改进的小波分解LMS算法在非线性系统辨识中的应用
2021-03-14
来源:汇智旅游网
科技信息 。科教前沿0 SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2008年第29期 改进的小波分解LMS算法在非线性系统辨识中的应用 王晓丹李善姬 (延边大学工学院吉林延吉133000) 【摘 要】对基于小波变换的自适应滤波技术中较为先进的D—LMS(Decomposition Least Mean Square)算法进行改进,推导出一种变步长D— LMS算法。通过建立非线性系统模型,在基于MATLAB的仿真实验中,分别得出原D—LMS算法和改进算法的系统辨识图形和数据。结果表明, 两种小波分解自适应算法都能够很好的对非线性系统进行辨识,而改进的变步长D—LMS算法的收敛速度及跟踪速度更快,稳态误调噪声较 小.即辨识结果更加精确。 【关键词】D—I S算法;变步长;非线性系统辨识 The Application of Modified Wavelet Decomposiion LMS tAlgorithm in Nonlinear System Identification Xiaodan Wang,Shanji Li (Yan Bian University,Jilin Yanji 133000) 【Abstract]By developing the D-LMS(Decomposition Least Mean Square)algorithm,which is more advanced in the adaptive ifltering technique based on wavelet decomposition,a novel changed-step D—LMS algorithm is deduced.More importantly,this research builds a nonlinear system identiicatifon simulation model,and by the MATLAB software,the figures and data of both algorithms are obtained. rhe experimental results show that both adaptive filtering algorithms based on wavelet decomposition can identifr nonlinear systems wel1.Moreover,the changed—step D—LMS algorithm can get higher convergence rate,fstaer tracking speed,and lower steady misadjustment noise.In other words,more accurate data can be obtained by this novel algorithm. 【Key words]D-LMS algorithm;changed-step;nonlinear system identiifcation 1.引言 , 数字信号处理技术的巨大发展。一方面使得其中的某些研究方向 独立出来。另一方面各研究方向结合的新技术正在不断涌现。近年来 些实验事实71 2,3 4]证明,将小波变换的方法应用于自适应滤波的研 一J e(k)=d(k)一22 F.一F(j:l…J) 】=1 (7) 因此,W.和U的调整公式为: 究,可以使算法的收敛速度和稳定性上都有较大程度的提高,因此这 种新的研究方向正受到越来越广泛的关注。 wj, +2tre(n)dz 0:1,2,…’J;.-1,2,…,2-iN) (8) Ui=U。+21 ̄e(k)x,0=1,2,…2-iN) (9) 通过以上分析可知.D—LMS算法首先利用小渡变换对输入信号 对于目前应用实际中,越来越多的具有不确定性的复杂系统,非 进行多级分解,然后再对分解后的各部分进行自适应滤波处理。在这 线性系统建模已从用线性模型逼近发展到用非线性模型逼近的阶段. 个过程中,数据量没有变化,仅仅把数据按照不同的频带进行分割。经 但它还没有构成完整的科学体系,仍是极具挑战性的研究课题。因此, 仿真实验证明_1],无论是针对线性系统还是非线性系统,D—LMS算法 本文将基于小波变换的自适应滤波算法应用与非线性系统辨识中。具 的收敛速度和稳定性均高于传统LMS算法。 有非常重要的研究价值。 3.一种改进的变步长D—LMS算法 本文认为一种好的自适应滤波算法应具备:f1)在初始收敛阶段或 2.D~LMS算法 D—LMS算法的结构如图1所示.首先要对自适应滤波器的输入 未知系统参数发生变化时.步长应比较大,以便有较快的收敛速度和 信号进行小波分解,在小波自适应算法中,信号分解是通过MAuAT 对时变系统的跟踪速度;(21在算法收敛后,应保持很小的调整步长已 算法进行的。 达到很小的稳态误调噪声。 x(k) z。卜 rI dI 因此,本文根据文献 的Sigmoid函数,建立的步长和误差的函 数关系为: 1 z。 X(k) DE 旱 旦 x 7 F2 \ !! / j(k)=母(——— _— —O.5) (1O) 1十exp(一旺1 e(k)I 式中 是控制S函数形状的常数,需要通过实验来确定,B是控 制S函数范围的常数。当e(k)的绝对值较大时,tL(k) ̄g较大,但 (k)不 会超出界限13/2。由于LMS算法的收敛条件是:O< (k)<1, 一, 是 输入信号自相关矩阵的最大值。因此使LMS算法收敛的B的最大值 可取: B 2,)L (11) z。【一 U匕 F I一一图1 D—LMS算法的结构图 在图1中,DE表示将输入信号序列x(k)=【x(1(一1),x(k一2),…,x(k—N+ 而实际应用中p不可能取最大值,否则步长 (k)虽然是随误差e fk)变化的,但数值过大会使自适应过程一直处于发散状态。本文为准 1)】T进行J级小波分解的过程,Dj表示第J级细节信号序列: J Di=[djll,d …,di r(j:1…)x 表示小波分,2解 JN的第J 级近似信号序列: (1) 确且更为高效的选取B提出公式(12): p= p一=2 / (12) 其中系数 由信号的输入特性决定,通过实验验证,一般取0.6— Xj=[xiA,x ̄2,…,x N】T(j=1..‘J) w.是第j级细节信号序列对应的自适应滤波器的权向量: =(2) 0.85。值得提出的是,用传统的LMS算法进行实验时,实验结果对于步 长的值非常敏感,实验者往往很难确定理想的步长。而本研究以大量 3 实验证明,本文提出的公式(12)可以使研究者更为方便的进行实验工 [ ‘,Wi r(j=1…J) ()u是信号序列2,iN 1的第J级近似信号对应的自适应滤波器的权 作。X(k 图2是利用MATLAB的画图功能,显示的当式(10)中m分别等 向量: sigmoid函数),2,3时,步长u )和误差e(k)的关系曲线。 u=(uI,112,…,u, JT(j=l…J) (4) 于1(由自适应滤波器的原理知识可知: Fj=DiTW。(j=l…J) (5) 其中ct=4,13 ̄=0.2。当m=l时,算法在A适应稳态阶段仍有较大 的步长变化,不具有缓慢变化的特性;当m=3时,在算法初始收敛和 跟踪阶段,无论efk)如何变化,步长取值整体过小,影响收敛速度;当 m=2时,初始阶段误差较大,步长 (k)也较大,当算法进入收敛稳态 F=XfU (6) 科技信息 0科教前沿0 2008年第29期 时,误差很小,则步长也很小,误差e(k)接近零处步长 (n)具有缓慢变 化的特性。由此得出改进的变步长D—LMS算法的步长调整公式: k)I2口, 哪(一—— —_丁一0.5) (13) 值 幅 1+exp le(k)I) 迭代次数 图5 D—LMS算法的辨识误差 长 步 图4中D—LMS算法的辨识过程中的曲线虚线部分越来越趋向于 与实线部分重合.这个跟踪过程即为滤波器对此非线性系统的辨识过 程。图中可以看出此模型中,运用D—LMS算法能够很好的对非线性系 统进行辨识。辨识误差如图5所示,收敛快,收敛后比较稳定。 图2步长u(n)和误差e(n)的关系曲线 4.仿真结果及分析 在实际情况中.无论输入信号还是输出信号都有可能受到噪声干 扰,为了分析新的D—LMS算法在系统输入和系统输出都存在干扰时 的性能,本文仍采用文献…中的仿真系统,如图3所示,叠加的噪声为 随机噪声。 值 幅 图6变步长D—LMS算法的辨识过程 值 幅 Noisel 圈3辨识系统结构图 迭代次数 图7变步长D—LMS算法的辨识误差 其中Hfz)表示被辨识的含有线性输入的非线性系统,差分方程描 述为式(14)和(15): 图6中同样显示了滤波器输出可以非常有效对非线性系统的输 出进行辨识,7图显示的辨识误差也在辨识后期达到了理想的值。 但对数据进行详细分析,得出误差均方值和最大误差的精确值之后, 可以发现尽管随机误差的幅值形式各不相同,但每次实验除坏数据以 外,变步长D—LMS算法的误差均方值和最大误差均小于固定步长D— LMS算法。表2精确的列出了辨识误差的均方值和最大误差。 表2均方误差和最大误差值 D—LMS算法 均方误差值 变步长 D—LMS 32 2 y(n)=— L+x(n) (14) l+y(n-1)+y(n一2) x(n)=[sin(2"rm/20)+sin(2 ̄rn-5o)+sin(2 ̄n/25o)+sin(2axrd400)]/4(15) 算法参数如表1所列: 表1算法参数 算法名 滤波级数 小波分解级数 D—LMS 32 2 步长 固定值:0.028 ..,lr、一,,’『、 , P、 ,…“m¨、 变步长D—LMS算法 2.66x10 ̄ 49.49xl旷2 2.77×1O4 61.00xl0-2 1 . 12 n J 最大误差 l+exp(-4le(k)I) 更多的实验数据显示,变步长D—LMS算法的误差均方值较固定 D—LMS算法的固定步长是通过多次实验选取的最佳值0.028,变 步长D—LMS算法的均方误差值平均缩小4.66%,最大误差平均缩小 步长D—LMS算法的步长初值也为O.028,步长随误差的变换函数为推 15.8%。因此,在非线性系统辨识的应用中,本文提出的变步长D—LMS 导的改进算法中所述的式(13)。 算法较固定步长的算法相比,具有更为精确的辨识精度,也符合收敛 D—LMS算法和变步长的D—LMS算法的辨识过程和辨识误差由 速度和跟踪速度快,以及收敛后稳态误调噪声小的要求。 图4至图7显示。 5.结论 本文对一种基于小波分解的自适应滤波算法进行了改进,提出了 变步长的D—LMS算法。并将两种基于小波变换的自适应滤波算法应 用于非线性系统辨识领域。利用MATLAB仿真软件,建立了一种非线 性系统辨识模型.分别得出固定步长D—LMS算法和变步长D—LMS算 法的实验结果。结果证明两种算法都能够有效的对非线性系统进行辨 识,而利用变步长D—LMS算法,可以得到更快的收敛速度、跟踪速度 和更小的稳态误差。l黔 迭代次数 【参考文献】 [1]张玉磷.小波自适应控制系统及其在噪声主动控制中的应(下转第23页) 圈4 D—LMS算法的辨识过程 科技信息 0科教前沿0 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 2008年第29期 独采取避雷措施。否则需进行避雷保护,在卫星天线主反射面的上沿 器)、接收系统的设备和设备机架金属外壳均应接地。机房内屏蔽接 及副反射面的顶端各装一避雷针,可用25ram2铜芯线与机房建筑避雷 地、机壳接地、电源接地(中性线、零线1、工作电路接地、保安接地、过压 地线相连,避雷针高度应以它的保护范围覆盖整个反射面及馈源而 保护接地等要统一、就近与机房共用地网可靠的电气连接。接地的目 定,且防雷接地电阻应小于4欧姆。卫星天线的馈线穿金属管,沿金属 的是把雷电流通过低电阻的接地体向大地泻放,从而保护建筑物、人 天线杆塔体引下,并且金属管道与电缆外层屏蔽网.应分别与塔杆金 员和设备的安全。 属体或避雷针引下线及建筑物的避雷引下线间有良好的电气连接。从 3.3.5机房电源系统防雷措施. 卫星天线到卫星地球站机房室内应使用接地金属线槽屏蔽。当安装独 雷电往往由电源线侵入,产生浪涌电压损坏设备。只做单级防雷 立的避雷针时,卫星发射、接收天线与防雷装置的距离必须大于3米。 可能会带来,可能因雷电流过大而导致的泄流后残压过大破坏设备或 者保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护,可防范从直击 雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭所谓分级保护,逐级泄放.使被保护 设备上承受的雷击能量大大减弱。机房电源自室外引入建筑物时需采 取的防雷电波侵入的措施,并符合现行国家标准《建筑物防雷设计规 范》的规定【引。机房内电源系统因根据设备情况分级,将照明、屏幕墙、 空调动力用电与重要设备发射设备用电线路分开。采取三级防护措 2一 一 ■ 。L,脚E || 。 ■|| 0 UP翟 | 黟 | 舅 章薹t;?'I. .。 ,施,通过在供电线路上安装电涌保护器将线路上的电压限制在一个安 全的水平。 3.3.6通信线路防雷措施 信号与数据线路是机房发射系统的重要组成部分 机房内信号线 —■|| 每 葺 j营 { 丁摹 童_l。 一0 薯曩≯謦 |0一“。 ≮| ≯ -| |l | - - _ ,| I l图2建筑物防雷区域划分 3.3卫星地球站机房的内部防雷 卫星发射机房内部雷害主要是雷电电磁脉冲fLEMP1沿各种管线 侵入,造成干扰卫星发射信号或线路侵入损坏设备以及人员的伤害fq。 根据IEC国际标准对能量逐级吸收的理论。及防护区问量级分类的原 则,需要做多级防护。下面探讨一下机房内部防雷的基本手段和具体 的内部系统应采取的措施。 3.3.1多层屏蔽阻击雷电电磁脉冲 机房室内进行综合布线将电源线、信号线分槽布置,减少线间交 叉和冗余信息点。所有进入建筑物的电源线、信号线置于金属屏蔽槽 内,屏蔽槽两端接地。各线缆屏蔽层两端应同时接地.当系统要求单端 接地时,须进行二次屏蔽处理。这样有助于消除雷击时不同线缆问内 部电磁脉冲干扰,实现不同设备分级防护。 3.3.2机房内金属体均压r等电位连接)处理 对于进入卫星发射机房建筑物内的各种金属管道,如水、风管以 及通讯、信号和电源等电缆金属(屏蔽1护套都要进行等电位连接。这样 电源电缆和信号电缆中的各带电导线上的保护装置实际上起着暂态 路纵横交错_由户内延伸到户外,雷电电磁脉冲能够在信号线路及其回 路中感应出暂态过电压。一般的保护原则是,对进出电子设备的信号 线路都应加装相应的防雷器进行过电压保护,而机房内部设备之间的 通讯线路不用接信号雷击浪涌保护器。对可导通信线路,应了解相关 设备的基础上,根据通信线路特征,传输信号特点,选择插入损耗小、响 应速度快、频带宽、通流量大的电涌保护器。分别在各通信线路上加装 专用通讯防雷器加以防护。 4.结论 本文简单阐述了雷电过电压对卫星通信地球站的危害及防护措 施。由于多数卫星通信地球站已建成多年,现在大部分的防雷措施大 多数仍然采用多年以前的研究结果和经验,现在需要对其防雷设施进 行更新和改造。随着卫星通信技术和防雷技术的不断发展。先进的防 雷设备和器件不断的推陈出新.雷电过电压的定量分析显得尤为突 出,低压防雷技术和直流防雷技术的引入也值得关注。总之,雷电灾害 对卫星地球站的侵害通过有效的预防是可以大大的减轻。在具体工作 中要做好防雷系统设计,机房系统改动及时做好防雷工作调整;重视 防雷装置的日常使用维护:对防雷系统可靠性定期进行专业检测;检 测发现的隐患及时进行处理。随着卫星通信技术的高速发展,卫星通 信地球站设备更多样化,敏感的反应在雷电过电压等方面,就有了更 高的防雷技术要求。这就要求我们从定量方面明确雷害发生的扭理以 及雷害对卫星通信地球站的危害影响,进行深入有效的研究。 均压的作用,当雷电暂态过电压沿电源线或信号线侵入建筑物内时,这 些保护装置动作限压,使得电源线或信号线与其附近金属管道之间不 会出现较大的暂态电位差。等电位连接同时还可以及时泄放聚集在地 板表面和设备外壳上的静电电荷。 3.3.3对室外人机房导线多级分流 分流就是在一切从室外来的导线(car线、信号线、电话线等等)与 接地系统之间并联一种防雷保护器,当直击雷或感应雷在室外线路上 产生的过电压循着这些导线进入室内时,防雷器短路,雷电流由此分流 入地。需要注意的是不仅在人户处要并联防雷器,而且在一些电子设 备的人机壳处也需安装防雷器,对雷电流进行多级分流,层层防护。 3.3.4机房系统防雷接地处 【参考文献l [1]王丽娜.卫星通信系统.国防工业出版社,2006. 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