基于T-S模型的非线性系统模糊聚类辨识方法
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维普资讯 http://www.cqvip.com Computer En neering and Applications计算机工程与应用 2007,43(29) 239 基于T—S模型的非线性系统模糊聚类辨识方法 李 目 2,刘祖润2,年晓红3,谭 文2 LI Mu ~,LIU Zu—run ,NIAN Xiao—hong。,TAN Wen 1.湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082 2湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭41 1201 3.中南大学信息科学与工程学院,长沙410083 1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 4 1 0082,China 2.School of Information and Electrical Engineering,Hunan Univel sity of Science and Technology",Xiangtan,Hunan 4 1 1 20 1,China 3.College of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China E—mail:limuucn@yahoo.corn.cn LI nu,LIU Zu—run,NIAN Xiao-hong。et a1.Method of nonlinear systems identiifcation with fuzzy clustering based on Takagi-Sugeno mode1.Computer Engineering and Applications,2007,43(29):239-241. Abstract:A method of nonlinear systems identiifcation with fuzzy clustering based on T-S model has been proposed in this pa— per.In T—S fuzzy model the premise and conclusion have been identiifed separately,since have simpliifed the steps of the identi— fication,and then have improved the generalization ability,also have resolved the system problem of the complicated degree exa]一 tation but the rule few aggrandizement.Finally,the effectiveness of the propose method has been demonstrated by identification of the nonlinear systems. Key words:T-S model;nonlinear systems;fuzzy clustering;fuzzy identiifcation 摘要:提出一种基于T—S模型的非线性系统模糊聚类辨识方法,对T—S模糊模型的前提部分和结论部分进行分开辨识,既简化 该模型的辨识步骤,又提高它的泛化能力,同时也解决了T—s模糊模型随辨识系统复杂程度提高而规则数增大的问题。对一个非 线性系统辨识的仿真结果验证了这种模糊聚类辨识方法的有效性。 关键词:T—S模型;非线性系统;模糊聚类;模糊辨识 文章编号:1002—8331(2007)29—0239—03 文献标识码:A 中图分类号:TP27 从当今控制理论与应用的研究成果来看,非线性系统的分 为了有效地克服系统辨识过程中陷入局部最小和出现突 析设计已成为控制领域的热点问题。在许多工业生产过程中, 变点带来的误差,论文提出基于T—s(Takagi—Sugeno)模型的模 由于都存在非线性特性,因此,研究非线性系统首先必须解决 糊聚类辨识方法,对T—S模糊模型的前提部分和结论部分进行 非线性系统的建模问题,人们通过研究辨识非线性系统模型及 分开辨识,即根据系统的特征对输入变量先进行模糊聚类,确 控制的理论和方法,进而对系统进行辨识、补偿或控制【1_31。目 定前提部分输入变量的隶属度函数的分布,然后再辨识结论参 前,非线性时变动态系统的辨识方法得到了广泛的研究,文献 数,该方法既简化了T—S模糊模型的辨识步骤,也提高了该模 【4】采用了RBF神经网络对非线性系统进行辨识,由于RBF神 经网络是一种局部逼近神经网络,在神经网络训练过程中易陷 型的泛化能力,并解决了T—S模糊模型随辨识系统复杂程度提 入局部最小,因而得不到全局最优解;文献【5】提出了一种改进 高而规则数增大的问题。 了的BP神经网络辨识方法,如果输出多次出现突变点时,将 直接影响神经网络的学习和训练速度,由于突变点也会影响整 l T—S模糊模型 个网络的辨识精度,况且利用训练线性模型去逼近非线性系 一个MIMO系统可以由多个MISO系统组成,具有P输 统,线性模型的选取对辨识的结果有很大的影响,选取的线性 入、单输出的MISO系统可以由n条模糊规则组成的集合来表 模型误差太大就得不到满意的辨识结果。 示,第i条规则的形式为: 基金项日:国家自然科学基金(the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60474029);湖南省自然科学基金(the Natural Science Foundation of Hunan Province of China under Grant No.03JJY3107);湖南省教育厅资助科研课题(the Research Project of Department of Education of Hunan Province,China under Grant No.05C 1 88)。 作者简介:李目(1979一),男,讲师,主要从事智能控制和故障诊断方面的研究;刘祖润(1952一),男,教授,研究方向为自动控制理论与自动化检测 技术;年晓红(1965一),男,博士,教授,主要从事智能控制和自动化检测方面的研究;谭文(1968一),男,博士,教授,研究方向为混沌控制 和智能控制理论与应用。 维普资讯 http://www.cqvip.com 240 2007,43(29) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 +p +…+p (1) :if 。is A , is A ,…, is A then (2)用式(8)计算c个聚类中心C,i=I,2,…,c; (3)根据式(5)计算价值函数。如果它小于某个确定的阈 值,或它相对上次价值函数值得改变量小于某个阈值,则算法 停止; (4)用式(7)计算新的 阵。返回(2)。 式中i=1,2,…,z,z表示规则总数,P(k=l,2,…,n)表示结论参 数, 表示第i条规则的输出,A 表示模糊集。假定—个输入向 量 物,…, 那么由诸规则输出 ( =l,2,…,z)的加权平均 可求得输出Y: f n f 2.2模糊模型结论参数确定 —一 (2) Z/yi∑∑ 上iL=上 结论参数的辨识采用正交参数辨识方法,如果采用最小二 乘法辨识会使的计算量大而影响辨识速度。根据式(2)和式 ∑ ∑ l i:l 其中xo=1,∥是第i条IF—THEN规则的权值: ∥=nA ( ) (3) :l 其中A ( )是模糊集A ,‰的隶属度。 2模糊模型的辨识 2.1模糊模型前件结构及参数确定 基于自适应模糊c均值聚类方法确定模糊型前件结构及 参数。模糊c均值聚类是用隶属度确定每个数据点属于某个聚 类的程度地一种聚类算法,论文将前件划分和结论参数分开辨 识,首先确定前件的模糊区间划分和隶属度,然后利用正交参 数辨识方法辨识结论部分线性关系中的系数,简化辨识的过 程。现在考虑一组数据向量 1≤ ≤n,将这一组数据划分为 c个模糊类,第k个数据属于第i个模糊类的隶属度函数用 表示,假设 ∑ :1,( =1,2,…, ) (4) 并且定义 (i=1,2,…,c; =1,2,…,n)阵为U。 定义目标函数: J(U,c 一,c )=∑I, ∑∑ d (5) 其中 介于0,1之问,d =l lc‘ ll为第i个聚类中心与第k 个数据点问的欧几里德距离,且m f1, )是—个加权指数。 构造新的目标函数,可求出式(6):达至l撮,J、值曲勺必要条件为: I,(U,cl,…,c ,A1,…,A )= U,cl,…,c )+ f -1): ∑n + A f ~ ) ’ =1 、‘=1 , =l k=1 :1 、 =1 , 式中 ,k=l到n,是式(4)的n个约束式得拉格朗日乘子。对 所有输入参量求导得出使式(5)达到最小的必要条件: =—— (7) c f -I \m—l ∑(‘=l\d“})/ ∑ c —一,2≤ ≤c (8) ∑ 模糊聚类算法描述如下: (1)用值在0,1之间的随机数初始化隶属度矩阵 ,使其 满足式(4)中的约束条件; (3),定义: I 』』 一 ÷ (9) ∑ i:1 则输出可以写成: =∑ =∑ (p。i+pi。Xl+-.・+p ) (10) i:l I:1 写成向量形式,有 Y = 0 (11) 其中 是P的向量,0是卢的向量。用一组正交基 代入上 式,输出可以写成: ‘‘ Yk: 0,r=l,2,…,r,k=l,2,…,n (12) i:l 其中r为被辨识参数的个数,n为样本个数。于是,被辨识参数 就可以确定为: otoky ̄ 』-L,r=l,2,…,r (13) ∑ :1 根据 结合式(12)和式(13)便可以求出原来的被辨识参 数0‘。至此,T—s模糊模型前件的模糊划分和结论参数全部 确定。 3仿真验证 为了验证所提出的基于T—S模型的模糊聚类辨识方法的 有效性,选取了一个非线性控制系统的实测数据进行检验。图 1是训练数据和模型输出,该模糊系统能够从训练数据中产生 模糊聚类,并建立初始化的模糊推理结构,然后对模糊模型进 行训练。由图1中训练数据可以看到多次出现了突变点,但模 糊聚类方法控制的辨识系统仍能很好的跟踪其变化,这是神经 网络控制难于达到的。图2为实测系统地模糊辨识结果,辨识 系统的输出较好地跟踪被测系统的动态变化,虽然在个别的突 变点辨识值不太精确,但模型仍然较满意的描述了被测系统的 动态特征。图3是系统辨识误差,由图可以看出,随着辨识系统 维普资讯 http://www.cqvip.com 李 目,刘祖润,年晓红,等:基于T—S模型的非线性系统模糊聚类辨识方法 241 训练的进行,系统辨识误差越来越小,最终取得满意的辨识 (收稿日期:2007年2月) 效果。 参考文献: [1]Chang Wei—Der.Nonlinear system identification and control using a real—coded genetic algorithm[J].Applied Mathematical Modelling, 2007.3l(3):541—550. 【2]Milanese M,Novara C.Structured set membership identification of nonlinear systems with application to vehicles with controlled SUS— pension[J].Control Engineering Practice,2007,15(1):l—l6. f3】Purwar S,Kar I N,Jha A N.On-line system identiifcation of com— 2实测数据和模 输}H plex systems using Chebyshev neural networks[J].Applied Soft Computing,2007,7(1):364-372. 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(上接231页) Processing and it’s Applications,2001.1:331-334. 离,然后进行分类验证,模拟了人类听觉功能,取得了比较理想 [4]Aviyente S.Divergence measures for time-frequency distributions[C]// 的效果。 Proceeding of the 7th International Symposium on Signal Process— 但在现场语音环境中,由于有反射回声、信号的多传输途 ing and it’s Applications,2003,1:121—124. 径混合等因素的影响,大多数问题涉及到卷积混叠型的独立信 [5】Breakenridge C.Nonstationary singal classiifcation using time—fre— 源分解。而要解决卷积混叠问题,需要估计的参数比瞬时混叠 quency optimization[C]//Proeeedings of the lOth IEEE Intematlonal 的多,如何能有效地完成解卷积问题将是下一步的研究方向。 Conference on Electronics,Circuitsand Systims—ICECS,2003,l, (收稿日期:2007年3月) l32一l35. [6]Davy M,Donearli C,Faye Boudreaux—Bartels G.Improved optimiza— 参考文献: tion of time—frequency—based singal classiifers[J].IEEE Signal pro— [1]Hyvarinen A,Oja E.Independent component analysis:alg0rithms and cessing Letters,2001,8(2):52~57. applications[J].Neural Networks,2000,13:41 1—430. 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