SUPERVISOR
Mohsen Mojiri foroshani,Farid Sheikholeslam,Javad Askari
محسن مجیری فروشانی (استاد راهنما) فرید شیخ الاسلام (استاد راهنما) جواد عسگری مارنانی (استاد مشاور)
STUDENT
Mehrdad Yazdanian
مهرداد یزدانیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Identification and Rejection of Exponentially Damped Sinusoidal Signal using Extended Kalman Filter
In this thesis, parameter estimation of a signal consisting of a number of exponentially damped sinusoidal signal (EDS) corrupted with noise is considered. It is clear that this signal with zero damping factor is a pure sinusoidal signal. Frequency estimation of a pure sinusoidal signal is frequently encountered in signal processing and control applications, for instance, in active noise control, power systems, computer hard disk drive, harmonic control, rotating mechanical systems, etc. In order to estimate the frequency of a pure sinusoidal signal many techniques have been developed such as adaptive notch filter, discrete Fourier transform (DFT) and its modifications, phase locked loop and Kalman filtering. In the case of non-zero damping factor, both damping factor and the frequency of the EDS signal should be estimated simultaneously. This kind of problem arises in several practical fields such as speech/audio analysis, linear system identification and transient analysis. In these applications, the observed signals can be modelled as noisy EDS signals. On the other hand, EDS signals are frequently encountered in the response of linear and time invariant systems. Therefore, the problem of estimating the parameters of an EDS signal in noise has been an attractive one; although its inherent nonlinearity has made it a difficult problem. Various methods have been proposed to estimate the parameters of an EDS signal. Some of well-known approaches include matrix pencil method, estimation of signal parameters via rotational invariance technique (ESPRIT), Kung’s algorithm, maximum likelihood method, linear prediction methods such as Prony’s method, Kumaresan-Tufts method. These methods are not suitable for tracking time varying parameters. Therefore researches have been focused on applying on-line estimators such as Kalman filter to track time varying frequency and damping factor. Kalman filter is considered as a recursive algorithm for optimal estimation of linear stochastic processes. This algorithm is suitable for applying in digital systems and is a reasonable choice for on-line applications because of its acceptable computational load. Extended Kalman filter represents the conversion of the Kalman filter to nonlinear processes such as frequency tracking problem. There is a long history of applying extended Kalman filter (EKF) for estimation and tracking the frequency of a pure sinusoidal signal. The frequency estimation based on EKF is particularly pertinent in view of our interest in developing an EDS signal parameters estimator. In this thesis is we drive an EKF for estimating the parameters of an EDS signal. First, a new state space model is developed for an EDS signal. Then, an EKF is designed using the linearization of the proposed state space model that provides a direct estimation of frequency and damping factor and stability analysis of the proposed algorithm is carried out. Adaptive nature of the proposed EKF enables it to track time variations of EDS signal parameters. Various simulations show the desirable performance of the proposed EKF. Furthermore, the proposed method is extended for a signal consisting of a number of exponentially damped sinusoidal signals and finally the estimated parameters are employed in an adaptive feedforward cancellation scheme to cancel the EDS type disturbances affecting a linear system. Keywords: parameter estimation, exponentially damped sinusoidal signal, EDS, extended Kalman filter, EKF, disturbance rejection
در سیستمهای کنترلی امروزی، پردازش بهنگام سیگنالها از اهمیت ویژهای برخوردار است زیرا این سیگنالها حاوی اطلاعاتی از سیستم و بنابراین عملکرد آن هستند. هر چه بتوان اطلاعات بیشتری از سیگنالهای در دسترس استخراج کرد، طبیعتا توصیف دقیقتری از خصوصیات سیستم در اختیار داریم و در نتیجه توانایی کنترلی بالاتری خواهیم داشت. در حقیقت طراحی مناسب و ارزیابی عملکرد سیستم کنترلی، نیازمند اطلاعاتی در مورد سیگنالهای موجود در محیط است. بنابراین پژوهشهای بسیاری جهت رویارویی با سیگنالهایی که وجودشان از قبل قابل پیشبینی میباشد انجام گرفته است. یک دسته از این سیگنالها که در کاربردهای گوناگون ظاهر میشوند سیگنالهای سینوسی و در حالت کلیتر سیگنالهای سینوسی میرا هستند. سیگنالهای سینوسی میرا در گستره وسیعی از کاربردها ظاهر میشوند. چه به منظور کاربردهای کنترلی (همچون حذف اغتشاش) و چه به قصد پردازش سیگنال، یافتن الگوریتمی که توانایی استخراج و تعقیب پارامترهای این سیگنال را داشته باشد، حائز اهمیت میباشد. این موضوع پژوهشگران را بر آن داشته تا به دنبال راهکارهایی مناسب جهت استخراج پارامترهای این نوع سیگنال به منظور کاربردهای بهنگام باشند. با توجه به این موضوعات، در این پایان نامه ابتدا الگوریتم جدیدی مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته برای تخمین بهنگام فرکانس و ضریب میرایی سیگنال سینوسی میرا ارائه شده است و بر مبنای قضایای مربوط به پایداری فیلتر کالمن توسعه یافته، همگرایی این الگوریتم مورد بررسی قرار گرفته است. آنگاه مدل ارائه شده برای سیگنال سینوسی میرا به یک مدل جدید برای سیگنال متشکل از N سیگنال سینوسی میرای بایاس شده، گسترش داده شده است. شبیهسازیهای متعددی موید کارایی مطلوب الگوریتم برای تجزیه و تحلیل سیگنالهای سینوسی میرا در حوزه زمان است. شبیهسازیهای انجام شده نشان میدهد که الگوریتم پیشنهاد شده علاوه بر تخمین پارامترهای سیگنال سینوسی میرا، توانایی تعقیب پارامترهای سیگنال سینوسی میرا با پارامترهای متغیر را دارا میباشد. در ادامه این پایان نامه، مساله حذف سیگنالهای سینوسی میرا در یک سیستم کنترل به عنوان اغتشاش وارد شونده به یک فرآیند خطی و تغییر ناپذیر با زمان مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور روش پیشنهادی برای تخمین فرکانس، ضریب میرایی و مولفههای سینوسی و کسینوسی سیگنال اغتشاش در یک سیستم حذف پیشخوردی تطبیقی استفاده شده و یک قانون کنترل جهت حذف این نوع از اغتشاشها ارائه شده است. عملکرد سیستم پیشنهادی با استفاده از مثالهای شبیه سازی برای سیگنالهای سینوسی میرا با پارامترهای ثابت و متغیر مورد بررسی قرار گرفته است. . کلمات کلیدی: تخمین فرکانس؛ سیگنال سینوسی میرا؛ فیلتر کالمن توسعه یافته؛ حذف اغتشاش.