TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 171~1 8 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2663    171      Re cei v ed Se ptem ber 9, 2015; Re vi sed  Jan uar y 9, 20 16; Accepted  Jan uary 21, 2 016   Volterra Series identification Based on  State Transition  Algorithm with Orthogonal Transformation      Cong Wang* 1 , Hong-Li Z h ang 1 , Wen - hui Fan 2   1 Colle ge of Ele c trical Eng i ne e r ing,  Xin jia ng U n iversit y  Urum qi Xin jia ng  83 004 7, Chi n a   2 Departme n t of Automation, T s ing hua U n iv er sit y , Beij in g 10 008 4, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  64108 73 85@ qq.com       A b st r a ct   A Volterr a  ke rnel  id entificati on  met hod  b a sed   on  state  transitio alg o rith m w i th or thogo na l   transformatio n   (calle d OT ST A) w a s propose d  to solve th hard pr ob le m i n  ide n tifyin g V o lterra ker n e l s of  non lin ear syste m s. Firstly, the popu lati on w i th chaotic s equ ences w a s in iti a li z e d  by us ing  chaotic strate gy.   T hen the ortho gon al transfor m ati on w a s used to finish  th e mutati on o p e rator of the selecte d  ind i vid ual .   OT ST A w a s used  on th e i d e n tificatio n  of V o lterra s e ri es, and  co mp are d  w i th particl e s w arm o p ti mi z a t i o n   (calle d PSO) and state transit ion a l gor ith m  (ST A ). T he simulati on resu lts show ed that OT ST A has bette r   ide n tificatio n  pr ecisio n an d co nverg ence th a n  PSO  and ST A under n on-n o ise int e rferen ce. And w hen there   is no ise, the  id entificati on  pre c ision, c onv erg ence  an d a n ti-i nterfer enc e of  OT ST A are als o  sup e ri or to P S and ST A.    Ke y w ords :   State T r ansl a ti on Al gorit h m ; Orthogon al T r ansfor m ati on;  Nonl in ear Syst em; V o lterra  S e ries;  System  Identification    Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  More a nd mo re hig h  co upl ing nonli nea r system a p p aere d  for the  developm ent  of high  techn o logy,  how to d e scribe the s e  m odel s h a s be en b e come  a rese arch  h o tspot.  With  the  developm ent of  the nonli n ear  theo ry, Volterra se rie s  has bee n wi dely applied i n  the modeli n g   and faults di agno si s of nonline a r sy stem [1]. Volte rra fun c tion al  seri es  con s i ders the dyn a mic  cha r a c ters of  the sy stem,  and it s kern el ha s a  disti n ct phy sical  meanin g . So  the serie s   can   approximate arbitrary precision  c ontinu ous fun c tion  on the set, and de scribe the categ o rie s  of   nonlin ear p h e nomen on [2].  The key of  bu ilding nonlin e a r system   by Volterra   seri e s  m odel  is to  identify the  structu r e   and p a ra met e r of the  mo del [3]. So, there  is  an u r gent  dema n d  for effe ctive identificatio n   method s.  The tra d ition a l identificati on metho d s on Vo lterra  seri es  gen erally ad opt  the least  squ a re s alg o rithm [4], but the lea s t squ a r es’ i dentific a t ion efficien cy is relatively low an d ea sy to   fall into lo cal  minimum. In  re cent ye ars, in telligent o p timization  m e thod s ha b een int r od uced  into the  ke rn el identificatio n on  the Volt erra  seri es problem s, like  geneti c  alg o ri thm [5], adap tive  ant colony  algorithm  [6], quantum  pa rt icle  swarm  o p timization  [7 -8], cro s s-correlation  meth od   [9], etc. Those algo rithm s  can  overcom e  the draw ba cks of the tra d itional ide n tification meth ods,   su ch a s  the  requireme nt o n  the continu ous  diffe renti able o b jectiv e functio n , a nd the  sen s iti v ity  the measurement noi se.  However, they still have th eir own limitations on solving the problem of  optimizatio n [10]. Con s eq u ently, none o f  these algo ri thms can a c curately solve  the probl em  of  Volterra se rie s   identificatio n.  In orde r to overcome th e sho r tco m in gs of  Volterra seri es id e n tification, this pap er  prop osed the  Orthog onal  Tran sfo r mati on State Tr a n sition Alg o rit h m (OTSTA ). OTSTA is a  new  intelligen ce al gorithm. And  it is easy to underst an d, due to the less num bers of the paramete r and the simpl e  algorithm  structu r e. Firstl y, in  the initialization ph ase   chaotic  seq u ence wa s used  to initialize th e pop ulation.  Then the  ort hogo nal tra n s form ation m e ch ani sm wa s intro d u c ed  to   mutate  some  individu al  with poo r fitne s s in  the  process of th se arch to  in cre a se  the  diversity   and  give mo re op portu nity to jump  out  of local optim um. Finally, T he n e w meth od i s   comp ared   with traditio n a l state tran sition algorith m  and PSO  method throu gh sim u lation  verification.  The  results sho w  that OTSTA a global opti m ization al go rithm with st rong ro bu stne ss. It can resolve  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  171 – 1 8 0   172 the co nflict b e twee n conv erge nce spee d and  glob al  sea r ch capa b ility efficiently and  so fa cilitate   diversity withi n  the popul ation, improvin g   the global se arch ability of the algorithm     2. Volterra Series   The  singl e in put an d o u tp ut nonli nea system   can b e   exp r esse d by  Volterra serie s [11]  as  the follows:     1 1 10 0 1 y, , k nk k m ki i m hi i u n i        LL                                                      (1)    Her e  un and  yn are  the inp u t an d output  of th e sy stem respectively,   1 ,, kk hi i L  is  the   k th-o rd er tim e  domain  ke rnel of the system [7].  The first th re e o r de rs with   the Volterra  serie s  i s   gene rally used to  d e scrib e  the  d y namics  cha r a c teri stics of  nonli nea r syste m . The   k th-o rd er tim e  dom ain i s   u n ique  and  sy mmetric.  With  its  symmetry, the Volterra  se ries is  sho w as Equatio n (2):         12 3 12 1 11 12 00 1 11 3 0 ,, ,, ,, ] i N NN ii j i N NN ij i k j yn h i un i A i j h i j u n i u n j B i jk h i jk u n i u n j u n k e n                                     (2)    Her e  1   , 2,   if i j Ai j if i j  ,   1   ,, 6 ,      ( 3 ,        if i j k Bi j k i f i j j k i k if e l s e   II  ,   1, 2 , 3 p Np is the Volterra kernel mem o ry length, an d en is the trun ca tion error.          2 23 2 3 , , 1, , 2 1, , (1 ) , , 3 ( ) 1 , , ( 1 ) T X n xn xn N x n x n x n xn N x n x n x n x n N   LL L                                (3)     11 2 2 2 3 33 3 1 h ( 0 ) , , ( 1 ), 0, 0 , 0, 1 , , 1 . 1 ), h 0 , 0 , 0 , 0, 0, 1 , , 0 , 0 , 1 , , 1 , 1 , 1 T M Hh N h h h N N hh N h N N N   LL LL                                     (4)    Whe r e,  N  re pre s ent s the kernel mem o ry lengt h. The system inp u t vector is  X ( n ), and  kernel   vec t or  is   H  .  Equation (2)  descri b e s  the  relation sh i p  betwe en inp u t  and output  of the nonlin ear  system, which can b e  expressed a s  the  vec t or form, as  follows :     T yn H X n e n                                                                        (5)    It can  be  se e n  from  Equati on (5) that th e out p u t of a   nonlin ear sy stem ca n b e  e x presse d   as a  linea combi nation  of each  ele m ent of  the  input vecto r   X (n).   Th e  Volterr a  s e ries   model  ba se nonlin ear sy stem ide n tifica tion is  u s e d  t o  solve the   kernel  ve ctor  H   wh en th e i nput  and output seque nce  of  t he system   are given.  The  essen c e  of th ide n tificatio n  is a  param eter  optimizatio n pro c e ss.   In this paper,  state transiti on algo rithm with  ortho gon al transfo rm  wa s use d  to solve the  ker nel v e ct o r .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Volterra Se rie s  identificatio n Based o n  State Tran sitio n  Algorithm  with… (Co ng  Wan g 173 3. Orthog on al Transform a tion Sta t e T r ansition  Algorithm   3.1. State Tr ansition Alg o rithm   The  state t r a n sition  alg o rit h wa s p r op ose d  by  YANG in  20 11 [1 2 - 14]. A  sol u tion to  the  spe c ific optim ization  p r oble m  can  be  de scrib e d  a s   a  st ate, and  the  o p timization  al gorithm  can  b e   treated a s  st ate tran sition.  Then the p r o c e ss to   solve  the optimizat ion  problem  can be rega rd ed  as a state tra n sition p r o c e ss.   The state tra n sition alg o rit h m is ea sy to unde rsta nd , due to the  less numb e rs of the   para m eters a nd the sim p l e  algo rithm  st ructu r e. Th state tran sitio n  is defin ed  as the follo wi ng   form:    1 1 () kk k k k kk x Ax B u yf x                                                                            (6)    Her e n k x R stand s for a state and co rrespo nds to  a sol u tion of the optimizatio probl em.  n n kk A BR  are  state transiti on matrixe s  whi c h ca n be  rega rded a s  the operato r of optimizatio n algo rithm.  n k uR is the fun c tio n  of the st ate k x  and it s hi story state.   f  is  the  obje c tive function.    3.2. The Tra n sition Ope r ators   There a r e th ree op erators  calle d rotatio n   trans f o rmati on (RT ) , tran slation t r an sf ormatio n   (TT),  expa nsi on tran sfo r m a tion (ET )  in  STA.  Rotation  tran sform a tion is u s e d   to improve t he  global  se arch  ability, tran sl ation tra n sfo r mation  can  i m prove  local  sea r ch a b ility, and exp a n s i o n   transfo rmatio n can b a lan c e the relatio n s  between  th e two. Besid e s, refe ren c e  [15] propo sed   axesio n tran sformation to simplify t he search ability of one dimen s i onal.   The detail s  of the four ope rators a r sho w n a s  follows [15]:  (1)  Rotation transfo rmatio n:     1 2 1 kk r k k x xR x nx                                                                                      (7)    (2) T r an slatio n transf o rmati on:     1 1 1 2 kk kk t kk xx xx R xx                                                                               (8)    (3) Expan sio n  Tran sfo r ma tion:     1 kk e k x xR x                                                                                                      (9)    (4) Axe s ion T r an sform a tion :        1a kk k x xR x                                                                                                      (10)    Her e , n k x R  ,, are all   positive con s tants, calle d   ro tation fac t or, trans l ation fac t or,   expan sion fa ctor, an d axesio n facto r  respe c tively.  nn r R R is a random matrix with its  element s b e l ongin g  to the  ran ge  of [-1,  1] an 2 k x is 2 - n o rm  of a ve ct or.  t RR is a  ra ndo variable  with i t s eleme n ts b e longi ng to the ran ge of [0,1].  nn e R R is a  rand o m  diagon al m a trix  with its  eleme n ts ob eying t he Ga ussia n   distrib u tion.  nn a R R is a  ran dom  d i agon al matri x  with  its element s obeying the  Gau ssi an di stribution a nd o n ly one ran d o m  index has  value.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  171 – 1 8 0   174 The procedu re of the origin al state tran si tion algorith m  can be o u tlin ed as follo ws.    1: Initialize feasibl e  sol u tion x(0) rando mly, set   ,,  and k   0  2: repeat   3:  k= k+ 1   4: while     error do    5: State  Ro tation transfo rmation ( (1 ) xk , times  of s e arc h  enforcement,  α 6: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then  7: Updatin (1 ) xk   8: State  Transl a tion tran sform a tion ( (1 ) xk , times of search enforcem e n t,  β )   9: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then  10: Upd a ting  (1 ) xk   11:   end if  12: end if   13:    c f   14: end while   15: State  Expansi on Tra n sformation ( (1 ) xk , times of sea r ch enfo r ceme nt, 16: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then   17: Upd a ting  (1 ) xk   18: State  Tran slation tra n sformation ( (1 ) xk , times  of s e arc h  enforcement,  β 19: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then   20: Upd a ting  (1 ) xk   21:    end if  22: end if  23: State  Axesion T r an sf ormatio n  ( (1 ) xk , times of search enforcem e n t , 24: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then   25: Upd a ting  (1 ) xk   26: State  Tran slation tra n sformation ( (1 ) xk , times  of s e arc h  enforcement,  β 27: if  mi n ( ) ( ( 1 )) f S ta te f x k   then   28: Upd a ting  (1 ) xk   29:    end if  30: end if  31:  () x k   (1 ) xk   32: until the specifie d termi nation criteri o n is met       3.3. Orthog o n al Trans f or mation Stra teg y   In orde r to  further  enha nce the  alg o rithm' s searchin g ability, the state tran sition   algorith m  ba sed on the o r thogo nal tran sform (O TS TA) is propo se d .  In OTSTA chaotic  strate g y   is used to i n itialize the  popul ation fo r its non re p eatability an d erg odi city. The orth og onal   transfo rmatio n op eratio n i s  a pplie d on  the p oor in dividual s du ri ng the  proce ss,  whi c h  ca effectively avoid pre m ature conve r ge nc e and imp r ov e the global  search ability.    3.3.1. Initiali z i ng  In non -line a r system,  ch a o s i s  a  com m on motio n   phen omen on  with  su ch  e x cellent  cha r a c teri stics as e r go dicit y , randomne ss and “reg ula r ity”.Cha otic  motion ca n e x perien c e all  the   states in the  state sp ac e without rep e tition acco rdin to cert ai n “rul e” within  ce rtain motion ra nge  [16]. Durin g  initialization, f i rstly ch aotic  stra tegy i s  u s ed to  rand o m ly generate  M dimen s io nal  vec t or 11 1 1 2 1 ,, , ) M Xx x x  . Then,  the model ite r ative ch aotic   seq uen ce co ntaining N  ve ctors  is obtain ed b y  the Logistic  map [17], sho w n in Equatio n (11 )   1 = ( 1 ) , 0 , 1 , ... , 1 kk k XX X k N                                                        (11)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Volterra Se rie s  identificatio n Based o n  State Tran sitio n  Algorithm  with… (Co ng  Wan g 175 Her e 0, 4 ] , [ 0 , 1 ] x  .In this pape r, we u s e the same p a ram e ter setting  =4 as [17, 18] The  fitne s s values  of all   the state s  are   calculate d  by fitne ss functio n . Th en  better  perfo rman ce  part is  cho s e n  as the initial  solution.   Usi ng  cha o tic seq uen ce to  initialize  stat es im p r ove s   the diversity of the state s   without  lose of ra ndo mness.     3.3.2. Orthog onal Trans f o r mation Stra teg y   In order to  maintain  the  diversity a nd b r e adth  o f  sea r ch, thi s  p ape ado pts the   orthog onal t r ansfo rmatio n  along  with t he o r igi nal fo ur o perators.  About 10%    individual s   () D t with the p o o r  fitness valu  are  ch ose n  from th e o v erall  size   P ( t ) after e a ch  compl e ted  st ate   transfo rmatio n.   Then o r th ogon al matrix   X  is gotten t h rou gh   o r tho gonal tran sfo r mation   u n d e the orth ogo n a l ba si s. Fo any () x Dt , if the  ort hogo nal  x ’ has  better fitness  value,  x    would be   repla c e d  by  x ’. Otherwi se,  x would b e  p r eserve d. Th ortho gon al operation i s  repeate d  until  all  cho s e n  poo r individual a r repla c e d .   For any , k x , there is ', ' , xx  x ’ i s   call ed the  o r thog onal tran sformation   of  k x . And  '' x x .Here is the orth og onal ba si s of k x     4. Volterra Series Identi fication b y  OTSTA  The e s sen c e  of  Volterra   seri es ide n tificati on  is tha t  it coul co nvert the  pa ramete identificatio probl em to  o p timization  p r oblem. STA i s  u s e d  to find  functio n  opti m al solution   and  to get the   minimum  eva l uation  fun c tion  value. Th e kern el ve ctor  H  of  Volterra  s e ri es,   whi c ne ed to be i dentified, is seen  as th state  X k  of OTST A, and the  state tran sitio n   is  rega rd ed a s  the pro c e s s of identification  algorith m For Volte rra  seri es i dentifi c ation  pro b le m,  the squ a re of the differen c between   the   actual  output  and the p a rameter m ode l output is  se t to be the  e v aluation fun c tion of   Volterra   seri es id entification, sho w n  in Equation (12):       2 1 L i J hy k i y k i    %                                                                    (12)    Her e L  i s  th e length  of t he  windo w, a nd  y k %  is the  e s timated outp u t value. Th e  algo rithm  demon strates the whole p r oce s s of OTSTA:    OTS T A   Step 1 Initialization:    Initialize  initial  st ate b y  chaotic se quence    Set paramete r   Calculate the fitness value based on equation(8 )   Step 2 Iteration     Execute strateg y : RT,ET,A T     If get better  fitne ss value, execute TT, else maint a in  Step 3 Updating  the status    1 () k f x < () k f x , 1 k x  instead of  k x ,else  k x maintain  Step 4  Use Orth ogonal transform ation    OT used  on 10 %  individual w i th poor values    maintain better st ate  best x    Step 5  Replace     be s t x replaces the curr ent state  step 6 End    Meet the re quire ment, end     Else back to step  2      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  171 – 1 8 0   176 5. Performan ce Ev aluation  We con s ide r e d  the followin g  se con d  ord e r nonli nea model a s  the experim ental  subj ect  [19]:    22 y ( ) 0 . 5 ( ) 0. 4 ( 1 ) 0. 9 ( 2) +1. 2 ( ) 0 . 2 ( 1 ) 0 . 8 ( 1 ) ( 2 ) nu n u n u n u n u n u n u n                     (13)    Acco rdi ng to the Volterra theory, the ke rn el vector of th e nonlin ear  system wa H = [0.5,-0.4, 0.9,  1.2, 0, 0, 0.2,-0.8, 0].  The white n o i s e si gnal was cho s en a s  th e system inp u t. The varia n ce  wa s set  as 1 an d   the length wa s set a s  20. In orde r to verify t he search ability and sea r ch sp eed  of the OTSTA,  the input a n d  output with  or  without noi se  were  both  con s id ere d   whe n  u s ing t he second  orde Volterra  to  bu ild the  nonli n ear mod e l. In  orde r to  te st the p e rfo r ma n c of the  p r op ose d  al gorith m STA, PSO and Refe ren c e  [19], which  were re co gni zed a s  di stin guished al gorithms for Volt erra  seri es id entification, were  use d  for co m pari s on  with OTSTA.  The OTSTA  was  used to identify  the kernel ve ct or of Volterra se rie s   with out noise  who s e p a ra m e ters  we re se t as follows  o n  the basi s  of  experime n tal  method:   a)  Times of sea r ch enfo r ceme nt : 500,  b)  The num ber  of epoch: 100   c)  Comm uni cati on frequ en cy : 50Hz,   d)  : 1 to e-5,  e)   、、 : 1,   f)  c f : 5.    In orde r to e n su re fai r ne ss, the STA wa s set the same  pa ram e ters  as  OT STA. The  para m eters o f  PSO were set through  m any times test as follows:   a)   The numb e of particle : 1 00,   b)   The numb e of iterations :  500,   c)   Contra ction f a ctor  s  : 0.72,  d)   Ac c e lerating fac t or:  c 1= c 2 = 1.49.   We u s ed the  averag e devi a tion to evalu a te  the stabili ty of  three alg o rithm s   10 i1 av .dev  = * TT                                                                                (14)    * T is the value that the actual  value minus  simulatio n  value,  T  is the a c tual value.     5.1.  Under No Noise Inte r f eren ce   Program s we re run in dep e ndently for 2 0  tra ils for e a c h al gorith m   in MATLAB  R20 10a   The compa r i s on  re sults f o r OTSTA, S T A, PSO and QPSO [19]  were listed i n  Table  1. The  conve r ge nce  curve  of OTS T A unde r no  noise interf e r ence was  sh own  as Fi gure 1. Figu re 2  and   Figure 3  sho w ed  the  co n v ergen ce  curves  of th e V o lterra  kernel  vecto r   h 1 (0) and  h 2 (0,0)  of  PSO OTST A and STA re spe c tively. The truth-valu es were  h 1 (0 )= 0 . 5 h 2 (0,0)=1. 2.      Table 1. The  results un de r the free-noi se  interfere n ce   Kernel  truth-   value  STA O T S T PSO  Q PSO [1 9 optimal  value  av.dev time / optimal  value  av.dev time / optimal  value  av.dev time / optimal  value  h 1 (0)  0.5  0.5  1.3e-5   61.3 0.5 1.9e-6   65.8 0.5 2.1e-5   168. 2 0.5  h 1 (1)   -0.4   -0.4  0.9e-7   -0.4  2.1e-8   -0.4  1.1e-7   -0.4   h 1 (2)  0.9  0.9 3.1e-10   0.9 0.9e-10   0.9  0.9e-9   0.9  h 2 (0,0 )   1.2  1.2 0.3e-6   1.2 2.2e-7   1.2 1.9e-6   1.2  h 2 (0,1 )   0 1.2e-8   0 1.6e-9   0 1.7e-8   h 2 (0,2 )   0 0.4e-11   0 0.5e-11   0 3.5e-11   h 2 (1,1 )   0.2  0.2 2.7e-9   0.2 1.2e-9   0.2 0.1e-9   0.2  h 2 (1,2 )   -0.8   -0.8  2.6e-8   -0.8  1.7e-8   -0.8  1.3e-7   -0.8   h 2 (2,2 )   0 3.1e-12   0 0.8e-12   0 2.4e-12   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Volterra Se rie s  identificatio n Based o n  State Tran sitio n  Algorithm  with… (Co ng  Wan g 177 It can be se e n  from the Table 1 that O T STA is sup e rio r  to STA  and PSO in Volterra   seri es i dentification u nde no noi se. It not only had  fa st conve r g e n c e spee d, but  also ha d stro ng   global  search  ability. Un de r no  noi se  int e rfer en ce, O T STA had  no  obviou s   adv antage  comp ared   with QPSO in Reference [19].                              Figure 1. The con v ergen ce  cu rve under n o  n o ise inte rfere n ce        The p r efe r en ce of th e alg o r ithms wa s j u dged  by  the  para m eters i dentificatio error [2 0].  It can be  se e n  from Fig u re 1, Figu re 2  and Fig u re  3 that OTST A can g e t the optimal  sol u tion  whe n  the  ite r ation  num be r u p  to  100,  whi c h  mea n s  O T STA h a d  a  better converg e n c and  highe r preci s i on in identificat ion on the  Volterra  se rie s           Figure   2. The  convergen ce  curve s  of the   Volterra  ke rn el v e ctor h 1 (0 )und er the n o  noise  interferen ce   Figure 3. The  convergen ce  curve s  of the   Volterra  ke rn el vector h2 (0 ,0)und er the  no  noise interfe r ence                                                                                                                                                5.2. Under  Noise Inter f er ence   For the noi sy case, the noise of sup e rp os ition ad ded  on the input and the output wa indep ende nt stationa ry whi t e noise a nd i t s sign al SNR was 2 0  dB.  The  noi se  wa s a dde d o n  th e inp u t an o u tput respe c tively. We  use d  the  same  m e thod s.  The  re sults of  the th ree  alg o rithm s  a nd  Referen c e  [1 9] we re  sho w n in  Tabl e 2.   The  co nverg e n ce  curve  of  OTS T A und er noi se i n terfe r en ce  wa sh own in  Figu re  4. It can  be   se en from o p timal   value, av.dev  and  sim u lati on time i n  ta ble2 t hat OT STA  still  ha d   fast conve r g ence spee d and   stron g  glo bal  sea r ch a b ility than STA and PSO u n der  noise int e rferen ce. A nd OTSTA  wa notable  sup e rior than Refe rence [19] in av.dev.        0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 0 0. 0 2 0. 0 4 0. 0 6 0. 0 8 0. 1 0. 1 2 0. 1 4 0. 1 6 0. 1 8 T h e n u m b e r  of   i t er a t i o n s T h e  ou t p ut  e r ro r 0 50 100 15 0 200 25 0 30 0 35 0 400 450 500 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 T h e  num be r   o f  it e r a tio ns h1( 0 )     ST A OT ST A PS O 0 50 10 0 150 20 0 25 0 300 35 0 40 0 450 50 0 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 T h e  num b e r  o f  it e r a t io ns h2( 0, 0 )     OT S T A ST A PS O Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  171 – 1 8 0   178 Table 2 Th e result s of thre e algorith m unde r the noi se interfe r e n ce  Kernel  truth-   value  STA O T S T PSO  Q PSO [1 9]   optimal  value  av.dev time / optimal  value  av.dev time / optimal  value  av.dev time / optimal  value  av.dev time / h 1 (0)  0.5  0.49  2.1  e-3   76.3  0.49 1.8e-4   79.1 0.51 2.2e-3   188. 5 0.49 9.7e-3   NaN h 1 (1)  -0.4   -0.41   0.3e-3   -0.40   0.1e-4   -0.4   1.2e-3   -0.40  3.7e-3   h 1 (2)   0.9  0.90  1.4e-2   0.90 2.2e-3   0.90 1.9e-3   0.90 7.0e-3   h 2 (0,0 )   1.2  1.18  4.3e-2   1.21 1.1e-3   1.18 2.7e-2   1.18 2.0e-2   h 2 (0,1 )   1.5e-3   0 3.6e-4   0 1.1e-3   0 1.6e-3   h 2 (0,2 )   0.7e-3   0 0.4e-3   0 0.5e-3   0 0.4e-3   h 2 (1,1 )  0.2  0.21  2.9e-3   0.2  4.3e-4   0.19  0.1e-2   0.19 0.6e-3   h 2 (1,2 )  -0.8   -0.8   1.8e-3   -0.8   1.7e-3   -0.83   2.3e-2   -0.78  1.7e-2   h 2 (2,2 )   3.1e-4   0 1.5e-4   0 1.9e-3   0 1.4e-3            Figure 4. The  convergen ce  cu rve un de r noise interfe r ence       Figure 5  and  6  sho w e d  t he  cha nge s i n  Volterra  ke rnel ve cto r   h 1 (0) and   h 2 (0,0) with  numbe r of  iteration s  u s ing the three al go rith ms, whi c descri bed th e co nverg e n ce   cha r a c teri stics of the three  algorithm s in  the  optimizat ion pro c e s s. The OTSTA  algorith m  co u l conve r ge a n d  prod uce good o p timization  results after a small numb e r of iteration s ,   demon stratin g  convergen ce  ch ara c te ri stics  signifi ca ntly better. P S O and  STA  had  fluctu ated   obviou s ly and  slowly conve r gen ce   spe e d  by noise influ enced.             Figure 5. The  convergen ce  curve s  of the   Volterra  ke rn el v e ctor h 1 (0 )und er the n o i se  interferen ce   Figure 6. The  convergen ce  curve s  of the   Volterra  ke rn el v e ctor h 2 (0 ,0)und er the  noise  interferen ce     0 50 100 150 200 25 0 30 0 35 0 400 450 500 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 T h e  n u m be r o f   it e r a tio ns T h e  out pu t   e r r o r 0 50 100 15 0 20 0 250 30 0 350 40 0 45 0 500 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 T h e  numbe r  o f  ite r a tio ns h1 ( 0 )     PS O OT ST A STA 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 T h n u m b e r  o f  i t era t i o n s h2 ( 0 , 0 )     PS O OT ST A ST A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Volterra Se rie s  identificatio n Based o n  State Tran sitio n  Algorithm  with… (Co ng  Wan g 179 From  the  an alysis of the   comp ari s o n   of  the  above  figures an t ables, we  know  that  OTSTA is a suitabl e tool to solve the volterra   seri e s  identificatio n unde r no n o ise a s  well  as  noise interfe r ence. It is not only has hig h   pre c isi on, b u t also ha s Strong  rob u stn e ss.      6. Conclusio n   Based o n  the  the analysi s  on the prin cip l e and t he ki n e matical  cha r acteri stics of  Volterra  seri es, a ne w improved int e lligent algo ri thm is pro p o s ed  with orth ogon al strate gy. The chao tic  strategy i s   use d  to initialize the  p opulat io n wit h  ch aotic  seque nces, a nd orth ogo n a transfo rmatio n is  use d  to t r an sform  mut a tion on  so m e  poo r in divid uals,  whi c can imp r ove t h e   global  se arch ability. Thi s  imp r oved   state tra n si ti on alg o rithm  is a pplie d t o  identify Vo lterra  seri es, a nd t he re sult s a r e analy z ed  compa r ing  wit h  STA and  PSO. Throu g h  the si mulat i on   experim ent, OTSTA algo ri thm achi eves highe r identi f ication p r e c i s ion tha n  ST A and PSO, and  has  highe r id entification  speed th an P S O unde r no   noise as  we ll as noi se i n terfere n ce. State  transitio n al g o rithm  with o r thogo nal tra n sformati on i s  u s ed  on th e identificatio n on th e Volt erra  seri es. T h is  method  can  not only improve th global  sea r ch ca pability effectively, avoid   prem ature co nverge nce,  b u also ca n maintain  sim p le structu r and h a high  sea r ch effici ency   of state tran sition. This pa per verifie s  t hat t he OTS T A is feasi b l e  on no nline a r sy stem Vo lterra  kernel i dentif ication. T h e  method  pro v ides  a  ne w effective m e thod fo r no nlinea syste m   identificatio n.      Ackn o w l e dg ements   The work wa s su ppo rted  by the Nation al Na tu ral Science Fou n d a tion of Chi n a (G rant  No. 51 575 46 9) a nd the  O u tstandi ng  Doctor Grad u a t e Student In novation Proj ect of Xinjia ng   University (No. XJUBSCX - 2015 014 ).      Referen ces   [1]  Xi X, Z hou J, Xi ao J, et al. A nove l  ide n tifica tion  metho d  of Volterra ser i es  in rotor-b eari n g  s y stem for  fault dia g n o sis.   Mechan ical sy stems a nd sig n a l proc essin g .  201 5; 66-6 7 : 557-5 67.   [2]  Kacar S, Cank a y a I, Boz AF . Investigaton o f  co mputation a l  load  and p a r a lle l comp uting  of Volterra   series meth od  for frequenc a nal ysis  of nonl i near s y stems.  Optoelectro n ic s and adv anc e d  mat e ria l s- rapi d co mmun i c ations.  20 14;  8(5-6): 55 5-56 6.  [3]  Li NZ , F eng XY. Identificatio n of  Volterra series bas ed o n  gre y  cl us terin g  multi-subp op ul ation a daptiv e   PSO algorithm.   Applic ation R e search of Co mputers.  201 4; 3 1 (6): 169 7-1 7 0 1 [4] Peng  Z K L a n g  Z Q.  T he Non line a r Outp ut F r equ enc y R e sp onse F u nctio n   of One-Dim ens ion a l C hai n   T y pe Structur e .   ASME-Journa l of Appli ed Me chnics.  20 10; 7 7 (1): 110 07- 11 016.   [5]  T ang H, Liao YH, Cao JY, et al. F ault Diagnos is Appro a c h Based o n  Volterra Mo del s.  Mechanic a l   Systems a nd S i gn al Process i n g .  2010; 2 4 (4): 109 9-11 13.   [6]  Li Z N , T ang  GS, Xi ao  N X . Volterr a  ser i es i dentific atio n meth od  bas ed  on  ad aptiv e a n t col o n y   optimiz ation.  J ourn a l of Vibr ation An d Shock.   2011; 3 0 (10):  35-3 8 .   [7]  Li NZ , F eng  XY. Volterra ser i es id entific atio n metho d  bas ed on  ad aptiv e qua ntum-b e have d  partic l e   s w a rm optim iz ation com b i n e d   w i th the c h aotic strateg y .   Journa l of L a n z h o u  U n iver sity (Natural   Scienc es).  201 4; 01: 128- 135.    [8]  Li Z N , Jiang J,  F eng F Z .  Hidd en markov mo del rec o g n itio n method b a se d on Volt err a  ker nel i dentifi e d   w i t h  partic l e s w arm optimiz atio n.  Chin ese Jo u r nal of Scie ntifi c  Instrume nt.  2011; 32( 12): 26 93-2 698.   [9]  Orcioni S. Improvin g the ap p r oxim atio n ab il it y  of Volterr a  series  id entifi e w i t h  a cross - correlati on   method.  No nli n ear Dyn a m ics.  201 4; 78(4): 28 61-2 869.   [10]  Qiang Z Y , W u  F P , Dong JR , et al. Optimi zation  of po wer s y st em sch edu lin g b a se d  on sh uffled   co mp lex  e v ol uti o n  me trop ol i s  a l go ri th m.  T E LKOMNIKA (T elec o m mun i cat i on  Co mp utin g  Electron ics  and C ontrol).  2 015; 13( 2): 413 -420.   [11]  W en XL, Che n   Y.  Res earch  of  the no nli n e a r   s y st em  id enti f ication  bas ed   on th e v o lterra  rls a d a p tive   filter alg o rithm.   TELKOMNIKA.  2013; 11( 5): 2277- 228 3.   [12]  Z hou  XJ, Yang  CH, Gui W H Initial vers ion  of st ate transition al gorith m . Internati o n a l C onfere n ce o n   Digita l  Man u fa cturing a nd Aut o matio n  (ICDM A). 2011: 64 4- 647.   [13]  Z hou  X J, Ya ng C H , Gui  W H . Gui  W e i-hua. State tra n sitio n  al gor ith m Journa l of  Industria l a n d   Mana ge me nt Optimi z a t i o n .  2012; 8(4): 1 039 -105 6.  [14]  Yang C H , T ang XL, Z hou  XJ , Gui W H . A d i screte st ate transiti on a l gor ithm for travelin g salesm a n   prob lem.  Contr o l T heory & Ap plicati ons.  2 0 1 3 ; 30(8):10 40- 104 6.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  171 – 1 8 0   180 [15]  Z hou  XJ, Ya n g  CH, Gu i W H . Gui W e i-h ua.   A new  transf o rmatio n  i n to  state transiti o n  alg o rith m for   findi ng the gl oba l mi ni mum.  Internationa l  Confere n ce  on In tell ige n t Contro l and Information  Processi ng (IC I CIP). Harbin. 201 1: 674- 678.   [16]  W U  Ya-lin, Z H ANG Shu i -pi ng. A self-a d apt ive c h a o s  particl e s w a rm optimizati o n al gorithm.   T E LKOMNIKA (T eleco m mu ni cation C o mputi ng Electro n ics  and C ontrol) . 2 015; 13( 1): 331 -340.   [17]  Cao S H Xu  H M . Anal ysis  of  log i stic  ma p a nd ch aotic  seq uenc e ch aract e ristics.  Jo u r na l  o f  Ya nb i a Univers i ty (Natural Sci ence) 201 4; 40(2): 13 4-13 7.  [18]  Bina baj F B , F a rha ngfar H, A z iz ian  S, et al.  Log istic regr e ssion  ana l y sis  of some factor s influ enci n g   incid enc e of  retain ed  pl acen ta in  holst ei n d a ir herd.  I r ani an J ourn a l  of Ap pli ed  An imal Sc ie nce .   201 4; 4(2): 269 -274.   [19]  Li Z N , Liang J ,  Chan JG, Wu GH, Li XJ. Volt erra seri es  identific ati on  method b a se d  on qua ntum  particl e s w arm  optimiz ation.  J ourn a l of vibrat ion a nd sh ock . 201 3; 32(3): 60 -74.  [20]  Xu Y,  Xu ST , Ma J, Yang Y J , Xia o  BS, Xi ang  JJ. An a d aptive  bil a teral  filtering m e th od b a sed  on   param eter esti mation.  Jo urn a l  of centra l so uth un iversity ( scienc e an d te chno logy).   201 4; 10: 3 470- 347 6.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.