Due to its high computational complexity, fractional order (FO) derivative operators have been widely implemented by using rational transfer function approximation methods. Since these methods commonly utilize frequency domain approximation techniques, their time responses may not be prominent for time-domain solutions. Therefore, time response improvements for the approximate FO derivative models can contribute to real-world performance of FO applications. Recent works address the hybrid use of popular frequency-domain approximation methods and time-domain approximation methods to deal with time response performance problems. In this context, this study presents a hybrid approach that implements Continued Fraction Expansion (CFE) method as frequency domain approximation and applies the gradient descent optimization (GDO) for step response improvement of the CFE-based approximate model of FO derivative operators. It was observed that GDO can fine-tune coefficients of CFE-based rational transfer function models, and this hybrid use can significantly improve step and impulse responses of CFE-based approximate models of derivative operators. Besides, we demonstrate analog circuit realization of this optimized transfer function model of the FO derivative element according to the sum of low pass active filters in Multisim and Matlab simulation environments. Performance improvements of hybrid CFE-GDO approximation method were demonstrated in comparison with the stand-alone CFE method.
Yüksek hesaplama karmaşıklığı nedeniyle, kesirli dereceli (KD) türev operatörleri, yaygın olarak rasyonel transfer fonksiyonu yaklaşım yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemler genelde frekans alanı yaklaşım tekniklerini kullandığından, zaman cevapları zaman bölgesi çözümleri için yeterince iyi olmayabilir. Bu nedenle, yaklaşık KD türev modellerinin zaman cevaplarının iyileştirilmesi, KD uygulamaların gerçek hayattaki kullanım performanslarına katkıda bulunabilir. Son zamanlardaki çalışmalar, zaman cevabı performans problemlerinin üstesinden gelebilmek için popüler frekans alanı yaklaşımı yöntemlerinin ve zaman alanı yaklaşım yöntemlerinin hibrit kullanımını ele almaktadır. Bu bağlamda, bu çalışma, frekans alanı yaklaşımı olarak Sürekli Kesir Açılımı (SKA) yöntemini uygulayan ve KD türev operatörlerinin SKA tabanlı yaklaşık modelinin basamak cevabı iyileştirmesi için gradyan iniş optimizasyonunu (GİO) uygulayan hibrit bir yaklaşım sunmaktadır. GİO'nun SKA tabanlı rasyonel transfer fonksiyonu modelinin katsayılarını hassas şekilde değiştirebildiği ve bu hibrit kullanımın, SKA tabanlı yaklaşık türev operatör modellerinin birim basamak ve impuls cevaplarını önemli ölçüde iyileştirebildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, KD türevin optimize edilmiş transfer fonksiyonu, Multisim ve Matlab simülasyon ortamlarında alçak geçiren aktif filtrelerin toplamı şeklinde analog devre olarak gerçekleştirilmesini göstermekteyiz. Hibrit SKA-GİO yaklaşımının performans iyileştirmesi klasik SKA yöntemi ile karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir.
Primary Language | English |
---|---|
Subjects | Electrical Engineering |
Journal Section | Research Articles |
Authors | |
Early Pub Date | August 18, 2023 |
Publication Date | August 31, 2023 |
Submission Date | July 26, 2022 |
Acceptance Date | April 17, 2023 |
Published in Issue | Year 2023 Volume: 28 Issue: 2 |
Announcements:
30.03.2021-Beginning with our April 2021 (26/1) issue, in accordance with the new criteria of TR-Dizin, the Declaration of Conflict of Interest and the Declaration of Author Contribution forms fulfilled and signed by all authors are required as well as the Copyright form during the initial submission of the manuscript. Furthermore two new sections, i.e. ‘Conflict of Interest’ and ‘Author Contribution’, should be added to the manuscript. Links of those forms that should be submitted with the initial manuscript can be found in our 'Author Guidelines' and 'Submission Procedure' pages. The manuscript template is also updated. For articles reviewed and accepted for publication in our 2021 and ongoing issues and for articles currently under review process, those forms should also be fulfilled, signed and uploaded to the system by authors.