一种基于模糊聚类的模糊辨识方法

一种基于模糊聚类的模糊辨识方法


2023年12月31日发(作者:昂达b660plus)

第29卷第2期 2012年2月 计算机应用与软件 Computer Applications and Software Vo1.29 No.2 Feb.2012 一种基于模糊聚类的模糊辨识方法 张椿玲黄景廉 曾贤强 (西北民族大学电气工程学院甘肃兰州730030) 摘要 介绍一种基于模糊聚类的模糊辨识方法。首先利用含有聚类准则函数的模糊聚类方法来确定模糊规则数和模型前提参 数,然后利用最小二乘法来辨识模型的结论参数,最后采用梯度下降法来调整模型的参数。该方法应用于Box.Jenkins数据仿真实 例,仿真结果表明该方法简单有效。 关键词 中图分类号模糊模型辨识 模糊聚类 最小二乘估计 TP301 文献标识码A A FUZZY IDENTIFICATIoN METHoD BASED oN FUZZY CLUSTE砒NG Zhang Chunling Huang Jinglian Zeng Xianqiang (College ofElectrical Engineering,Northwest Universityfor Nationnalities,Lanzhou 730030,Gansu,China) Abstract This paper introduces a method of fuzzy identification based on fuzzy clustering.In the method,a fuzzy clustering technique associated with clustering criterion function is used to determine the number of fuzzy rules and the parameters in antecedent part of the model ifrst,and then the parametem in consequent part of the model are identiifed by means of least square algorithm。at last the gradient descent algorithm is used to adjust the parameters of fuzzy mode1.This method has been successfully applied to identifying the simulation instance of Box-Jenkins data set,and the results demonstrate its simplicity and effectiveness. Keywords Fuzzy model identification Fuzzy clustering Least square estimation 相结合组成混合学习算法,以提高参数的优化效率。 0 引 言 目前,模糊建模成为复杂大系统建模的一种手段,也是现在辩 识领域的主要课题。在不同的模糊建模方法中,由Takagi、Sugeno 和Tang(TSK模糊推理)提出的方法由于在不同应用领域具有好的 效果和数学处理能力,已经引起模糊建模研究者的重视 j。 通常,模糊系统的建模过程主要有两部分:结构辨识和参数 估计,而结构辨识就是决定输入空间的分割和模糊规则。业已 提出多种处理这些问题的方法,其中模糊聚类方法已被证明是 最适宜的模糊划分方法 』。目前广泛应用于模糊辨识的是 FcM(Fuzzy C-Means)聚类方法,但由于这种方法迭代公式复 杂,计算量大,给其实际应用带来一定的困难。许多学者提出利 用聚类有效性函数来评价模糊聚类的有效性。在1974年, Bezdek 提出了第一个聚类有效性函数 (u,c)(同时,Bezdek 也称其为划分系数(Partition Coefficient)),随后其它文献也提 N 1基于模糊聚类方法确定模糊模型的前提结 构及参数 给定样本x={ , :,…, },设聚类数为c,定义如下目 标函数 ., =∑∑ ( ) 一I)i2 0<m<* 。 (1) 其中U E[0,1],表示第k个数据在第i个聚类的隶属度,且满足: 0<∑“*<N i=1 2一,c和∑ =1 k=1 2一,Ⅳ 根据文献[5]提出的聚类有效性函数 (u,c)来求得最佳 聚类数c , (u,C)的定义如下: (u,c)= 砉m x(u — 1 c-1 塞。[ 砉min(u , )】 C一1 出了很多检验聚类有效性的函数,如文献[3]中提出的 (“, ,X,c),文献[4]中提出的 ( ,V,X,C),以及文献[5]中提 K: i 一 (2) =1 出的 (U,C)等。这些函数评价了模糊聚类的有效性,使模糊 系统的结构辨识变得更加有效。 本文针对模糊系统设计中隶属函数的确定以及模糊规则的 自动提取问题,根据输入输出数据的相关特性,采用含有聚类有 效性函数的模糊聚类法 J,确定模糊系统的初始结构和参数, 避免了盲目性和随机性。同时,将最小二乘法和梯度下降算法 模糊聚类算法的具体步骤如下 : 1)给定最大聚类数c~(一般初始选c ≤ 大迭代次数T,加权指数m E(1,∞)和s>0; ),设定最 2)当c=2,3,…,e :给聚类中心矩阵赋初值:Vo=( 收稿日期:2010—09—13。张椿玲,讲师,主研领域:通信工程。 

第2期 张椿玲等:一种基于模糊聚类的模糊辨识方法 最后所得B就是模糊规则的结论参数向量。 2l7 3)当迭代次数t=1,2,…, ;计算 = 1 砉(爱) ’3参数优化 通过前面的聚类算法和最小二乘法,虽然已经确定了模糊 其中 =Il 一 l li=1,2,…,c k=1,2,…,N计算 ” =互 —一∑(“ ) ∑(u ) 规则数以及前提和结论参数,但这样得到的模糊模型并不一定 如果l — llI<s,那么进行下一步,否 能满足建模精度的要求,因此,采用梯度下降法对参数进一步 优化。定义如下目标函数: 则,重复步骤3); E: ∑(), 一y ) (8) 4)利用式(2)计算 (u,c),如果c<c 返回步骤2),否 则,算法停止,选择最佳c:c ;其中c 满足以下条件: (U,c )=max{ ( ,c)}c=2,3,…,c… 通过应用上述聚类算法可以得到模糊系统的规则数c和聚 式中,,, 是实际的输出值,Y 是模型的输出值各参数通过下式调整: 6 (t+1)=6 (£)+ ∑[(y:一y ) (训 (9) … )+百 N 类原型 =( V ,…,V )(其中i=1,2,…,c)。 y k ㈤】 (10) 2 基于最小二乘法辨识模糊模型结论参数 对于MIS0系统的 I’sK模糊模型,由e个模糊规则组成的 … )+争 N[ k ) 式中, ,/3。 为学习率。 ㈤】 …) 为了选取合适的学习率,可以采用变步长的方法,求取E的 最小化,从而优化参数b a or 。当辨别数据的误差小于一个 阈值时,该方法结束。 模糊模型可表示为: R :IF is A and is A ・・an i THEN Y = ( )=b +∑bU 则输出为: 4仿真分析 在仿真中我们选取著名的Box—Jenkins煤气炉数据 ,该数 (3) ∑z [兀 k L k)] y = _ —一 据已被许多文献采用,常用作检验辨识方法的标准实验数据。 此数据是由296对输入输出测量值组成,是一个SISO动态系 统。输入量 (t)是煤气的流量,输出Y(t)是CO:的浓度。采样 间隔为9s。本文选择煤气的流量u(£一4)和CO:的浓度Y(t一 ∑Hu k k) 其中u k k)为 对第i条规则的隶属函数。选取u k k)为高 斯函数,即: 1)作为模糊模型的输入变量,输出为t时刻CO 的浓度Y(t)。 ):。 pf一 、 or 1 (4) 采用上面所述方法对煤气炉数据进行模糊建模研究。 表1列出了其他模糊辨识方法在相同的性能指标MSE(模 型输出值与实测值之间的均方误差)下的结果,图1给出了输 根据前面所述的模糊聚类算法,选取聚类原型作为式(4) 中a 的值,以与 最近邻的另一个聚类中心q的距离作为式 (4)中or 的值进而就可以对模糊系统的结论参数进行辨识。 出值与真实值的比较。从表1和图1可见,本文的辨识方法有 较高的精度。 表1各种模糊辨识方法结果比较 模型名称 Tong模型[ ] Pedrycz模型[ ] 定义:m ( ):rI k k)g ( ): 于是: ∑m ( ) 输入变量 Y(t一1),U(t一4) Y(t一1),u(t一4) Y(t一1),u(t一4) 规则数 模型误差MSE 19 81 3 0.469 0.320 0.2678 Y =∑ kqk ( ) 目标函数为: N (5) (6 Chen模型[。] 文献[9]模型 文献[10]模型 Y(t一1),u(t一4) Y(t—1),U(t一4) 7 2 O.1819 0.1653 .,: …y 一∑z )]。 本文模型 Y(t一1),U(t一4) 3 O.1527 通过求.,的最小化求参数b (i=1,2,…,C; =0,1,2, ,s) 采用最小二乘法(或递推最小二乘法)获得: B=(X X) X Y (7) 其中: B=[blo ̄ ̄ ̄b∞,b 一b …,6 ・・6 ] Y=[Y ,Y ,…,Y ] X=[ , T… ⅣT] =[q ,q ,…q ,g ,g :,…g: ,……g ,g …q ] (下转第253页) 

第2期 童承凤等:基于Android平台的双网双待的研究与设计 【J].计算机光盘软件与应用,2010(3):l8—22. 253 Calls,这是获取Modem中实际呼叫信息的核心方法,也是Track— er的含义所在。handlePollCalls完成实际的追踪功能,根据底层 上报的Outgoing、Incomming以及Activ ̄、Hold等状态更新Call [3]熊刚.基于Android的智能手机的设计与实现[D].武汉:武汉理 工大学,2010. 列表的信息,每个呼叫在其生命周期内的状态转换,在Call— Tracker中都可得到体现,并将这些变化信息及时通知其关注 者,也就是实现Phone的应用。 [4]陈燕萍.一种双SIM卡手机的设计与实现[D].西安:西安电子 科技大学,2008. [5]李龙忠.双卡双待手机底层驱动开发[D].西安:西安电子科技大 学,2009. 4结果分析 基于Android操作系统实现的双网双待功能模块设计,利 [6]韩超,梁泉.Aandroid系统原理及开发要点详解[M].北京:电子:亡 业出版社,2010:255—256. [7]吴少义.双卡双待手机中的双系统协同处理[D].西安:西安电子 科技大学,2008. 用Android通用的系统架构和设备无关的应用程序开发平台, 实现了双网双待单通系统电话部分的框架设计和上层Phone应 用程序设计。改进后的Android系统平台同时支持GSM和CD. MA两种网络同时待机,这大大方便了许多拥有两张手机卡并 且不在同一制式网络的用户。图6为Android系统平台上GSM 和CDMA双网同时待机的状态图。 图6 GSM和CDMA双网同时待机界面 5 结语 利用Android原有系统架构和本身包含一些Java核心应用 程序,通过添加一套新的支持CDMA的RIL来实现基于Android 平台的双网双待设计,使得一部手机同时维护两套独立的RIL, 既支持GSM又支持CDMA,分别对双SIM卡进行各自独立的处 理,极大地方便了广大Android手机用户。Android作为目前被 给予厚望的智能手机操作系统,实现双网双待必将为其赢得更 广阔的发展空间以及更多的拥护者,也将为未来的发展奠定坚 实的基础。尽管本方案的部分设计还不完善,许多细节的实现 还有待解决。但随着Google对Android版本的不断升级以及 Android应用的不断丰富,基于Android平台的双网双待设计将 会不断地完善与发展。 参考文献 [1]姚昱昱,刘卫国.Android的架构与应用程序开发研究[J].计算机 系统应用,2008(11):110—1l2. [2]赵海滨.基于Android1.5的双卡双待电话显示和管理模块设计 [8]马莉.天语双网双待手机让工作生活两相宜[J].办公自动化:办 公设备与耗材,2008(8):11—13 (上接第217页) 5结语 在本文所述的模糊辨识方法中,首先利用含有聚类有效准则 函数的模糊聚类方法来辨识模型前提结构,然后用最小二乘法和 梯度下降法来进行参数辨识和优化,极大地简化了辨识的复杂 性,具有实现简单,辨识精度高的特点,是一种在实践中有效的辨 识方法。实例仿真结果表明了本文提出的方法简单有效。 参考文献 [1]Gomez・Skarmeta A F.About the of Fuzzy Clustering Techniques for Fuzzy Model Indentiifcation[J].Fuzzy Sets and Systems,1999,106: 179—188. [2]Bezdek J C.Cluster validity with fuzzy sets[J].Journal of Cybernet, 1974,3(3):58—72. [3]Fukuyanma Y,Sugeno M.A new method of choosing the number of clusters for the fuzzy c—means method[C]//Proc.5th Fuzzy Syst. Symp,1989:247—250(in Japanese). [4]Xie X L,GBeni.A validity method for fuzzy clustering[J].IEEE Trans.Pattern Ana1.Maeh.Intell,1991,13(8):841—847. [5]Min-You Chen,D A Linkens.Rule-base self-generation and simpliifca— tion for data-driven fuzzy models[J].Fuzzy Sets and Systems,2004, 142:243—265. [6]Box G E P,Jenkins GM.Time Seires Analysis,Forecasting and Con— trol[M].San Francisco,CA:Holden Day,1970. [7]Sugeno M,Yasukawa T.A Fuzzy—Logic—Based Approach to Qualitative Modeling[J].IEEE Trans.on Fuzzy Syst.,1993,I:7~31. 【8]Sugeno M,Tanaka K.Successive Identification of a Fuzzy Model and Its Applications to Prediction of a Complex System[J].Fuzzy and Sys— terns,1991,42:315—334. [9]Kim E,Park M.A New Approach to Fuzzy Modeling[J].IEEE Trans. Fuzzy Syst.,1997,5(3):328—337. [10]Jian-Qin Chen,Yu-Geng Xi,Zhnng—Jun Zhang.A Clustering Algo— rithm ofr Fuzzy Model Identification[J].Fuzzy and Systems,1998,98: 319—329. [11]王宏伟,马广富,王子才.一种基于模糊规则的模糊辨识方法[J]. 系统仿真学报,1998,10(6). [12]刘福才,朴舂俊,裴澜.模糊模型辨识中模糊聚类方法应用分析 [J].系统工程与电子技术,2002(5). 


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