MATLAB智能算法(第2版)

溫正

  • 出版商: 清華大學
  • 出版日期: 2023-06-01
  • 售價: $768
  • 貴賓價: 9.5$730
  • 語言: 簡體中文
  • ISBN: 7302608369
  • ISBN-13: 9787302608363
  • 相關分類: Matlab
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商品描述

本書以MATLAB R2020a 軟件為基礎,詳細介紹各種智能算法的原理及MATLAB 在智能算法中的應用,是一本MATLAB 智能算法設計的綜合性參考書。 全書以智能算法原理及MATLAB 應用為主線,結合各種應用案例,詳細講解智能算法在MATLAB 中的實現方法。 全書共分為3 部分:第一部分為基礎知識;第二部分介紹經典的智能算法及其在MATLAB 中的實現方法,包括遺傳算法、免疫算法、蟻群算法、粒子群算法、小波分析、神經網絡算法和模糊邏輯控制等內容;第三部分詳細介紹智能算法在工程中的應用,包括模糊神經網絡在工程中的應用、遺傳算法在圖像處理中的應用、神經網絡在參數估計中的應用、基於智能算法的PID 控制器設計等內容。 本書以工程應用為目標,內容講解深入淺出、循序漸進,既可作為高等院校理工科相關專業研究生、本科生的教材,也可作為廣大科研工程技術人員的參考用書。

目錄大綱

                                                   

     

     

     

     

     

     

                                 第一部分  基 礎 知 識 

第  1 章  人工智能概述....................................................................................................................................... 3 

    1.1   人工智能基本概念    ..................................................................................................................................................... 3 

       1.1.1   智能的概念...................................................................................................................................................... 3 

       1.1.2   人工智能的概念   .............................................................................................................................................. 5 

       1.1.3   人工智能的研究目標     ....................................................................................................................................... 6 

       1.1.4   人工智能的研究方法     ....................................................................................................................................... 6 

       1.1.5   人工智能的特徵   .............................................................................................................................................. 8 

    1.2   人工智能的應用......................................................................................................................................................... 9 

       1.2.1   機器思維 ......................................................................................................................................................... 9 

       1.2.2   機器感知 ....................................................................................................................................................... 10 

       1.2.3   機器行為 ....................................................................................................................................................... 11 

       1.2.4   機器學習 ....................................................................................................................................................... 12 

       1.2.5   機器計算 ....................................................................................................................................................... 12 

    1.3   分佈式人工智能....................................................................................................................................................... 13 

       1.3.1   機器系統 ....................................................................................................................................................... 14 

       1.3.2   典型應用 ....................................................................................................................................................... 14 

    1.4   本章小結.................................................................................................................................................................. 15 

第  2 章  初識   MATLAB.................................................................................................................................... 16 

    2.1   MATLAB 工作環境................................................................................................................................................... 16 

       2.1.1   操作界面簡介   ................................................................................................................................................ 16 

       2.1.2   命令行窗口.................................................................................................................................................... 17 

       2.1.3   命令歷史記錄   ................................................................................................................................................ 19 

       2.1.4   當前文件夾和路徑管理      ................................................................................................................................. 20 

       2.1.5   搜索路徑 ....................................................................................................................................................... 21 

       2.1.6   “工作區”窗口和數組編輯器....................................................................................................................... 23 

       2.1.7   變量的編輯命令   ............................................................................................................................................ 24 

       2.1.8   存取數據文件   ................................................................................................................................................ 25 

    2.2   MATLAB 基本概念................................................................................................................................................... 26 

       2.2.1   數據類型概述   ................................................................................................................................................ 26 

       2.2.2   整數型........................................................................................................................................................... 26 

     14      MATLAB 智能算法(第         2 版) 

             2.2.3   浮點數型 ....................................................................................................................................................... 28 

             2.2.4   復數............................................................................................................................................................... 30 

             2.2.5   無窮量和非數值量......................................................................................................................................... 31 

             2.2.6   數據顯示格式   ................................................................................................................................................ 31 

             2.2.7   數據類型函數   ................................................................................................................................................ 32 

             2.2.8   常量與變量.................................................................................................................................................... 32 

             2.2.9   標量、向量、矩陣和數組.............................................................................................................................. 33 

             2.2.10   字符串 ......................................................................................................................................................... 34 

             2.2.11   算術運算符.................................................................................................................................................. 35 

             2.2.12   命令、函數、表達式和語句       ........................................................................................................................ 36 

          2.3   MATLAB 幫助系統................................................................................................................................................... 36 

             2.3.1   純文本幫助.................................................................................................................................................... 37 

             2.3.2   幫助導航 ....................................................................................................................................................... 37 

             2.3.3   示例幫助 ....................................................................................................................................................... 38 

          2.4   本章小結.................................................................................................................................................................. 38 

      第  3 章  MATLAB基礎.................................................................................................................................... 39 

          3.1   數組......................................................................................................................................................................... 39 

             3.1.1   數組的定義.................................................................................................................................................... 39 

             3.1.2   數組的創建.................................................................................................................................................... 39 

             3.1.3   多維數組及其操作......................................................................................................................................... 47 

          3.2   矩陣......................................................................................................................................................................... 51 

             3.2.1   實數值矩陣輸入   ............................................................................................................................................ 51 

             3.2.2   復數矩陣輸入   ................................................................................................................................................ 51 

             3.2.3   符號矩陣的生成   ............................................................................................................................................ 52 

             3.2.4   大矩陣的生成   ................................................................................................................................................ 53 

             3.2.5   矩陣的數學函數   ............................................................................................................................................ 53 

          3.3   符號運算.................................................................................................................................................................. 58 

             3.3.1   符號對象 ....................................................................................................................................................... 58 

             3.3.2   符號變量 ....................................................................................................................................................... 60 

             3.3.3   符號表達式及函數......................................................................................................................................... 61 

             3.3.4   符號變量代換   ................................................................................................................................................ 63 

             3.3.5   符號對象轉換為數值對象.............................................................................................................................. 64 

             3.3.6   符號表達式的化簡......................................................................................................................................... 65 

             3.3.7   符號運算的其他函數     ..................................................................................................................................... 67 

             3.3.8   兩種特定的符號函數運算.............................................................................................................................. 69 

          3.4   關系運算和邏輯運算     ............................................................................................................................................... 70 

             3.4.1   關系運算 ....................................................................................................................................................... 70 

             3.4.2   邏輯運算 ....................................................................................................................................................... 71 

             3.4.3   常用函數 ....................................................................................................................................................... 74 

                                                                                                     目錄        15

       3.4.4   運算符的優先級   ............................................................................................................................................ 75 

    3.5   本章小結.................................................................................................................................................................. 75 

第  4 章  程序設計............................................................................................................................................ 76 

    4.1   自頂向下的程序設計方法      ........................................................................................................................................ 76 

    4.2   分支結構.................................................................................................................................................................. 79 

       4.2.1   if 分支結構 .................................................................................................................................................... 79 

       4.2.2   switch 分支結構 ............................................................................................................................................. 80 

    4.3   循環結構.................................................................................................................................................................. 81 

       4.3.1   while 循環結構............................................................................................................................................... 81 

       4.3.2   for 循環結構................................................................................................................................................... 82 

       4.3.3   控製程序的其他命令     ..................................................................................................................................... 83 

    4.4   程序調試和優化....................................................................................................................................................... 87 

       4.4.1   程序調試命令   ................................................................................................................................................ 87 

       4.4.2   程序常見的錯誤類型     ..................................................................................................................................... 87 

       4.4.3   效率優化 ....................................................................................................................................................... 91 

       4.4.4   內存優化 ....................................................................................................................................................... 91 

    4.5   本章小結.................................................................................................................................................................. 93 

                                 第二部分  算 法 專 題 

第  5 章  遺傳算法............................................................................................................................................ 97 

    5.1   遺傳算法基礎   .......................................................................................................................................................... 97 

       5.1.1   算法基本運算   ................................................................................................................................................ 97 

       5.1.2   遺傳算法的特點   ............................................................................................................................................ 98 

       5.1.3   遺傳算法中的術語......................................................................................................................................... 98 

       5.1.4   遺傳算法發展現狀......................................................................................................................................... 99 

       5.1.5   遺傳算法的應用領域     ....................................................................................................................................100 

    5.2   遺傳算法原理   .........................................................................................................................................................100 

       5.2.1   算法運算過程   ...............................................................................................................................................100 

       5.2.2   算法編碼 ......................................................................................................................................................103 

       5.2.3   適應度及初始群體選取      ................................................................................................................................103 

       5.2.4   算法參數設計原則........................................................................................................................................104 

       5.2.5   適應度函數的調整........................................................................................................................................104 

       5.2.6   程序設計 ......................................................................................................................................................105 

    5.3   遺傳算法典型應用    ..................................................................................................................................................109 

       5.3.1   求函數極值...................................................................................................................................................109 

       5.3.2   旅行商問題...................................................................................................................................................121 

       5.3.3   基於遺傳算法的    MP 算法的應用...................................................................................................................127 

    5.4   遺傳算法工具箱......................................................................................................................................................132 

     16      MATLAB 智能算法(第         2 版) 

             5.4.1   工具箱命令方式調用     ....................................................................................................................................133 

             5.4.2   遺傳算法 App 調用 .......................................................................................................................................135 

             5.4.3   遺傳算法的優化   ...........................................................................................................................................138 

          5.5   本章小結.................................................................................................................................................................145 

      第  6 章  免疫算法.......................................................................................................................................... 146 

          6.1   免疫算法基本概念    ..................................................................................................................................................146 

             6.1.1   生物免疫系統   ...............................................................................................................................................146 

             6.1.2   免疫算法基本原理........................................................................................................................................147 

             6.1.3   免疫算法步驟和流程     ....................................................................................................................................148 

             6.1.4   免疫系統模型和免疫算法.............................................................................................................................149 

             6.1.5   免疫算法特點   ...............................................................................................................................................150 

             6.1.6   免疫算法的發展趨勢     ....................................................................................................................................150 

          6.2   免疫遺傳算法   .........................................................................................................................................................151 

             6.2.1   免疫遺傳算法步驟和流程.............................................................................................................................151 

             6.2.2   免疫遺傳算法   MATLAB 實現  ........................................................................................................................151 

          6.3   免疫算法的應用......................................................................................................................................................159 

             6.3.1   免疫算法在克隆選擇中的應用......................................................................................................................159 

             6.3.2   免疫算法在最短路徑規劃中的應用          ..............................................................................................................163 

             6.3.3   免疫算法在  TSP 中的應用   ............................................................................................................................167 

             6.3.4   免疫算法在故障檢測中的應用......................................................................................................................173 

          6.4   本章小結.................................................................................................................................................................180 

      第  7 章  蟻群算法.......................................................................................................................................... 181 

          7.1   蟻群算法概述   .........................................................................................................................................................181 

             7.1.1   蟻群算法的起源   ...........................................................................................................................................181 

             7.1.2   蟻群算法的基本原理     ....................................................................................................................................182 

             7.1.3   自適應蟻群算法   ...........................................................................................................................................185 

             7.1.4   蟻群算法實現的重要規則.............................................................................................................................186 

             7.1.5   蟻群算法的特點   ...........................................................................................................................................186 

             7.1.6   蟻群算法的發展與應用      ................................................................................................................................187 

          7.2   蟻群算法 MATLAB 實現..........................................................................................................................................188 

          7.3   蟻群算法的應用......................................................................................................................................................190 

             7.3.1   蟻群算法在路徑規劃中的應用......................................................................................................................190 

             7.3.2   蟻群算法在  TSP 中的應用   ............................................................................................................................203 

          7.4   本章小結.................................................................................................................................................................207 

      第  8 章  粒子群算法     ...................................................................................................................................... 208 

          8.1   粒子群算法基礎......................................................................................................................................................208 

             8.1.1   粒子群算法的起源........................................................................................................................................208 

             8.1.2   粒子群算法的發展趨勢      ................................................................................................................................209 

             8.1.3   粒子群算法的特點........................................................................................................................................209 

                                                                                                     目錄        17

       8.1.4   粒子群算法的應用........................................................................................................................................210 

    8.2   基本粒子群算法......................................................................................................................................................211 

       8.2.1   基本原理 ......................................................................................................................................................211 

       8.2.2   算法構成要素   ...............................................................................................................................................212 

       8.2.3   算法參數設置   ...............................................................................................................................................212 

       8.2.4   算法基本流程   ...............................................................................................................................................213 

       8.2.5   MATLAB 實現...............................................................................................................................................213 

    8.3  權重改進的粒子群算法...........................................................................................................................................219 

       8.3.1   自適應權重法   ...............................................................................................................................................219 

       8.3.2  隨機權重法...................................................................................................................................................222 

       8.3.3  線性遞減權重法    ...........................................................................................................................................224 

    8.4  混合粒子群算法......................................................................................................................................................226 

       8.4.1   基於雜交的混合粒子群算法       .........................................................................................................................226 

       8.4.2   基於自然選擇的混合粒子群算法..................................................................................................................229 

       8.4.3   基於免疫的混合粒子群算法       .........................................................................................................................231 

       8.4.4   基於模擬退火的混合粒子群算法..................................................................................................................235 

    8.5   本章小結.................................................................................................................................................................237 

第  9 章  小波分析.......................................................................................................................................... 238 

    9.1  傅里葉變換到小波分析...........................................................................................................................................238 

       9.1.1  傅里葉變換...................................................................................................................................................238 

       9.1.2   小波分析 ......................................................................................................................................................240 

    9.2   Mallat算法..............................................................................................................................................................242 

       9.2.1   Mallat 算法原理 ............................................................................................................................................242 

       9.2.2   常用小波函數介紹........................................................................................................................................244 

       9.2.3   Mallat 算法示例 ............................................................................................................................................245 

    9.3   小波分析在信號處理中的應用................................................................................................................................248 

       9.3.1  信號壓縮  ......................................................................................................................................................248 

       9.3.2  信號去噪  ......................................................................................................................................................249 

       9.3.3  信號分離  ......................................................................................................................................................252 

    9.4   小波變換在圖像處理中的應用................................................................................................................................255 

       9.4.1  圖像壓縮  ......................................................................................................................................................255 

       9.4.2  圖像邊緣檢測    ...............................................................................................................................................259 

       9.4.3  圖像增強  ......................................................................................................................................................260 

    9.5   小波 App 簡介.........................................................................................................................................................262 

    9.6   本章小結.................................................................................................................................................................266 

第  10 章  神經網絡算法................................................................................................................................. 267 

    10.1  神經網絡基礎........................................................................................................................................................267 

        10.1.1   人工神經網絡的發展     ................................................................................................................................267 

        10.1.2   人工神經網絡研究內容      ............................................................................................................................268 

     18      MATLAB 智能算法(第         2 版) 

              10.1.3   人工神經網絡研究方向      ............................................................................................................................268 

              10.1.4   人工神經網絡發展趨勢      ............................................................................................................................269 

          10.2  神經網絡的結構及學習      .........................................................................................................................................271 

              10.2.1  神經網絡結構   ...........................................................................................................................................271 

              10.2.2  神經網絡學習   ...........................................................................................................................................272 

              10.2.3   MATLAB 在神經網絡中的應用     .................................................................................................................285 

          10.3  神經網絡工具箱....................................................................................................................................................288 

              10.3.1  神經網絡工具箱函數      ................................................................................................................................288 

              10.3.2  神經網絡工具箱    App ................................................................................................................................305 

              10.3.3  神經網絡的MATLAB實現........................................................................................................................310 

          10.4   Simulink 神經網絡控制工具箱...............................................................................................................................325 

              10.4.1  神經網絡模型預測控制       ............................................................................................................................325 

              10.4.2  反饋線性化控制    .......................................................................................................................................328 

              10.4.3   模型參考控制  ...........................................................................................................................................330 

          10.5   本章小結...............................................................................................................................................................333 

      第  11 章  模糊邏輯控制................................................................................................................................. 334 

          11.1   模糊邏輯控制基礎    ................................................................................................................................................334 

              11.1.1   模糊邏輯控制的基本概念.........................................................................................................................334 

              11.1.2   模糊邏輯控制原理....................................................................................................................................335 

              11.1.3   模糊邏輯控制器設計包括的內容..............................................................................................................335 

              11.1.4   模糊邏輯控制規則設計      ............................................................................................................................336 

              11.1.5   模糊邏輯控制系統的應用領域..................................................................................................................336 

          11.2   模糊邏輯控制工具箱.............................................................................................................................................337 

              11.2.1  功能特點  ..................................................................................................................................................337 

              11.2.2   模糊系統基本類型....................................................................................................................................338 

              11.2.3   模糊邏輯控制系統的構成.........................................................................................................................339 

              11.2.4   模糊推理系統的建立、修改與存儲管理           ...................................................................................................339 

              11.2.5   模糊語言變量及其語言值.........................................................................................................................346 

              11.2.6   模糊語言變量的隸屬度函數       .....................................................................................................................349 

              11.2.7   模糊規則的建立與修改      ............................................................................................................................353 

              11.2.8   模糊推理計算與去模糊化.........................................................................................................................355 

          11.3   模糊邏輯控制工具箱     App......................................................................................................................................358 

              11.3.1   模糊推理系統編輯器     ................................................................................................................................358 

              11.3.2  隸屬度函數編輯器....................................................................................................................................360 

              11.3.3   模糊規則編輯器   .......................................................................................................................................360 

              11.3.4   模糊規則瀏覽器   .......................................................................................................................................360 

              11.3.5   模糊推理輸入/輸出曲面視圖       ....................................................................................................................360 

          11.4   模糊邏輯控制的經典應用      .....................................................................................................................................362 

              11.4.1   基於 Simulink 的模糊邏輯控制應用    ..........................................................................................................362 

                                                                                                     目錄        19

        11.4.2   基於模糊邏輯控制的路徑規劃..................................................................................................................366 

        11.4.3   基於模糊神經網絡控制的水質評價          ..........................................................................................................379 

    11.5   本章小結...............................................................................................................................................................388 

                                 第三部分  綜 合 應 用 

第  12 章  模糊神經網絡在工程中的應用             ....................................................................................................... 391 

    12.1   模糊神經網絡........................................................................................................................................................391 

        12.1.1   模糊神經網絡概述....................................................................................................................................391 

        12.1.2   模糊系統與神經網絡的區別與聯系          ..........................................................................................................392 

        12.1.3   典型模糊神經網絡結構      ............................................................................................................................393 

        12.1.4   自適應模糊神經推理系統.........................................................................................................................393 

    12.2   模糊神經網絡建模方法     .........................................................................................................................................395 

    12.3   模糊神經網絡在工程中的應用舉例.......................................................................................................................401 

        12.3.1   模糊神經網絡在解耦控制中的應用          ..........................................................................................................401 

        12.3.2   模糊神經網絡在函數逼近中的應用          ..........................................................................................................412 

    12.4   本章小結...............................................................................................................................................................419 

第  13 章  遺傳算法在圖像處理中的應用             ....................................................................................................... 420 

    13.1  圖像分割...............................................................................................................................................................420 

        13.1.1  圖像分割的概念    .......................................................................................................................................420 

        13.1.2  圖像分割的理論    .......................................................................................................................................420 

        13.1.3  灰度門限法簡介    .......................................................................................................................................421 

        13.1.4   基於最大類間方差圖像分割原理..............................................................................................................422 

    13.2   遺傳算法實現圖像分割     .........................................................................................................................................423 

        13.2.1  利用遺傳算法實現圖像分割的原理           ..........................................................................................................423 

        13.2.2   算法實現 ..................................................................................................................................................424 

    13.3   遺傳算法在圖像處理中的應用舉例.......................................................................................................................424 

        13.3.1   基於遺傳算法的道路圖像閾值分割          ..........................................................................................................424 

        13.3.2   基於遺傳神經網絡的圖像分割..................................................................................................................433 

        13.3.3   應用遺傳算法和   KSW熵法實現灰度圖像閾值分割           ..................................................................................437 

    13.4   本章小結...............................................................................................................................................................453 

第  14 章  神經網絡在參數估計中的應用             ....................................................................................................... 454 

    14.1   參數估計的基本知識.............................................................................................................................................454 

        14.1.1   參數估計的概念   .......................................................................................................................................454 

        14.1.2   點估計與區間估計....................................................................................................................................454 

        14.1.3  樣本容量  ..................................................................................................................................................455 

    14.2  幾種通用神經網絡的MATLAB代碼......................................................................................................................455 

    14.3  神經網絡在參數估計中的應用舉例.......................................................................................................................459 

        14.3.1  神經網絡在人臉識別中的應用..................................................................................................................459 

     20      MATLAB 智能算法(第         2 版) 

              14.3.2  灰色神經網絡在數據預測中的應用           ..........................................................................................................466 

              14.3.3   BP 神經網絡在數據預測中的應用        ............................................................................................................472 

              14.3.4   概率神經網絡在分類預測中的應用          ..........................................................................................................475 

          14.4   本章小結...............................................................................................................................................................478 

      第  15 章  基於智能算法的        PID 控制器設計     ................................................................................................... 479 

          15.1  PID 控制器的理論基礎..........................................................................................................................................479 

          15.2   智能算法在  PID 控制器設計中的應用...................................................................................................................480 

              15.2.1  神經網絡在PID   控制器設計中的應用        ......................................................................................................480 

              15.2.2   模糊控制在  PID 控制器設計中的應用       ......................................................................................................487 

              15.2.3   遺傳算法在  PID 控制器設計中的應用       ......................................................................................................490 

          15.3   本章小結...............................................................................................................................................................494 

      參考文獻    ........................................................................................................................................................ 495