Balanced Singular Perturbation Approximation (SPA) is a model order reduction method for linear time-invariant systems that guarantees asymptotic stability and for which there exists an a priori error bound. In that respect, it is similar to Balanced Truncation (BT). However, the reduced models obtained by SPA generally introduce better approximation in the lower frequency range and near steady-states, whereas BT is better suited for the higher frequency range. Even so, independently of the frequency range of interest, BT and its variants are more often applied in practice, since there exist more efficient algorithmic realizations thereof. In this paper, we aim at closing this practically-relevant gap for SPA. We propose two novel and efficient algorithms that are adapted for different settings. Firstly, we derive a low-rank implementation of SPA that is applicable in the large-scale setting. Secondly, a data-driven reinterpretation of the method is proposed that only requires input-output data, and thus, is realization-free. A main tool for our derivations is the reciprocal transformation, which induces a distinct view on implementing the method. While the reciprocal transformation and the characterization of SPA is not new, its significance for the practical algorithmic realization has been overlooked in the literature. Our proposed algorithms have well-established counterparts for BT, and as such, also a comparable computational complexity. The numerical performance of the two novel implementations is tested for several numerical benchmarks, and comparisons to their counterparts for BT as well as the existing implementations of SPA are made.


翻译:线性时间变差系统的一种减少线性定序的模型方法,保证了无现成的稳定,因此存在一个先验错误。在这方面,它与平衡调整相似。然而,SPA获得的减少模型通常在较低频率范围内和接近稳定状态的情况下采用更好的近似,而BT则更适合较高的频率范围。即使如此,不管利息的频率范围如何,BT及其变式在实际中也更经常地应用,因为其实现效率更高。在本文件中,我们的目标是缩小SPA的这一与实际相关的差距。我们提出了两种适应不同环境的新颖和高效的算法。首先,我们得出适用于大尺度环境的STA的低级执行率。第二,建议以数据为驱动的对方法的重新解释,只要求输入-输出数据,从而实现不了。我们衍生的主要工具是互惠性变异性算,这为SAVT的数值变异性分析提供了两种对等性对等性分析,而我们提出的数值变异性算法对于执行的数值变异性对等性方法的意义也是我们提出的。</s>

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