基于动态神经网络系统参数辨识
神经网络在系统辨识中的应用

神经网络在系统辨识中的应用摘要应用于自动控制系统的神经网络算法很多,特点不一,对于非线性系统辨识的研究有一定影响。
本文就BP网络算法进行了着重介绍,并点明了其收敛较慢等缺点,进而给出了改进算法,说明了建立在BP算法基础上的其他算法用于非线性系统辨识的可行性与有效性。
关键词神经网络BP算法;辨识;非线性系统前言神经网络是一门新兴的多学科研究领域,它是在对人脑的探索中形成的。
神经网络在系统建模、辨识与控制中的应用,大致以1985年Rumelhart的突破性研究为界。
在极短的时间内,神经网络就以其独特的非传统表达方式和固有的学习能力,引起了控制界的普遍重视,并取得了一系列重要结果。
本文以神经网络在系统辨识中的应用作一综述,而后着重介绍BP网络算法,并给出了若干改进的BP算法。
通过比较,说明改进算法具有诸多优点及用于非线性系统辨识[1]的可行性与有效性。
1 神经网絡用于系统辨识的原理及现状神经网络在自动控制系统中的应用已有多年。
目前,利用神经网络建立动态系统的输入/输出模型的理论及技术,在许多具体领域的应用得到成功,如化工过程、水轮机、机器入手臂、涡轮柴油发动机等。
运用神经网络的建模适用于相当于非线性特性的复杂系统[2]。
目前系统辨识中用得最多的是多层前馈神经网络[1]。
我们知道,自动控制系统中,一个单隐层或双隐层的具有任意数目神经元的神经网络,可以产生逼近任意函数的输入/输出映射。
但网络的输入节点数目及种类(延迟输入和输出)、隐层节点的个数以及训练所用的算法对辨识精度和收敛时间均有影响。
一般根据系统阶数取延迟输入信号,根据经验确定隐层节点数,然后对若干个神经网络进行比较,确定网络中神经元的合理数目。
现在用得较多的多层前馈神经网络的学习算法是反向传播算法(Back Propagation),即BP算法。
但BP算法收敛速度较慢,后面将会进一步讨论。
1.1 神经网络的结构感知器是最简单的前馈网络,它主要用于模式分类。
6.5 Hopfield网络参数辨识

2.1 系统描述
设待辨识为二阶线性系统,其状态方程为:
x Ax Bu
(1)
其中
u
A
B 、
为待辨识的参数矩阵, x 为状态矢量,
x x1
x2
T
是单个控制输入。 用于辨识的可调系统为
xp Fx Gu
(2)
其中
a1 1 F a 21
a1 2 a 22
n du i ui w ij v j Ii C i dt Ri j 1 v i g u i
其中 i 1, 2 ,..., n 。
其中g(•)为双曲函数,一般取为:
g s 1 e 1 e
s s
u u 1 , u 2 ,..., u n
(10)
a 1 1 b1 x1 a 1 2 b1 x 2 a 2 1 b 2 x1 a 2 2 b 2 x 2 u
则
T T T T x F x x F x 2 x F x 2 a 1 1 x1 x1 a 1 2 x1 x 2 a 2 1 x 2 x1 a 2 2 x 2 x 2
取
V v1 v2 v3 v4 v5 v 6 a1 1
T
a1 2
a 21
a 22
b1
b2
T
将
E
中的各项可表达为式(7)~式(12):
2 2 T x x x1 x 2
(7)
x F F x x1
T T 2 2
a1 1 x2 a1 2
(14)
2.3 用于辫识的Hopfied网络设计 Hopfield网络能量函数趋于极小的过程,就是估计矩阵 G 和
在线参数辨识方法

在线参数辨识方法1. 简介在线参数辨识方法是指在系统运行过程中,利用实时采集的数据对系统的参数进行估计和辨识的方法。
通过在线参数辨识,可以实时更新系统模型的参数,提高系统的控制性能和适应性。
在线参数辨识方法在自动控制领域具有广泛的应用。
它可以用于工业过程控制、机器人控制、飞行器控制等各种领域。
通过不断地对系统进行参数辨识,可以使系统更好地适应不确定性和变化。
本文将介绍在线参数辨识方法的基本原理、常用算法以及应用案例,并分析其优点和不足之处。
2. 基本原理在线参数辨识方法基于最小二乘法原理,通过最小化测量值与模型预测值之间的误差来估计系统的参数。
其基本步骤如下:1.收集实时数据:利用传感器等设备采集系统的输入输出数据。
2.确定模型结构:根据系统特性选择合适的数学模型,并确定模型中需要估计的参数。
3.建立误差函数:将测量值与模型预测值之间的误差表示为一个函数,通常采用最小二乘法。
4.参数估计:通过优化算法求解误差函数的最小值,得到系统的参数估计值。
5.参数更新:根据新获得的参数估计值更新系统模型,以便在下一次辨识时使用。
3. 常用算法在线参数辨识方法有多种常用的算法,下面介绍其中几种常见的算法:3.1 最小二乘法最小二乘法是在线参数辨识中最基本也是最常用的方法。
它通过最小化测量值与模型预测值之间的平方误差来估计系统的参数。
最小二乘法可以通过解析方法或迭代方法求解。
3.2 递推最小二乘法递推最小二乘法是一种在线更新参数的方法。
它利用递推公式和滑动窗口技术,在每个时间步都更新参数估计值。
递推最小二乘法能够实时跟踪系统参数变化,并具有较好的收敛性能。
3.3 卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器是一种基于状态空间模型和观测方程的滤波器,可以用于在线参数辨识。
它通过对系统状态和观测数据的联合估计,实现对系统参数的在线估计。
3.4 神经网络神经网络是一种基于人工神经元模型的参数辨识方法。
通过训练神经网络,可以实现对系统参数的在线辨识。
参数辨识的过程

参数辨识的过程一、引言参数辨识是指根据已知的输入输出数据,通过建立数学模型,对系统的未知参数进行估计和辨识的过程。
在科学研究和工程实践中,参数辨识对于系统建模、控制与优化等问题具有重要意义。
本文将介绍参数辨识的基本概念、方法和应用。
二、参数辨识的基本概念1. 参数:在数学模型中,描述系统特性的未知量被称为参数。
参数可以是物理量、几何参数或统计参数等。
2. 辨识:辨识是指根据已知的输入输出数据,对系统的未知参数进行估计和推断的过程。
3. 数学模型:数学模型是对系统行为进行描述的数学表达式,可以是线性或非线性、时变或时不变的。
三、参数辨识的方法1. 参数估计法:参数估计是指通过最小二乘法或极大似然估计等方法,利用已知的输入输出数据,对系统的未知参数进行估计。
2. 信号处理法:信号处理方法通过对输入输出信号进行滤波、频谱分析等处理,提取系统的频率响应特性,进而推断系统的参数。
3. 优化方法:优化方法通过调整系统参数,使得系统输出与实际观测值之间的误差最小化,从而得到最优参数估计。
4. 神经网络方法:神经网络是一种模仿生物神经网络结构和功能的数学模型,可以通过训练神经网络,得到系统的参数估计。
四、参数辨识的应用1. 控制系统设计:参数辨识可以用于建立系统的数学模型,从而设计出有效的控制算法,实现系统的自动控制。
2. 机器学习:在机器学习领域,参数辨识可以用于训练模型,对大数据进行分析和预测。
3. 信号处理:参数辨识可以用于信号处理领域中的滤波、频谱分析等问题。
4. 物理实验:在物理实验中,参数辨识可以用于对物理系统的特性进行分析和实验验证。
五、参数辨识的挑战和发展方向1. 噪声干扰:在实际应用中,系统输入输出数据往往受到噪声的影响,这给参数辨识带来了挑战。
2. 非线性系统:大多数实际系统都是非线性的,参数辨识方法需要考虑非线性系统的特性。
3. 多参数辨识:往往一个系统存在多个参数需要辨识,参数辨识方法需要考虑多参数辨识的问题。
《系统辨识》新方法

《系统辨识》新方法随着科技的不断进步,系统辨识领域也迎来了新的突破和发展。
系统辨识是指通过对系统内部结构和参数进行分析和推断,以获取对系统行为的认识和预测的过程。
它在工程控制、信号处理、机器学习等领域有着广泛的应用。
在过去,系统辨识主要依靠数学建模和理论推导来实现,但是这种方法往往需要大量的先验知识和较为复杂的计算过程。
如今,随着人工智能、深度学习等技术的发展,一些新的方法开始被引入到系统辨识领域,为系统辨识带来了新的可能性和机遇。
一种新的方法是基于深度学习的系统辨识。
深度学习是一种基于大数据和多层神经网络的机器学习方法,它可以通过学习大量的数据来获取系统的内在模式和规律。
在系统辨识中,深度学习可以应用于对系统状态的预测、参数的估计以及对系统模型的推断。
相比于传统的数学建模方法,基于深度学习的系统辨识在处理非线性系统和高维数据时更加灵活和高效。
它可以直接从数据中学习系统的内在特征,无需假设系统的具体数学结构,从而能够更准确地对系统进行辨识和预测。
另一种新的方法是基于强化学习的系统辨识。
强化学习是一种通过智能体和环境的交互来学习最优行为策略的机器学习方法,它可以应用于系统的参数优化和控制器设计。
在系统辨识中,强化学习可以通过持续的试错和调整来逐步优化系统的辨识性能。
通过与环境的交互和反馈,强化学习可以逐步改进系统辨识的准确性和稳定性。
相比于传统的批量学习方法,基于强化学习的系统辨识可以更好地适应系统的变化和非线性特性。
除了深度学习和强化学习,还有一些其他新的方法也开始被引入到系统辨识领域。
基于图神经网络的系统辨识可以通过对系统的结构和拓扑进行学习和推断,从而实现对复杂系统的辨识和模型推断。
而基于元学习的系统辨识则可以通过对辨识任务的学习和泛化来提升系统辨识的鲁棒性和适应性。
这些新的方法为系统辨识带来了更加丰富和多样的可能性,为工程实践和科学研究提供了新的思路和工具。
新方法也面临着一些挑战和问题。
新方法往往对大量的数据和计算资源有着较高的要求,这对于一些实时性要求较高的系统辨识任务来说可能会存在一定的局限性。
7-1 神经网络辨识方法

从实际的观点看,辨识就是从一组模型中选择一个模型,按照某种原则,使之最 好地拟合所关心实际系统的动态或静态特性。
ˆ ,输出为 其数学表达为:设 系统为 P ,输出为 Z,输入为 u,模型为 P ˆz 辨识准则为 min z
ˆ z
ˆ, 使 因此辨识问题的提法是:确定模型 P
ˆ u p u ˆ z min p min z
u 系统 P
z _
z
模型
ˆ P
z -Z
2 系统解识的传统方法 <1> 基本要求 ①模型的选择 模型只能是在某种意义下实际系统的一种近似描述。 选择的标准依赖于模型的用途并兼顾其精确性和复杂性等问题。 ② 输入信号的选择 第一,输入信号的频谱必须足以覆盖系统的频谱。在辨识时间里,输入信号 必须是持续激励的,也就是说,输入信号必须充分激励系统的所有模态。 第二,输入信号应是最优的,即设计的输入信号使给定的问题的辨识程度最 高,因此常用的输入信号是向噪声或伪随机信号。 ③误差准则的选择 个误差的泛函: 准则是用来衡量模型接近实际系统的标准,它通常表示为一
系统 h(k) 辨识表达式 0 e(k) + z(k) -
Z(k) _
模型
z (k)
( z (k)- z(k) ) 辨识算法 (k) 最小二乘法辨识原理
②梯形校正法 利用最速下降法原理,沿着误差准则函数关于模型参数的负梯度 方向,逐步修改模型的参数估计值,直至误差准则函数达到最小值。
J f e k
L
其中 f 是 e k 的泛函数, e k 是定义在区间 0, L 上模型与实际系统的误差函 数。
k 1
<2> 传统辨识基本方法 传统方法的基本原理:是通过建立系统依赖于参数 的模型,把辨识问题转化成 对模型参数的估计问题。
基于动态模糊神经网络的非线性系统辨识

康
瑁, : 等 基于动态模糊神经网络的非线性系统辨识
13 参数学 习 .
43 3
其中√∈{ ,, k , 为模糊规则数 , 12 …, }k n为输
入参 数个 数 。
为 系统输 出 。 1 2 模糊 神经 网络 .
为模 糊 集 , 为 模 糊 系 统 参 数 ,j Y
模糊 神经 网络结 构 中的参 数 、 、 均 可用 学
1 模糊神经 网络辨识模型
1 1 模 糊推 理规 则 .
自适应能力强, 辨识精度高 ; 文献 [ ] 6 提出了一种基 于混合模糊神经网络的增量学 习方法 , 根据输出数 据调整网络参 数 , 具有更好的控制性能, 收敛效果
收 稿 日期 :0 1 52 21- — 0 7
采 用 Ts推理模 型 , . 每条规 则 如下 :
文章 编 号 :6 3— 0 7 2 1 )6—0 3 0 17 2 5 ( 0 1 0 4 2— 5
基 于 动态模 糊 神 经 网络 的 非线 性 系统 辨识
康 琚 , 孟文俊 王倩 怡 ,
(. 1 太原科技 大 学机械 工程 学院 , 太原 0 0 2 ;. 3 0 4 2 中北 大 学软件 学院 , 太原 0 0 5 ) 3 0 1
逼 近速度 快和 适用 范 围广 等特 点 , 能有 效 辨识 高 度
神 经 网络相结合 的辨识 结 构 , 并通 过 参 数学 习算 法
优 化辨识 结构 。另外 , 对输 人 数 据采 用 归 一化 的 方 法 进行 预 处 理 , 快 了 网络 的辨识 速 率 。最 后 , 加 通
非 线性 、 输 人 多 输 出等 复 杂 非 线性 系统 。 目前 , 多 模 糊神 经 网络 用 于 系 统 辨 识 的研 究 有 多 种 形 式 。
哈工大智能控制神经网络第十一课神经网络系统辨识

m
n
y(k) biu(k d i) ai y(k i)
i0
i 1
或
y(k) qd B(q1) u(k) B(q1) u(k d)
A(q1 )
A(q1 )
第一式为 ARMA 模型:
右边第 2 项为输出 y(k)的过去值组合称自回归部分; 第 1 项为输入 u(k)的过去值组合称滑动平均部分。
定义:
P(z)
Y (z) U (z)
Zy(k) Z u (k )
用迟后移位定理求 Z 变换,经整理得 Z 传递函数:
P( z)
b0 + b1z 1 + b2 z 2 + + bm z m 1 + a1z 1 + a2 z 2 + + an z n
z d
m
b0 (1 pi z 1)
i1
n
z d P0 (z)z d
确定性系统NN辨识——改进算法
引入加权因子,此时
h [ c 1 y (k 1 ), y c 2 (k 2 ), , c ny (k n );
c n + 1 u (k d ),c n + 2 u (k d 1 ), c n + m + 1 u (k d m )]T
可取 ci i,01
则参数估计更新:w ( k + 1 ) w ( k ) + R ( k ) e ( k ) h ( k )
系统辨识理论基础
定义:在输入/输出数据基础上,从一组给 定模型类中确定一个所测系统等价的模型。 辨识三要素: 输入/输出数据 模型类(系统结构) 等价准则 e.g. J e
符号
P: 待辨识系统; Pˆ 辨识系统模型
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such that
It is well known that neuro identification is in sense of black-box identification. All of the uncertainties can be considered as parts of the black-box. Hence, the commonly used robustifying techniques such as dead-zone or -modification may be not necessary. This is the motivation of this paper.
function, such that, for all , all initial conditions and all
the following inequality holds:
Manuscript received April 17, 2000; revised October 23, 2000. W. Yu is with the Departamento de Control Automatico, CINVESTAV-IPN, Mexico D.F., 07360, Mexico (e-mail: yuw@ctrl.cinvestav.mx). X. Li is with the Sección de Computación, Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV-IPN, Mexico D.F., 07360, Mexico. Publisher Item Identifier S 1045-9227(01)02039-2.
Index Terms—Dynamic neural networks, passivity, system identification.
I. INTRODUCTION
R ECENT results show that neural-network techniques seem to be very effective to identify a wide class of complex nonlinear systems when we have no complete model information, or even when we consider the controlled plant as a black box [3]. This model-free approach uses the nice feature of neural networks, but the lack of model makes hard to obtain theoretical result on the stability of neuro identification. For the engineers it is very important to assure the stability in theory before they want to apply neural networks to real systems.
We will use passivity theory to analyze the stability of neuro identification. Passivity approach may deal with the poor defined nonlinear systems, and offers elegant solutions for the proof of absolute stability. It can lead to general conclusions on the stability by using only input–output characteristics. The passivity properties of MLP were examined in [2]. By means of analyzing the interconnected of error models, they derived the relationship between passivity and closed-loop stability. To the best of our knowledge, open-loop analysis based on the passivity method for dynamic neural networks has not yet been established in the literature. We will show that a gradient-like learning law can make the identification error stability, asymptotic stability and input-to-state stability. A Simulations of the vehicle idle speed identification gives the effectiveness of the proposed algorithm.
well as some stability properties of passive systems.
Definition 1: A system (1) is said to be passive if there exists
a nonnegative function
, called storage
where , and are nonnegative constants,
is positive
semidefinite function of such that
.
is
called state dissipation rate. Furthermore, the system is said
to be strictly passive if there exists a positive definite function
Abstract—Nonlinear system on-line identification via dynamic neural networks is studied in this paper. The main contribution of the paper is that the passivity approach is applied to access several new stable properties of neuro identification. The conditions for passivity, stability, asymptotic stability, and input-to-state stability are established in certain senses. We conclude that the gradient descent algorithm for weight adjustment is stable in an sense and robust to any bounded uncertainties.
, the
output
of (1) is such that
, for all , i.e., the energy stored in system (1) is bounded.
Following to [1], let us now recall some passivity properties as
II. PRELIMINARIES Consider a class of nonlinear systems described by
(1)
where
state;
input vector;
output vector.
is locally Lipschitz,
is
continuous. It is also assumed that for any
412
IEEE T, NO. 2, MARCH 2001
Some New Results on System Identification with Dynamic Neural Networks
Wen Yu and Xiaoou Li
In spite of their successful applications, there are not many results on the stability analysis for neural networks. The global asymptotic stability (GAS) of dynamic neural networks has been developed during the last decade. Diagonal stability [6] and negative semidefiniteness [7] of the interconnection matrix may make Hopfield–Tank neuro circuit GAS. Multilayer perceptrons (MLP) and recurrent neural networks can be related to the Lur’e systems, the absolute stabilities were developed by [14] and [9]. Input-to-state stability (ISS) technique [13] is an effective tool for dynamic neural networks, [16] stated that if the weights are small enough, neural networks are ISS and GAS with zero input. Many publications investigated the stability of identification and tracking errors of neural networks. Reference [5] studied the stability condition when multilayer perceptrons were used to identify and control nonlinear systems. Lyapunov-like analysis is suitable for dynamic neural networks. References [12] and [17] discussed the signal-layer case. References [8] and [10] studied the high-order dynamic networks and multilayer dynamic networks. Since neural networks cannot match nonlinear systems exactly, some robust modifications [4] were applied on the normal gradient descent algorithm [12], [14] and the backpropagation algorithm [5], [17].