GP和PSO算法相结合实现有源滤波器的进化设计

摘要

遗传程序设计(Genetic Programming，GP)是进化计算的一个分支，它基于达尔文适者生存原理，从描述问题解的计算机程序群体出发，模拟自然进化过程，使问题的解不断进化，直至产生最优解。由于其操作对象是规模和形状能动态变化的具有分层结构的计算机程序，使得它在硬件电路的表示，即电路的编码方式上比较优越。 粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是基于一群粒子的智能运动而产生的随机进化计算方法，源于对鸟群捕食的行为研究。它同GP类似，是一种基于叠代的优化工具，系统初始化为一组随机解，通过叠代搜寻最优值，但是它并没有GP用的明显的交叉及变异，而足粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索，也正是由于这点，使得它在参数优化方面更具优越性。 现代电子电路技术的发展，使得模拟滤波器成为高精度大规模集成电路中的一个基本模块。木文通过分析GP和PSO算法的思想及实现方式，将它们结合起来运用到有源滤波器的设计当中来，即： 首先，利用GP进化设计有源滤波器的电路结构； 其次，应用PSO算法优化用GP进化设计出的有源滤波器电路结构的参数，从而得到最终的有源滤波器电路。 论文重点研究了GP的改进措施，提出了一种基于模块的个体表示方法，并建立了相应的交叉、变异等遗传操作规则和适应度评价方法；这种方法有效克服了现有GP中的个体表示方法在电路进化过程中计算冗余量大、可复用性小等缺点，提高了算法的寻优能力和收敛速度。 本文以各利，二阶有源滤波器及四阶状态变量滤波器的进化设计为例，给出了GP和PSO算法相结合实现有源滤波器的进化设计的方法和步骤。使用Multisim 8仿真软件对进化后的有源滤波器电路进行了仿真，其结果表明，所得到的有源滤波器完全可以满足设计要求。 论文中，GP部分采用C语言编程实现，PSO算法部分采用C++语言编程实现，均在VC++6.0环境下编译完成。

目录

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声明

第一章引言

1.1绪论

1.2电子电路进化设计方法

1.2.1进化设计基本原理

1.2.2数字电路进化设计研究概况

1.2.3模拟电路进化设计研究概况

1.2.4面向实用的大规模、复杂电路的进化设计研究

1.3本文的研究目标和主要工作

1.4本文的组织结构

第二章遗传程序设计

2.1 GP基本理论

2.1.1 GP理论描述

2.1.2 GP个体的描述方法

2.1.3初始群体的生成

2.1.4适应度函数和选择算法

2.1.5遗传算子

2.1.6终止准则与结果标定

2.1.7 GP的主要控制参数

2.2 GP自然进化属性(Emergent Properties)

2.3 GP与GA、人工智能、机器学习等领域传统方法的比较

2.3.1 GP与GA比较

2.3.2 GP与人工智能、机器学习等领域传统方法的比较

2.4 GP应用

2.5 GP的研究背景、研究现状及发展趋势

2.5.1 GP研究背景

2.5.2 GP研究现状

2.5.3 GP发展趋势

2.6本章小结

第三章粒子群优化算法

3.1基本PSO算法

3.1.1算法原理

3.1.2算法步骤

3.1.3参数设置

3.2全局模式与局部模式

3.3同步模型与异步模型

3.4基本PSO算法的局限性

3.5几种重要的改进PSO算法

3.6基本PSO算法与其它进化算法的比较

3.6.1相似点

3.6.2不同点

3.7 PSO算法应用

3.8 PSO算法的研究背景、研究现状及发展趋势

3.8.1 PSO算法的研究背景

3.8.2 PSO算法的研究现状

3.8.3 PSO算法的发展趋势

3.9本章小结

第四章有源滤波器

4.1概述

4.2有源滤波器的传递函数及分类

4.2.1传递函数

4.2.2有源滤波器的分类及其性质

4.3有源滤波器设计的逼近方法

4.3.1巴特沃思低通滤波器(Butterworth LPF)

4.3.2切比雪夫低通滤波器(Chebyshev LPF)

4.4频率变换

4.5传递函数的电路实现

4.5.1电路的选择

4.5.2正反馈电路的基本构成

4.5.3一阶滤波器节

4.6传递函数的实现

4.6.1实现方法

4.6.2级联法实现传递函数时需注意的几个问题

4.7高阶滤波器

4.7.1高阶滤波器的实现

4.7.2高阶滤波器设计实例

4.8本章小结

第五章GP和PSO算法相结合实现有源滤波器的进化设计

5.1 GP的改进策略

5.1.1改进的个体表示方法

5.1.2与改进的个体表示方法相适应的遗传操作规则

5.1.3适应度评价方式

5.2 GP和PSO算法相结合实现有源滤波器的进化设计

5.2.1基本思想

5.2.2设计步骤

5.3实验电路简介

5.4设计结果及仿真验证

5.4.1二阶有源滤波器

5.4.2高阶有源滤波器的进化设计

5.5本章小结

结束语

参考文献

致 谢

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