SUPERVISOR
بهرام کریمی (استاد مشاور) محسن مجیری فروشانی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Ali Ghadiri Modarres
محمدعلی قدیری مدرس
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Identification and Control of Exponentially Damped Sinusoidal Signals Using Adaptive Identifier
Online estimation of the parameters of an exponentially damped sinusoidal (EDS) signal is a classical problem in systems theory that has some practical applications. Examples include audio signal modeling and system identification. Audio signals contain relatively fast variations in amplitude and cannot be efficiently modeled as constant-amplitude sinusoids. In system identification problems, the characterization of the impulse response of a linear system by a sum of complex exponentials and then identifying or approximating the complex amplitudes and the natural frequencies with high degree of accuracy is of special importance. Parameter estimation of an EDS signal consists of amplitude, damping factor, frequency and phase of the signal. Nonlinear dependence of an EDS signal on its frequency and damping factor makes the estimation of these two parameters a challenging theoretical problem. In this thesis, an adaptive algorithm is proposed for the estimation of the frequency and damping factor of an EDS signal. The algorithm is based on an adaptive identifier which is a theoretical tool for the estimation of the parameters of an unknown linear system. The governing equations of the proposed algorithm are composed of a second order linear filter and two update laws that provide indirect estimation of the frequency and damping factor. Since the EDS signal is a finite duration signal, the parameters which are estimated by the standard gradient method, are not guaranteed to converge to their nominal values. To guarantee the convergence, the parameters update laws derived by the gradient algorithm are properly normalized. Local asymptotic stability of the proposed algorithm is carried out based on the averaging theory. Various aspects of the proposed algorithm are investigated through extensive computer simulations. Specifically, a number of simulations are conducted to show that the proposed method is appropriate for estimation of the parameters that are slowly time varying. Moreover, it is shown that the algorithm is capable of estimating the frequency and damping factor of an exponentially undamped sinusoidal signal and estimating the frequency of a sinusoidal signal. The thesis further contributes in presenting an adaptive algorithm for the rejection of the EDS type disturbances affecting a linear and time invariant system. For this, the proposed algorithm for the estimation of frequency and damping factor of an ESD signal is used. The proposed compensator which is based on the concept of the adaptive feedforward cancelation (AFC) scheme reproduces the disturbance signal in the loop. The advantage of the proposed compensator is that the frequency and damping factor of the disturbance signal is estimated independently of the cancellation scheme for an EDS signal with known frequency and damping factor. The proposed algorithm is simple in structure and can be easily designed, as long as the plant is known and stable. Based on simulation examples, the performance of the compensator is evaluated. Compared with the internal model principle algorithm, the parameters tuning in the proposed method is simpler. Fast convergence rate of the parameters and rejection of the disturbance signal in short time are the other salient features of the system. Simulation results confirm the analytical derivations and the desirable performance of the proposed compensator. Key Words: Exponentially damped sinusoidal signal, Frequency, Damping factor, Adaptive identifier, Averaging theory, Adaptive feedforward cancellation
تخمین پارامترهای سیگنال سینوسی میرا از مسائل قدیمی است که به شکل های گوناگون در کاربردهای مهندسی ظاهر می شود. مدل سازی سیگنال های صوتی و گفتار و شناسایی سیستم ها از جمله کاربردهای سیگنال های سینوسی میرا می باشند. سیگنال های صوتی دارای تغییرات سریع در دامنه می باشند و بنابراین مدل سازی آن ها به وسیله سیگنال سینوسی با دامنه ثابت کارآمد نیست. همچنین در مسائل شناسایی سیستم ها، توصیف پاسخ ضربه یک سیستم خطی به صورت مجموعی از نمایی های مختلط و شناسایی دامنه مختلط و فرکانس طبیعی این نمایی ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تخمین پارامتر در سیگنال های سینوسی میرا می تواند شامل تخمین دامنه، ضریب میرایی، فرکانس و فاز باشد. در این میان، تخمین فرکانس و ضریب میرایی به لحاظ ارتباط غیر خطی با سیگنال سینوسی میرا از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پایان نامه، یک الگوریتم تطبیقی، جهت تخمین بهنگام فرکانس و ضریب میرایی سیگنال های سینوسی میرا ارائه شده است. الگوریتم ارائه شده مبتنی بر مفهوم شناساننده تطبیقی به عنوان روشی برای تخمین پارامترهای یک سیستم خطی می باشد. الگوریتم پیشنهادی از یک فیلتر مرتبه دو به همراه دو قانون تنظیم تشکیل شده است که به طور غیر مستقیم تخمین فرکانس و ضریب میرایی سیگنال سینوسی میرا را بدست می دهند. به دلیل محدود بودن طول عمر سیگنال سینوسی میرا، تضمینی جهت همگرایی مقادیر تخمینی پارامترهای بدست آمده توسط الگوریتم گرادیان استاندارد به مقادیر نامی پارامترها وجود ندارد. جهت تضمین همگرایی، قوانین تنظیم حاصل شده از الگوریتم گرادیان به صورت مناسب نرمالیزه شده اند. پایداری مجانبی محلی الگوریتم پیشنهادی با استفاده از قضیه معدل گیری از نظریه سیستم های دینامیکی اثبات شده است. جنبه های مختلف الگوریتم ارائه شده از طریق شبیه سازی های کامپیوتری مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازی های انجام داده شده نشان می دهند الگوریتم پیشنهادی توانایی تعقیب تغییرات آرام پارامترها را نیز دارد. همچنین نشان داده می شود الگوریتم ارائه شده توانایی تخمین فرکانس و ضریب میرایی سیگنال سینوسی نامیرا و همچنین توانایی تخمین فرکانس یک سیگنال سینوسی را نیز دارد. در ادامه با استفاده از الگوریتم پیشنهادی برای تخمین فرکانس و ضریب میرایی سیگنال های سینوسی میرا، کنترل کننده ای برای حذف این سیگنال ها به عنوان اغتشاش وارد شده به یک فرآیند خطی تغییر ناپذیر با زمان، طراحی شده است. بدین منظور از روش حذف پیشخوردی تطبیقی استفاده شده است. بازسازی سیگنال اغتشاش در حلقه ایده استفاده از این روش می باشد. مزیت استفاده از این روش، طراحی جداگانه تخمین زن فرکانس و ضریب میرایی و سیستم حذف اغتشاش سیگنال سینوسی میرا با فرکانس و ضریب میرایی مشخص می باشد. الگوریتم پیشنهادی ساختاری ساده داشته و برای فرآیند با تابع انتقال پایدار و معلوم به سادگی قابل طراحی می باشد. با ارائه مثال های شبیه سازی عملکرد کنترل کننده مورد بررسی قرار گرفته است. در مقایسه با الگوریتم مبتنی بر اصل مدل داخلی، تنظیم پارامترها در روش معرفی شده ساده تر می باشد. همچنین همگرایی سریع پارامترها و حذف سریع سیگنال اغتشاش از دیگر مزایای کنترل کننده پیشنهادی است. نتایج شبیه سازی مؤید تحلیل های تئوری و عملکرد مطلوب سیستم کنترلی پیشنهادی می باشند. کلمات کلیدی: سیگنال سینوسی میرا، فرکانس، ضریب میرایی، شناساننده تطبیقی، قضیه معدل گیری، حذف پیشخوردی تطبیقی