基于人工鱼群传算法的iir数字滤波器的设计--学位论文.doc
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1、武汉理工大学信息工程学院数字信号处理基于人工鱼群算法的IIR数字滤波 器的设计 课程名称: 数字信号处理 专业班级: 小组组员: 武汉理工大学信息工程学院数字信号处理摘要4Abstract51 鱼群模式概论61.1 鱼群模式61.2鱼群行为分析61.3 人工鱼71.4 问题的解决82 人工鱼群算法92.1 人工鱼模型92.2 相关定义92.3行为描述102.3.1 觅食行为102.3.2 聚群行为102.3.3追尾行为102.2.4 随机行为112.2.5 行为选择112.4 算法描述113 数字滤波器143.1数字滤波器的简介143.2 FIR和IIR数字滤波器的概述143.2.1 FIR数
2、字滤波器143.2.2 IIR数字滤波器153.2.3 FIR数字滤波器与IIR数字滤波器的区别153.3 数字滤波器的设计要求163.4 数字滤波器的设计方法174基于人工鱼群算法的IIR数字滤波器的设计184.1 IIR数字滤波器优化模型184.2 IIR数字滤波器设计194.3 IIR数字滤波器的仿真结果204.3.1 仿真图形205 小结226 参考文献23附件24摘要 IIR数字滤波器设计一直是数字信号处理领域的重要课题之一。优化算法是数字滤波器设计的一种主要方法,它是在一定优化准则下,使设计的滤波器性达到最优,但由于这些算法都是非线性优化算法,优化过程中容易陷入局部最小值。近年来,
3、随着智能优化算法的广泛研究,已经有学者将遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)应用到IIR数字滤波器设计中。但是遗传算法运行速度慢,有时会陷入局部最优解的缺点;粒子群算法虽然运行速度快,算法简单,但是仍有很大的可能陷入局部最优解。为了克服以上的缺点,采用新的全局优化技术提高IIR数字滤波器的设计质量,是一个值得研究的课题。人工鱼群算法是新近提出的一种全局优化算法。它将基于行为的人工智能思想通过动物自治体的模式引入优化命题的解决中,构造了一种解决问题的架构一鱼群模式,并由此产生了一种高效的智能优化算法。将人工鱼群算法用于IIR数字滤波器的设计,发现该算法实现简单,有较强的跳出局部最优解的能力,并
4、且具有算法灵活,简单,收敛速度快和全局收敛性好等优点。 人工鱼群算法从具体的实施算法到总体的设计理念,都不同于传统的设计和解决方法,同时它又具有与传统方法相融合的基础,相信该算法将来会被广泛地应用于问题求解、机器学习、信号处理、智能控制和人工生命等领域。 关键词:IIR数字滤波器 人工鱼群算法 全局优化 Abstract IIR digital filter design has been an important topic in the field of digital signal processing. Optimization algorithm is a major method
5、of digital filter design, which is optimized under certain criteria, so that the design of the optimal filter, but because these algorithms are nonlinear optimization algorithm, the optimization process is easy to fall into local minimum. In recent years, along with a wide range of intelligent optim
6、ization algorithm, scholars have genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) is applied to IIR digital filter design. However, the genetic algorithm is running slow, and sometimes fall into local optimal solution; PSO algorithm although fast, simple algorithm, but there is still muc
7、h more likely to fall into local optima. To overcome these drawbacks, the use of a new global optimization techniques to improve the design quality IIR digital filter is a subject worthy of study. AFSA is a global optimization algorithm recently proposed. AI thought it through animal behavior-based
8、autonomous body of the model into the optimization solution proposition, and construct a framework to solve the problem of a fish pattern, and thus produced a highly intelligent optimization algorithms. The AFSA for IIRDigital filter design, found that the algorithm is simple, there is a strong abil
9、ity to jump out of local optima, and has a flexible algorithm is simple and fast convergence and global convergence and good. AFSA algorithm from specific implementation into the overall design concept, are different from the traditional designs and solutions, but it also has the infrastructure and
10、the integration of traditional methods, I believe that the future of the algorithm is widely used in problem solving, machine learning, signal processing, intelligent control and artificial life, and other fields. Keywords: IIR digital filter AFSA global optimization1 鱼群模式概论1.1 鱼群模式 在动物的进化过程中,经过漫长的自
11、然界的优胜劣汰,形成了形形色色的觅食和生存方式,这些方式为人类解决问题的思路带来了不少启发和鼓舞。鱼群模式便是一种基于鱼群行为的自治体寻优模式。 一个集群通常定义为一群自治体的集合,他们通过相互间直接的或者间接的通讯,从而通过全体的活动来解决一些分布式的难题。在集群的过程中没有所谓的领导者,单个个体的行为也相对比较简单,个体看上去是盲目与随机的,但整体的行为却是有序与有目的的。这样就使得该类问题的设计不同于传统设计方法,从而引入了自下而上的设计方法动物自治体模式。 本设计将动物自治体的概念引入优化算法中,采用了自下而上的思路,应用了基于行为的人工智能方法,形成了一种新的解决问题的模式,因为是从
12、分析鱼类的活动出发的,所以称为鱼群模式。1.2鱼群行为分析 鱼类与我们的关系相当密切,也较为我们所熟知,通常我们可以观察到如下的鱼类行为: 觅食行为:这是生物的一种最基本的行为,也就是趋向食物的一种活动;一般可以认为它是通过视觉或味觉来感知水中的食物量或浓度来选择趋向的,因此,以上所述的视觉概念可以应用于该行为。 聚群行为:这是鱼类较常见的一种现象,大量或少量的鱼都能聚集成群,这是它们在进化过程中形成的一种生存方式,可以进行集体觅食和躲避敌害。 追尾行为:当某一条鱼或几条鱼发现食物时,它们附近的鱼会尾随其后快速游过来,进而导致更远处的鱼也尾随过来。 随机行为:鱼在水中悠闲的自由游动,基本上是随
13、机的,其实它们也是为了更大范围的寻觅食物或同伴。 以上是鱼的几个典型行为,这些行为在不同时刻会相互转换,而这种转换通常是鱼通过对环境的感知来自主实现的,这些行为与鱼的觅食和生存都有着密切的关系,并且与我们优化问题的解决也有着密切的关系。1.3 人工鱼 在一片水域中,鱼往往能自行或尾随其它鱼找到营养物质多的地方,因而鱼生存数目最多的地方一般就是本水域中营养物质最多的地方。人工鱼群算法就是根据这一特点,通过构造人工鱼来模仿鱼群的各种行为,从而实现寻优。 人工鱼是真实鱼个体的一个虚拟实体,用来进行问题的分析和说明。借助于面向对象的分析方法,可以认为人工鱼就是一个封装了自身数据信息和一系列行为的一个实
14、体,可以通过感官来接收环境的刺激信息,并通过控制尾鳍来作出相应的应激活动。 人工鱼所在的环境主要是问题的解空间和其他人工鱼的状态,它在下一时刻的行为取决于目前自身的状态和目前环境的状态(包括问题当前解的优劣和其他同伴的状态),并且通过自身活动影响环境,进而影响其他同伴的活动。图1.1 人工鱼实体1.4 问题的解决 问题的解决是通过自治体在自主的活动过程中以某种形式表现出来的。在寻优过程中,通常会有两种方式表现出来: 一种形式是通过人工鱼最终的分布情况来确定最优解的分布,通常随着寻优过程的进展,人工鱼往往会聚集在极值点的周围,而且,全局最优的极值点周围通常能聚集较多的人工鱼; 另一种形式是在人工
15、鱼的个体状态之中表现出来的,即在寻优的过程中,跟踪记录最优个体的状态。 鱼群模式不同于传统的问题解决方法,提出了一种新的模式,从而在下文引出了一种新的优化模式人工鱼群算法,使得这一模式具备并行分布处理、参数和初值的鲁棒性强等能力。2 人工鱼群算法2.1 人工鱼模型 算法基于动物自治体模式,采用了自下而上的设计方法,所以,首先着重构造人工鱼的模型。这里主要采用了面向对象的技术,并用C+语言的伪代码形式来说明。通常,人工鱼的模型可以用右边的类来描述:class Artificial_fishVarious:float AF_Xn; /人工鱼的各个变量float AF_step; /人工鱼的步长fl
16、oat AF_visual; /人工鱼的视野float try_number; /人工鱼觅食行为中尝试的次数float delta; /拥挤度因子Functions:float AF_foodconsistence();/人工鱼的食物浓度void AF_move(); /人工鱼移动到下一个位置float AF_follow(); /人工鱼的追尾行为float AF_prey(); /人工鱼的觅食行为float AF_swarm(); /人工鱼的群聚行为int AF_evaluate(); /人工鱼行为的评价与选择void AF_init(); /人工鱼的初始化artificial_fish()
17、;virtual Artificial_fish(); 这样,人工鱼的自身信息和一些行为封装在一个类里面,并且它的状态可以为其它同伴所感知到。 2.2 相关定义人工鱼个体的状态可表示为向量X=(x1,x2,xn),其中xi(i=1,n)为欲寻优的变量;人工鱼当前所在位置的食物浓度表示为Y=f(X),其中Y为目标函数值;人工鱼个体的距离表示为di,j=/Xi-Xj/;Visual表示人工鱼的感知距离;Step表示人工鱼的最大步长;为拥挤度因子。在算法中设立一个公告板,定义为一条人工鱼,用于记录最优人工鱼的状态。每条人工鱼在每次行动后,将自身的当前状态与公告板的状态进行比较,如果自身状态优于公告板
18、 ,则用自身状态取代公告板状态。2.3行为描述 2.3.1 觅食行为设人工鱼的当前状态为Xi在其感知范围内随机选择一个状态Xj,如果在求极大问题中,YiYj ,因极大和极小问题可以互相转换,所以以下均以求极大问题讨论),则向该方向前进一步;反之,再重新随机选择状态Xj,判断是否满足前进条件;这样反复尝试try-number次后,如果仍不满足前进条件,则随机移动一步。2.3.2 聚群行为设人工鱼当前状态为Xi,探索当前邻域内(即di,jVisual)的伙伴数目及中心位置,如果,表明伙伴中心有较多的食物并且不太拥挤,则朝伙伴中心位置方向前进一步,否则执行觅食行为。 2.3.3追尾行为 设人工鱼当前
19、状态为Xi,探索当前邻域内(即di,j0处收敛,极点全部在z = 0处(因果系统); (3)结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,但有些结构中(例如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。3.2.2 IIR数字滤波器IIR(Infinite Impulse Response)数字滤波器,又名“无限长冲激响应数字滤波器”,或“递归滤波器”。递归滤波器,也就是IIR数字滤波器,顾名思义,具有反馈,一般认为具有无限的冲激响应。IIR滤波器有以下几个特点: (1)封闭函数:IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。 (2)IIR数字滤波器采用递归型结构:IIR数字滤波器采用递归型结构,即
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