not  a si ne si g n a l .  Acc o r d i n gl y ,  a j udi ci o u choi ce  fo U  c a n be  gi ven  p r act i cal l y . Then , fr om  (10 ) - ( 1 1) , t h in tern al si gn al  w ( t ) is  written  i n  th e fo llowing fo rm :     ** * () ( ) s i n ( ( ) ) ik k i k o wt U S G j t S u P   (1 2)     As the lin ear su b s ystem () o Gs is asym p t o tical ly sta b le, it fo llows  fro m  (1 2)  an ( 8 a- b)  t h at, t h steady state  un di st u r be d o u t put   x ( t ) ca be  expres sed as  follows:       ** * () ( ) s i n ( ) ok k k xt S u P U S G j t   (1 3)     Fin a lly, as  () () () yt x t t  , one i m m e d i atel y g e ts:     * () ( ) s i n ( ) ( ) kk k o yt U S G j t y t   (1 4)     whe r e:     ** oo yS u P  (1 5)     On th o t h e han d recall th at sin e  si g n a ls  that o s cillate at th e sam e  freq u e n c y as  si n ( ) kk t   an ha vi n g   th e am p litu d e   U  a r of t h form   () s i n k zt U t  (1 6)     whe r IR  is arbitrary and  IR  de notes the set  of real  num b er s.  It is  readily seen that:     () sin ( ) ( ) k kk Ut z t    (1 7)     Let  ,, ko Uu C  is t h p a rameterized  lo cus con s titu ted of all  p o i n t o f   co ord i n a tes  () , ( ) zt x t . T h ese c u rves  are   viewe d  as  a  ge neralization of  the Lissa jous c u rves   use d  i n  l i n ear  sy st em  freque ncy  a n al y s i s  [ 5 ] .   Th ese i d eas are fo rm alized  in  th fo llowing   p r op o s ition :     Prop osi t i o n 2   C onsi d er t h W i e n e r - H am m e rst e i n  sy st em  descri bed  by  equat i o ns  (1a - c) an d exci t e d  by  t h e i n p u t   (9 ), with  u 0  and   U  are  judiciously chose n  s o  t h at  t h e sy st e m  out put   y ( t ) i s  si ne si gnal   ( u p t o  n o i s e) . T h en,  o n has:    The l o cus   ,, ko Uu C   is a  lin ear cu rv e if  an d on ly if  ) ( k   (m od ul o   π ).    Ano t h e r k e y idea o f  th e propo sed  ap pro ach   (g etting  b e n e fi t fro m  Pro p o s i tio n  2 )  is to  d e termin e th e   gai n  m odul us  () ( ) () ki k o k Gj G j G j    and t h e phase  () () ( ) ki k o k    by  t uni ng t h e p a ram e t e r    u n til th e lo cus  ,, ko Uu C  sh ows lin ear curv e. Th po in t is th at th e lo cu ,, ko Uu C  depe n d s  on t h e si g n al   () x t  whic h is not accessible to m e asurem ent. Thi s  is pr ese n tly cope with m a king full use  of t h e inform ation  at h a nd n a m e l y  th e p e riod icity (with   p e riod  k / 2 ) o f   bot ) ( t z  and  () x t  and the e r godicity of the noi s () t . Bearing  t h ese in  m i n d ,  the relatio n   ( ) () () yt x t t  sug g e st s th fo llowing esti m a to r:    1 1 ˆ (, ) ( ) M j k x tM y t j T M  ;   [0 , ) k tT   (1 8a)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :  16 7 – 17 6   17 2 ˆˆ (, ) ( , ) k x tj T M x t M     fo r an y in teg e r   0 j ( 18b   whe r 2/ kk T  and  M   is a su fficien tly larg e i n teg e r. Sp ecifically,  for a fixed ti me in stan t   t , th q u a n tity  ˆ (, ) x tM   tu rn s ou t to   b e  th e m ean  v a lu e of t h e (m easure d ) s e que n ce   () ;   0    1  . . . k yt j T j  . The n , a n  estim ate  ,, , ˆ ko Uu M C  of  ,, ko Uu C  is si m p ly  o b t ain e d  substitu tin g   ˆ (, ) x tM   to   () x t   whe n  c o n s t r uc t i ng  ,, . ko Uu C   Thes e   rem a rk s lead  t o  th e fo llowing propo sitio n :     Prop osi t i o n 3   Co n s i d er th prob lem  state m e n t of  Pro p o s itio n2 . Th en,  o n e  h a s:   1)   ˆ (, ) x tM   conve rge s  i n   probability to  () x t   (as M  ).   2)   ,, , ˆ ko Uu M C   co nv erg e s in   p r ob ab ility to   ,, ko Uu C   (as  M  ) .   On t h e ot her  h a nd , l e t   *  th e co rr esp ond ing  valu e of   and  () k s the  slop of  t h e obtained curve  * ,, . ko Uu C Kn o w i n g t h e s i gn o f   * S , the phase  () k   can be re cove re d m odul o 2 π . Let  us c onsi d er t h e pa ram e t e defi ned  as  fol l ows:     0   if   * sig n ( ) sig n ( ) k Ss else  1 (1 9)     Let  ˆ () M k s  d e no tes th e esti m a te  o f   () k s . T h en, an estim a t e    ˆ ˆ () , ( ) Mk M k Gj    of  () , ( ) kk Gj  can be det e rm ined , one   ha t h us, f o r any  fre q u ency   k   * ,, ˆˆ ˆ ( ) () () Mk i k o k MM   (m odul o π ) (2 0a)     * ,, ˆ () ˆˆ ˆ () ( ) ( ) Mk Mk i k o k MM s Gj G j G j S     ( 20b     5.   SIMULATION   The ide n tification m e thod descri bed i n  this pa per  will now beillustrated by sim u lation usi ng  Matlab / Si m u li n k . Presen tly, th system  is characterized by:     0. 2 () ( 1 ) ( 0. 2) i Gs ss    and  0. 05 () (0 . 1 ) ( 0 . 5 ) o Gs ss    (2 1)     Th e co n s i d ered  non lin ear elemen tis illu strat e d  b y  Fi g u re  4. Th no ise  ξ ( t ) is a seque nce  of  norm ally  di st ri b u t e d ( p s e ud o )  ran d o m   num bers,  wi t h  zero - m ean and  st andar d  de vi at i on  0. 02 . Firstly, th e ai m   is  to  esti m a te th e  syste m  n o n linearity. Th e id en tificatio n  m e t h od   d e scri b e d   in  Sectio n   3  will n o w   b e  applied  and, accordi ngly, the syste m   is successively  excited by  11 N   const a nt  i n put ;1 j Uj N ,  w h er e  th val u es   j U  an d the ob tain ed  esti mates o f   () j f U  are sh own  in Fi g u re 5 .  Th e tru e  no n lin earity and th e set  of  poi nt ˆ () , jj L Uf U   (1 1 1 ) j , are  rep r esen ted in   Fig u re  6 .  By co nn ecting  th set o f  co llin ear po in ts  ( F igu r e 6) . T h 3 q   se gm ents  are then obtaine d The  no nl i n ea sy st em  i s  exci ted by   (9 ).  Fi g u r e 7  sh o w s exa m pl e of obt ai n e d res u l t s  w h e n   v ( t ) sp an at least two segm ents. Then,  y ( t ) is no t a sine sig n a l. Th is  co nfirm s  th e resu lt alread y obtain e d  using  the p l o t     ,, , ˆ ko Uu M C . Th is latter, t u rn ou t to   b e  a  n o n  static curve, wh atev er  [0 2 )  (Fig ure 9 a -b ). For a sm all v a lu of  U , e. g.  0. 25 , U 1 0. 01 ( / ) rd s   and  0.7 5 o u  , Fi gu re 9a s h o w s t h e m easured o u t p ut   y ( t ). This  sig n a l   tu rn o u t  t o  be a sin e  si g n al (u p to   no ise). Th en,  u s ing  th esti m a to r (18 a -b), t h e filtered   o u t p u t   ˆ (, ) x tM   is   gene rat e d .   ˆ (, ) x tM   is rep r esen ted in  (Fig ure  9 b ). The lo cu 1 ,, , ˆ o Uu M C   i s  pl ot t e d f o di f f ere n t   02   and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Id en tifica tio n  of  No n lin ea r S y stems S t ru ct u r ed  b y   Wien er-Hammerstein  Mod e l   (Ad il Bro u r i)   17 3 a sam p l e  of t h e obt ai ne d c u r v es i s  sh o w b y  Fi gure s  1 0 a- b. It  i s  seen t h at   1 ,, , ˆ o Uu M C  associated to  2   i s  not   lin ear  (( ) k  ). F u rt h e r, the cu r v 1 ,, , ˆ o Uu M C  associated to  * 3. 0 1  is affin e  portio n. Ad d ition a l l y, it  i s   seen t h at the sign  of  * S  is di ffe rent  fr om  that o f   1 ,, , ˆ o Uu M C We h a v e  t h us show n th at * 1 ˆ ( ) 6. 15 ( ) M rd    (m odul 2 π ).  From   Fi g u re 1 0 b ,  one   ha ˆ ( ) 0. 97 Mk s The est i m at or (2 0 b ) i s   u s ed t o  get   est i m a t e s of t h e m odul u s   () k Gj . Accordi n gly,  ˆ () 0 . 9 7 . Mk Gj  Othe res u lts s h o w  i n  Ta ble  1 .         Fi gu re 4.   N o nl i n ear ha rd element  f (.) co nsid ered in  sim u lati o n                       Fi gu re 5.   u ( t ),   y ( t ) an d th und istu rb ed   o u t pu t estim a t e           Fi gu re  6.  The  t r ue  N . L a n d  se t  of  est i m a t e d poi nt s   -0 . 8 -0 . 6 -0 . 4 -0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 -0. 8 -0. 6 -0. 4 -0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 v 2 v 3 * * S = - 1 2 0 200 400 600 800 100 0 1200 1400 1600 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 Th e i n p u t   s i g n a l  u ( t ) 0 200 400 600 800 100 0 1200 1400 1600 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 Ti m e ( s ) y( t )  an X  ( L ) U   = 0 . 4 10 U = 0 . 4 8 6 U =  - 0 . 8 2 1 2 U = 0 X  = - 0. 79 4 X = 0 . 1 9 5 3 X =  0 . 0 1 6 X = 0 . 4 0 1 X  = - 0. 21 7 X =   - 0 . 6 0 2 8 X =  - 0 . 3 9 X =  0 . 6 1 9 11 X   = 0 . 8 1 10 X =  - 1 . 0 1 j ^ ^ ^ X   = 0 . 9 8 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ -1 -0 . 8 -0 . 6 -0 . 4 -0 . 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 -1 -0. 8 -0. 6 -0. 4 -0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1     Th e  t r u e   N . L s e t  of  po i n t s  ( U   ,   X   ( L ) ) j j ^ Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :  16 7 – 17 6   17 4     Figure  7. The  s t eady-state out put  y ( t ) o b t a i n e d  ove r o n e peri od                      Figure  8. a. T h e locus  1 ,, , ˆ o Uu M C fo 5. 1 ( ) k  ; b .   1 ,, , ˆ o Uu M C  fo r   6. 1 ( ) k          Figure  9. a. T h e steady-state  of  y ( t );    b.  O n pe ri o d   of   ˆ (, ) x tM             Figure 10.  a .   1 ,, , ˆ o Uu M C fo 2( ) rd ; b .     1 ,, , ˆ o Uu M C for   3. 01 ( ) rd     13 00 140 0 150 0 16 00 17 00 18 00 -2 . 5 -2 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 Ti m e ( s ) T h e t r u e  sy st em   ou t p u t  y ( t ) -2 -1. 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 -2. 5 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 -2. 5 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 2000 2100 2 200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 -1 -0. 9 5 -0. 9 -0. 8 5 -0. 8 -0. 7 5 -0. 7 -0. 6 5 -0. 6 -0. 5 5 -0. 5 Ti m e ( s ) T h e sy st em   ou t p u t  y ( t ) 100 20 0 300 400 50 0 600 -1 -0 . 9 5 -0 . 9 -0 . 8 5 -0 . 8 -0 . 7 5 -0 . 7 -0 . 6 5 -0 . 6 -0 . 5 5 -0 . 5 Ti me ( s ) T h e  fil te r e d   o u tp ut -0 . 2 5 -0 . 2 -0 . 1 5 -0 . 1 -0 . 0 5 0 0. 05 0. 1 0. 1 5 0. 2 0. 25 -1 -0 . 9 5 -0 . 9 -0 . 8 5 -0 . 8 -0 . 7 5 -0 . 7 -0 . 6 5 -0 . 6 -0 . 5 5 -0 . 5 -0 . 2 5 -0 . 2 -0 . 1 5 -0 . 1 -0 . 0 5 0 0. 05 0. 1 0. 1 5 0. 2 0. 2 5 -1 -0 . 9 5 -0 . 9 -0 . 8 5 -0 . 8 -0 . 7 5 -0 . 7 -0 . 6 5 -0 . 6 -0 . 5 5 -0 . 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Id en tifica tio n  of  No n lin ea r S y stems S t ru ct u r ed  b y   Wien er-Hammerstein  Mod e l   (Ad il Bro u r i)   17 5 Tabl e 1. Fre q u e ncy   gai n   est i m a t e F requency gain est i m a tes ˆ () M k Gj   k ( rd/s )   0. 01  0. 05   0. () k ( rd )   6. 1 5. 42   4. 74   ˆ () M k ( rd )   6. 15  5. 38   4. 78   () k Gj   0. 99  0. 86   0. 62   ˆ () M k Gj   0. 97  0. 88   0. 65       6.   CO NCL USI O N   We ha ve de v e l ope d a new  freq u e n cy  i d ent i f i cat i o n  meth od  to  d eal  with   W i en er-Hammerstein  syste m s; th e id en tificatio n   pro b l em  is ad dressed  i n   p r ese n ce  of hard nonlinearity  an d two lin ear sub s yste m s   o f  st ru ct u r e en tirely u nkn own. Th p r esen t stud y c onstitu tes a sig n ifican t prog ressin  frequ e n c y-d o m ain  id en tificatio n of b l o c k-o r ien t ed   n o n lin ear syste m  id en tifi cati o n. Th o r i g inality o f  th p r esen t stud y lies  in  the  fact th at th e syste m   is n o t  necessarily p a rametric a nd o f  st ruct u r e t o t a l l y  un kn o w n .  A not her  feat u r e of t h e   m e thod is the fact that the exciting signals a r e easily  generated and the es tim a tion algori thm s  can be sim p ly  im pl em ent e d.  The n , t h e c o m p l e gai n s (m odul us  gai n s  an pha ses)  o f  l i n ear s u b s y s t e m s  can  be  o b t a i n e d .       REFERE NC ES   [1]   Bai EW, Cai Z,  Dudley -J avorosk S and  Shields RK. Identif i cat io n of a m odified  W i ener-Ham m e rs tein s y s t em  and   its app lic ation  in  el ectr i c a ll y s tim ulat ed par a l y z e d  skele t al  m u scle   m odeling.  Auto mat Contr . 200 9; 45(3): 736-74 3.  [2]   Marconato A, Sjoberg J  a nd Schoukens J. Initiali zation of nonlinear stat e-space m odels applied to the Wiener- Hammerstein benchmark.  C o nt ro l  E n gi n e e r i n P r a c t i c e . 2012;  vol. 20 : 1126-11 32.  [3]   Crama P, Schoukens J. Compu ting an  initial estimate of a Wi ener-Hammerstein s y stem with a random phase   m u ltisine exci tat i on.  IE EE   Transactions on  Instrumentation  and  Measurement . 2 005; vol. 54 : 11 7-122.  [4]   Pillonetto G, Ch iuso A and Nicolao GD.  Prediction error identification of lin ear s y stems: a nonparametric Gaussian  regres s i on app r o ach.   Au tomatica . 2011; 47(2) : 29 1-305.  [5]   Bershad NJ, Celka P, McLaugh lin S. Anal y s is of  stochastic gradient identifi cat ion  of W i ener-Ham m e rs tein s y s t em for nonlin eari t i e s with Herm it e p o l y nom ia expan s ions.  IEEE   Trans . Signal Process. 2001; vol. 49 : 1060-1071.  [6]   Brouri A, Giri  F, Cha oui FZ and Amdouri A.  Frequenc y Ide n tifi cation o f  H a mmerstein-Wie n er Systems wit h   Piecewise A ffin e Input Non linear ity . 19th  IFAC,  World Congress. Cape Town. 20 14; 10030-1003 5.  [7]   Brouri A.  Fr equency Iden tif ica tion of Wiener - H ammer s t ein Sys t ems . SIAM  Control &Its Applic ations. Pari s,  France. 2015.  [8]   Giri F, Rochdi  Y, Radouane  A, Brouri A, Chao ui FZ. Frequen c y  Id en tif ication  of nonparametric Wiener s y s t ems  containing b ack lash nonlin earities.  Automat i ca . 2 013; vol. 49 : 12 4-137.  [9]   Paduart J, Lau w ers L, Pintelo n  R,  Schouken s  J. Identification of a Wi ener–Hammerstein s y stem using the  poly nomial non linear  state space  approach C o nt ro l  E n gi n e e r i n P r a c t i c e . 2012;  vol. 20 : 1133-11 39.  [10]   W ills A, Ninness B.  Estimation of  generalised  Wiener -Hammer s t ein s y s t ems . 1 5 th IFAC sy mposium on sy stem  identif ication .  S a int-Malo, France. 2009 ; 1104-11 09.  [11]   Marconato  A, S c houkens J.  Id entifi cation  of W i ener-Hammerstein benc hmark d a ta by means  o f  support vector  machines . 1 5 th I F AC sy mposium on s y s t em id en tification. Sain t- Ma lo, Fran ce. 2 009.  [12]   Fa lc k T,  Pe lc km a n s K,  Suy k e n s J,  Moor B D .   Identifi cation of Wi ener-Hammerstein systems using LS-SVMs . 15th  IFAC sy mposiu m on s y stem  identific ation. Saint-Malo, Fran ce. 2 009.  [13]   Su y k ens J, Van  Gestel T, De  Braban ter J, De Moor B, Van  dewalle J. Least squares  support vector machines.  Singapore: World Scien tific. 200 2.  [14]   We isste i EW,  “Lissa jous Curve  Ma thWorld, a  Wolfram Web Resource.  http:/ /m athworld .wolfram . c o m/ Lissa j ousCurve . html      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :  16 7 – 17 6   17 6 BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       Adil Brouri In  2000, he obtain e d the Agrég a tion of  Electrical Engineer ing fr om the ENSET,  Rabat, Morocco and, in 2012, he  obtained a Ph.D. in Automatic Control from th e University  of   Mohammed 5,  Morocco. He has been Professeu r-A grégé for several  y e ars. Since 2013 he joined   the ENS A M ,  Univers i t y  of M y  Is m a il in M e knes ,   M o rocco and  m e m b er of the L 2 M C  Lab. His   res earch in ter e s t s  include nonlin ear s y s t em  iden tification and no nlinear  control. He published  several pap e rs o n  these topics.  E - ma i l :  a. brouri@e n sa m-umi . a c . ma   & brouri_ adil@ y ahoo.fr         Sm  Slassi Teach er a t  high s c hoo l. His r e sear ch  i n terests in clud nonline a r s y st e m  identifi c a tion  and nonlinear  co ntrol.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.