多种智能优化算法优化的逐次变分模态分解(SVMD)参数(第二期)

文摘   2024-11-19 08:30   湖南  

代码原理及流程

1.逐次变分模态分解简介

逐次变分模态分解(Sequential Variational Mode Decomposition, SVMD)是一种信号处理技术,主要用于将复杂信号分解为多个本征模态函数(Intrinsic Mode Functions, IMF)。SVMD通过迭代优化过程,将信号分解为一系列的模态分量,每个模态分量具有特定的频率和振幅,能够更好地捕捉信号的局部特征。SVMD的核心思想是通过变分原理,最小化信号与模态分量之间的误差,同时满足模态分量的频谱分离条件。这一过程通过引入拉格朗日乘数和惩罚系数来实现,最终得到一组模态分量,这些模态分量可以用于进一步的分析和处理。

2.逐次变分模态分解的不足

尽管SVMD在信号分解方面表现出色,但它也存在一些不足之处:
参数选择敏感性:SVMD的性能高度依赖于参数的选择,特别是惩罚系数的选择。惩罚系数过大或过小都会影响分解结果的准确性和稳定性。
计算复杂度高:SVMD的迭代优化过程涉及多次矩阵运算和求解变分问题,计算复杂度较高,尤其是在处理大规模数据时。
局部最优问题:由于SVMD的优化过程是非凸的,容易陷入局部最优解,导致分解结果不理想。

3.多种智能优化算法

采用智能优化算法来优化SVMD的关键参数,提高信号分解效果的质量。常用优化算法包括:

灰狼优化器 (Grey Wolf Optimizer, GWO)

蜜獾优化算法 (Honey Badger Algorithm, HBA)

改进的AO算法 (IAO)

飞蛾扑火优化算法 (Moth-flame Optimization Algorithm, MFO)

海洋掠食者算法 (Marine Predators Algorithm, MPA)

北苍鹰优化算法 (NGO)

鱼鹰优化算法 (Osprey Optimization Algorithm, OOA)

鲸鱼优化算法 (The Whale Optimization Algorithm, WOA)

等10余种智能优化算法

4.优化SVMD的过程

在SVMD中,二次惩罚系数(α)是一个关键参数,直接影响模态分量的提取效果。较大的惩罚系数会导致模态分量过于平滑,丢失细节信息;较小的惩罚系数则可能导致模态分量过于粗糙,无法有效分离。
通过智能优化算法,可以自动调整惩罚系数,使其适应不同的信号特征和分解需求。具体步骤如下:
初始化参数:设置智能优化算法的初始参数,如种群规模、迭代次数、变异概率等。
适应度函数设计:设计适应度函数,用于评估惩罚系数对分解结果的影响。适应度函数可以是信号分解后的重构误差、模态分量的能量分布等。
优化过程:利用智能优化算法进行迭代优化,调整惩罚系数,使得适应度函数值最小化或最大化。
结果评估:输出最优的惩罚系数,并利用该系数进行SVMD分解,评估分解结果的质量。

5.适应度函数

在参数优化过程中,选择适应度函数以评估模型分解效果:

选择1:排列熵最小

选择2:最小包络熵最小

选择3:信息熵最小

选择4:样本熵最小

选择5:能量熵最小

选择6:能量差最小

选择7:峭度最小

选择8:平均包络谱最小

选择9:模糊熵最小

选择10:包络峭度因子最小

选择11:包络谱峰值因子最小

选择12:最大互信息系数

选择13:皮尔逊相关系数

选择14:残差指数最小

选择15:互信息熵最小

交叉验证:对多种参数组合进行交叉验证,选取误差最小的最佳组合。

加速搜索与收敛:通过智能优化算法的快速收敛特性,提高参数优化的速度与精度。

6.应用效果

通过智能优化算法优化SVMD的二次惩罚系数,可以显著提升信号分解的效果。具体表现为:
提高分解精度:优化后的SVMD能够更准确地提取信号的模态分量,避免模态混叠和丢失细节信息。
降低计算复杂度:智能优化算法能够在较少的迭代次数内找到最优解,降低SVMD的计算复杂度。
增强鲁棒性:优化后的参数设置能够适应不同的信号特征和噪声环境,提高SVMD的鲁棒性。

7.总结

逐次变分模态分解(SVMD)是一种强大的信号分解技术,但其性能受参数选择的限制。通过引入多种智能优化算法,可以有效优化SVMD的二次惩罚系数,克服其不足之处。智能优化算法能够自动调整参数,提高分解精度、降低计算复杂度,并增强SVMD的鲁棒性。这一方法在信号处理、振动分析、图像处理等领域具有广泛的应用前景。

代码效果图





部分核心代码

%% 优化SVMD参数clc;clear;close all%% 加载数据sig=readmatrix('待分解的信号(例子).xlsx');% sig=xlsread('待分解的信号(例子).xlsx');%低版本的请用xlsread函数读取该文件signal=sig(1:1000,1)';%设置采样率来设置时间N=length(signal);Fs=1000;%%采样频率自己设置t=((0:N-1)*1/Fs)';%% 选择适应度函数criterion = 3; %选择1时采用的函数是排列熵最小               %选择2时采用的函数是最小包络熵最小               %选择3时采用的函数是信息熵函数最小               %选择4时采用的函数是样本熵函数最小               %选择5,采用的函数能量熵最小               %选择6,采用的函数能量差最小               %选择7,采用的函数峭度最小               %选择8,采用的函数平均包络谱最小               %选择9,采用的函数模糊熵最小               %选择10,采用的函数包络峭度因子最小               %选择11,采用的函数包络谱峰值因子最小               %选择12,采用的函数最大互信息系数               %选择13,采用的函数皮尔逊相关系数               %选择14时采用的函数是残差指数最小               %选择15时采用的函数是互信息熵最小%% 设定算法参数% 进化代数,即迭代次数    % 种群规模.Max_iter=10;           sizepop=10;% 参数范围(SVMD有两个参数:噪声标准偏差Nstd和实现次数NE, 0.001≤Nstd≤0.5;10≤NE≤100;% 变量下限       % 变量上限          % 优化参数个数为1为maxAlphalb=500;          ub=3000;             dim = length(lb);fobj=@(x) objfun(x,signal,lb,ub,criterion); % 调用定义的目标函数

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MATLAB科研小白
信号处理方向在校博士研究生,目前专研于MATLAB算法及科学绘图等,熟知各种信号分解算法、神经网络时序预测算法、数据拟合算法以及滤波算法。提供一个可以相互学习相互进步的平台
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