分数阶LMS自适应滤波算法研究及其应用
结题报告
批准号:
61601431
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
21.0 万元
负责人:
卫一恒
依托单位:
学科分类:
F0111.信号理论与信号处理
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
程松松、周翕、杜斌、胡扬声、陈玉全
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
客服二维码
微信扫码咨询
中文摘要
自适应滤波算法是近几十年发展起来的一种信号处理方法,该方法无需输入信号的统计特性,具有较强的适应性,其中建立在梯度下降法基础上的最小均方(LMS)算法,因其结构简单、性能稳定等特点在工程实际中获得广泛应用。然而传统LMS算法收敛速度慢的缺陷,严重限制了它的进一步发展。分数阶微积分的引入,能使该问题得以改善,却可能导致其它问题的产生,如较大的稳态误差和计算复杂度,以及不期望的超调等。本项目拟从分数阶微积分非局部特性的角度,研究分数阶极值问题,系统地建立分数阶梯度下降法的理论框架;进而通过更新方向优化和更新阶次自适应的方式,完善分数阶LMS算法,使其在提高收敛速度的同时抑制更新方向的紊乱、减小稳态误差、降低计算复杂度等。希望通过本项目的研究,解决分数阶梯度下降法和分数阶LMS算法中的几个关键问题,并在理论研究的同时赋予其数值实现方案,为其在系统辨识和减振控制中的实际应用提供科学指导。
英文摘要
In the last decades, the adaptive filter algorithm has been developed and become a significant technique in the field of signal processing. It possessed adaptability strongly and the statistical property of input signal is not necessary any more. Among the great variety of adaptive filter algorithms, the least mean square (LMS) algorithm, which is based on the gradient descent method, has been widely used in the engineering application, due to its simplicity and stability. However, considering its slow convergence rate, the further development of traditional LMS algorithm is badly limited. This problem can be luckily solved by introducing the fractional order calculus, but at the same time, it would bring some other problems such as an increase of steady state error, computational complexity and unexpected overshoot. In this project, we will carry out our research from the perspective of the nonlocality involved in fractional order calculus. More specifically, we will firstly study the fractional order extreme value issue, and systematically build the framework for fractional order gradient descent method. Then, the fractional order LMS algorithm is expected to be improved by an optimized updating direction and a self-adapted updating order. Meanwhile, the proposed LMS algorithm can also speed up the convergence, suppress the disorder of update direction, and reduce the steady state error and computational complexity. It is expected that this project would be beneficial to the solutions of several key scientific problems existed in fractional order gradient descent method and fractional order LMS algorithm. Additionally, we will provide numerical implementation for our theoretical results, in order to apply them to the practical fields of system identification and vibration control.
自适应滤波算法是近几十年发展起来的一种信号处理方法,该方法无需输入信号的统计特性,具有较强的适应性,其中建立在梯度下降法基础上的最小均方(LMS)算法,因其结构简单、性能稳定等特点在工程实际中获得广泛应用。然而传统LMS算法收敛速度慢的缺陷,严重限制了它的进一步发展。分数阶微积分的引入,能使该问题得以改善,却可能导致其它问题的产生,如较大的稳态误差和计算复杂度,以及不期望的超调等。本项目从分数阶微积分非局部特性出发,研究了分数阶极值问题;进而通过四种方式在LMS框架下引入分数阶微积分——分数阶更新方式、分数阶梯度方向、分数阶隐含动态、分数阶随机扰动。对于第一类算法,分析了其收敛特性、暂态性能和稳态性能;讨论阶次对优化结果的影响,并设计了高效的阶次变化策略。对于第二类算法,为了解决分数阶极值不等于真实极值的问题,提出迭代初始值、截断高阶项和设计变阶次三种策略,实现了真正收敛,拓展了适用范围,提高了优化效率。对于第三类算法,其一直接法,将算法看成一个控制过程,直接设计各类控制器,达到快速、鲁棒、无超调等控制效果;其二间接法,构造收敛误差,建立收敛误差的动态方程,通过误差变量的收敛,进而使原变量收敛。对于第四类算法,通过主动引入具有重尾分布的随机噪声,利用这类噪声可能出现的长步长,逃离局部极值和鞍点。此外,基于所建立的分数阶LMS算法,为了突破梯度法的速度限制,引入了分块优化方法和正交变换方法;对于输入是有色噪声的情形,引入了偏置补偿机制。还完成了分数阶LMS算法的参数选择(阶次、步长、初始值、抽头数、分块策略、正交策略),性能分析(收敛速度、单调性、超调性、稳态误差),数值实现(对权重的分数阶微分、对步数的分数阶差分、显式、隐式)和应用拓展(系统辨识、扰动抑制、主动隔振、信道均衡)等相关研究。本项目的顺利完成,系统地建立了分数阶LMS算法的理论框架,且为其在实际工程中的应用奠定了坚实的基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.isatra.2017.04.020
发表时间:2017
期刊:ISA Transactions
影响因子:7.3
作者:Yiheng Wei;Peter W. Tse;Zhao Yao;Yong Wang
通讯作者:Yong Wang
A numerical approximation method for fractional order systems with new distributions of zeros and poles
具有新的零点和极点分布的分数阶系统的数值逼近方法
DOI:10.1016/j.isatra.2019.09.001
发表时间:--
期刊:ISA Transactions
影响因子:7.3
作者:Ang Li;Yiheng Wei;Yiheng Wei;Yong Wang
通讯作者:Yong Wang
Lyapunov functions for nabla discrete fractional order systems
nabla 离散分数阶系统的 Lyapunov 函数
DOI:10.1016/j.isatra.2018.12.016
发表时间:2019
期刊:ISA Transactions
影响因子:7.3
作者:Yiheng Wei;Yuquan Chen;Tianyu Liu;Yong Wang
通讯作者:Yong Wang
Study on four disturbance observers for FO-LTI systems
FO-LTI系统四扰动观测器研究
DOI:10.1109/jas.2016.7510097
发表时间:2016-10
期刊:IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica
影响因子:--
作者:Songsong Cheng;Shengguo Wang;Yiheng Wei;Qing Liang;Yong Wang
通讯作者:Yong Wang
On the series representation of nabla discrete fractional calculus
关于nabla离散分数阶微积分的级数表示
DOI:10.1016/j.cnsns.2018.09.024
发表时间:2019
期刊:Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation
影响因子:3.9
作者:Yiheng Wei;Qing Gao;Dayan Liu;Yong Wang
通讯作者:Yong Wang
国内基金
海外基金