粒子群算法工具箱简介及应用实例共24页
粒子群算法工具箱简介及应用实例
粒子群优化算法Matlab工具箱简介
粒子群优化算法Matlab工具箱简介
PSOt具有非常强的灵活性，在实际计算中，用户只要根据 需求编写好目标函数，并设置好函数自变量的取值范围和 每步迭代允许的最大变化量，PSOt即可自动进行优化计算 。 该工具箱的使用方法主要分为一下几个步骤：
（1）在MATLAB的命令窗口中点击“File”，“Set Path
3。抽象
PSO初始化为一群随机粒子(随机解、一群鸟)，然后通
过迭代找到最优解。在每一次迭代中，粒子（鸟）通过跟
踪两个“极值”来更新自己的位置。一个就是粒子本身所找 到 的 最 优 解 ， 这 个 解叫做 个 体极值 pBest ， 另 一个 极值是 整 个 种群目前找到 的 最 优 解 ， 这 个 极值是全局极值 gBest 。（gBest是pBest中最好值）
粒子群算法工具箱简介 及应用实例
1。引言
• 粒子群算法（PSO算法） • 定义：粒子群算法，又称粒子群优化算法（Partical Swarm Optimization），缩写为 PSO， 是近年来发 展起来的一种新的进化算法（Evolutionary Algorith m - EA），由Eberhart 博士和kennedy 博士于1995 年提出，其源于对鸟群捕食的行为研究。
2。算法思想
• PSO模拟鸟群的捕食行为。 设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物，在这个区域里 只有一块食物，所有的鸟都不知道食物在那里，但是它们 知道当前的位置离食物还有多远，那么找到食物的最优策 略是什么呢？
最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。 都向这片区域靠拢。
3。抽象
PSO中，将问题的搜索空间类比于鸟类的飞行空间，将 每只鸟抽象为一个无质量无体积的微粒，用以表征优化问题 的一个候选解，我们称之为“粒子”，优化所需要寻找的最 优解则等同于要寻找的食物。 所有的粒子都有一个由被优化的函数决定的适应值(fitness value)，每个粒子还有一个速度决定他们飞翔的方向和距离 ，然后粒子们就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。
粒子群优化算法理论及应用ppt课件
学报》、《分析化学》等
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PSO的研究与应用现状概述
截至2010年3月
• 在《科学引文索引扩展版SCI Expanded》的“Science
Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED)--1999-present” 数据库中以“General Search，TOPIC，Title only”为检索 方式，以“Particle Swarm Optimization”为检索词，进行 检索，可以检索到1075篇相关文章；
进化计算是模拟自然界生物进化过程与机理求解优化 问题的人工智能技术，其形式是迭代算法，从选定的初始群 体（一组初始解）出发，对群体中的每个个体进行评价，并 利用进化产生机制产生后代个体，通过不断迭代，直至搜索 到优化问题的最优解或者满意解。
6
开始
群体初始化
算
对群体中的每个个体进行评价
法
流
利用进化产生机制产生后代个体
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PSO算法起源
• 模拟鸟类飞行的Boid模型
群体行为可以用几条简单行为规则在计算机
中建模，Reynolds使用以下规则作为行为规则：
向背离最近同伴的方向移动；
向目的移动；
向群体的中心移动。
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PSO算法起源
• 假设在一个区域里只有一块食物，一群鸟进行随机
搜索，所有鸟都不知道食物具体在哪里，但知道它 们当前位置离食物还有多远，那么一种简单有效的 觅食策略是搜索目前离食物最近的鸟的周围区域。
过程中，个体适应度和群体中所有个体的平均适应度不断得到
改进，最终可以得到具有较高适应度的个体，对应于问题的最
粒子群算法多维度应用实例
粒子群算法多维度应用实例1. 引言1.1 粒子群算法的介绍粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种基于群体智能思想的优化算法，由Kennedy和Eberhart于1995年提出。
该算法模拟了鸟群觅食时的行为，在搜索空间中寻找最优解。
粒子群算法通过维护一群粒子，每个粒子代表一个解，根据个体经验和群体协作不断调整其位置和速度，最终找到最优解。
在粒子群算法中，每个粒子的位置代表一个候选解，速度代表搜索方向和速度。
每个粒子根据自身的历史最优位置和群体中最优位置，不断调整自己的位置和速度，以逼近最优解。
粒子群算法具有简单易实现、收敛速度快等优点，适用于解决多种复杂优化问题。
粒子群算法在各领域的应用越来越广泛，如工程领域的优化设计、金融领域的投资组合优化、医学领域的疾病诊断等。
其优良的全局搜索能力和高效的优化性能使得粒子群算法成为解决多维度优化问题的重要工具之一。
通过不断改进算法参数和策略，粒子群算法在多维度优化问题中展现出了强大的潜力和应用前景。
1.2 多维度应用的重要性多维度应用的重要性体现在以下几个方面：多维度问题往往存在多个冲突的目标，需要在不同目标之间进行权衡，在复杂的大系统中寻找最优解。
多维度问题通常有大量的变量和约束条件，传统的优化方法可能难以有效处理。
而粒子群算法能够有效地处理大规模的优化问题，为多维度问题的解决提供了一种有效的途径。
在实际工程和金融领域中，多维度问题的解决对提高效率和降低成本具有重要意义，因此粒子群算法在这些领域的应用具有重要的实际价值。
2. 正文2.1 多维度优化问题介绍多维度优化问题是指在多个维度或变量下进行优化的问题，通常需要在多个相互关联的约束条件下找到最优解。
在实际问题中，有许多涉及多个不同维度的优化问题，如工程设计、金融风险管理、生产计划等。
这些问题往往受到多个因素的影响，需要综合考虑各个维度的影响因素，以求得最优解。
多维度优化问题的复杂性主要体现在以下几个方面：1. 变量之间的相互影响：在多维度优化问题中，各个变量之间往往是相互关联的，改变一个变量可能会对其他变量产生影响，因此需要考虑这种相互关联性。
Matlab粒子群算法工具箱使用方法及实例演示
粒子群算法是一种优化算法，本演示将介绍Matlab粒子群算法工具箱的使用 方法，并给出实例演示。
了解粒子群算法
优点
全局搜索能力强
缺点
易受局部最优解影响
应用领域
函数优化、机器学习、图 像处理、模式识别等
Matlab粒子群算法工具箱介绍
1 功能
提供了丰富的粒子群算 法相关函数
判断算法是否达到收敛
优化函数
定义待优化的问题
粒子群算法案例实现
1
训练数据集创建
2
准备训练数据集，用于优化问题求解
3
构建优化函数
定义优化问题，如函数最小化或参数 寻优
粒子初始化
随机生成粒子群初始状态
粒子群算法参数调节方法
惯性权重
控制粒子搜索速度和全局局 部权衡
加速度因子
影响粒子个体与全局经验信 息的权重
2 使用
方便易学，适用于不同 应用场景
3 扩展性
支持自定义函数和参数 设置
工具箱的下载和安装
1
下载
从MathWorks官网或File Exchange下载工具箱
2
安装
运行安装程序并按照提示进行安装
3
添加路径
将工具箱文件夹添加到Matlab的路径中
工具箱的主要函数
初始化函数
用于生成初始粒子群状态
收敛性判断函数
收敛因子
控制算法收敛速度和精确度
粒子群算法在函数优化中的应用
1 目标函束优化
有约束条件下的函数优化问题
2 参数寻优
机器学习算法参数调优
粒子群算法在机器学习中的应用
神经网络训练
优化神经网络的权重和偏置
粒子群算法(基础精讲)课件
神经网络训练
神经网络训练是指通过训练神经网络来使其能够学习和模拟特定的输入输出关系 。粒子群算法可以应用于神经网络的训练过程中，通过优化神经网络的参数来提 高其性能。
例如，在机器视觉、语音识别、自然语言处理等领域中，神经网络被广泛应用于 各种任务。粒子群算法可以用于优化神经网络的结构和参数，从而提高其分类、 预测等任务的准确性。
优势
在许多优化问题中，粒子群算法表现出了良好的全局搜索能 力和鲁棒性，尤其在处理非线性、多峰值等复杂问题时具有 显著优势。
粒子群算法的核心要素
02
粒子个体
01
粒子
在粒子群算法中，每个解被称为一个粒子，代表问题的 一个潜在解。
02
粒子状态
每个粒子的位置和速度决定了其状态，其中位置表示解 的优劣，速度表示粒子改变方向的快慢。
社会认知策略的引入
总结词
引入社会认知策略可以增强粒子的社会性，提高算法的群体协作能力。
详细描述
社会认知策略是一种模拟群体行为的方法，通过引入社会认知策略，可以增强粒子的社会性，提高算 法的群体协作能力。在粒子群算法中引入社会认知策略，可以使粒子更加关注群体最优解，促进粒子 之间的信息交流和协作，从而提高算法的全局搜索能力和鲁棒性。
03 粒子群算法的实现步骤
初始化粒子群
随机初始化粒子群的 位置和速度。
初始化粒子的个体最 佳位置为随机位置， 全局最佳位置为随机 位置。
设置粒子的个体最佳 位置和全局最佳位置 。
更新粒子速度和位置
根据粒子个体和全局最佳位置计 算粒子的速度和位置更新公式。
更新粒子的速度和位置，使其向 全局最佳位置靠近。
每个粒子都有一个记录其历史最 佳位置的变量，用于指导粒子向
粒子群算法ppt
而在收敛的情况下，由于所有的粒子都向最优解的方向飞去， 所以粒子趋向同一化（失去了多样性），使得后期收敛速度明显变 慢，同时算法收敛到一定精度时，无法继续优化，所能达到的精度 也不高。
因此很多学者都致力于提高PSO算法的性能。
惯性权重法（Inertia Weight）：
基本思想:
在PSO中，把一个优化问题看作是在空中觅食的鸟群，那么 “食物”就是优化问题的最优解，而在空中飞行的每一只觅食的 “鸟”就是PSO算法中在解空间中进行搜索的一个“粒子” (Particle)。“群”(Swarm)的概念来自于人工生命，满足人工生 命的五个基本原则。因此PSO算法也可看作是对简化了的社会模型 的模拟，这其中最重要的是社会群体中的信息共享机制，这是推动 算法的主要机制。
vmax是一个非常重要的参数，如果该值太大，则粒子们也许会飞过优 秀区域；另一方面如果该值太小，则粒子们可能无法对局部最优区域 以外的区域进行充分的探测。实际上，它们可能会陷入局部最优，而 无法移动足够远的距离跳出局部最优达到空间中更佳的位置。
(5) rand1和rand2是介于［0,1］之间的随机数，增加了粒子飞行的 随机性。
(6)迭代终止条件：一般设为最大迭代次数Tmax、计算精度或最优解 的最大停滞步数△t。
算法流程：
开始 初始化粒子X、V 计算Pbest、Gbest 粒子位置、速度更新 计算适应函数值 更新Pbest、Gbest
达到迭代次数或
精度要求？
否
是
输出所需参数
结束
四、PSO的各种改进算法
PSO收敛速度快，特别是在算法的早期，但也存在着精度较低， 易发散等缺点。
粒子群算法简介优缺点及其应用
类似于人的“原动力”，如果原动力比较大，当达到某个目 标的时候，会继续向前实现更高的目标：如果原动力较小，到 达某个目标就停滞。
2024/2/19
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Shi和Eberhart提出了一种随着算法迭代次数的增加惯性权重线 性下降的方法。
惯性权重的计算公式如下：
max
max min
kmax
kn
max和min分别表示权重的最大及最小值，kn为当前迭代次数， kmax表示最大迭代次数。
文献试验了将设置为从0.9到0.4的线性下降，使得PSO在开 始时探索较大的区域，较快地定位最优解的大致位置，随着 逐渐减小，粒子速度减慢，开始精细的局部搜索。该方法使 PSO更好地控制exploration和exploitation能力，加快了收敛速 度，提高了算法的性能，称之为权重线性下降的粒子群算法， 简记为LDW(Linearly Decreasing Inertia Weight)。
速度为 vi vi1, vi2,viN T
在找到两个最优解后，粒子即可根据下式来更新自己的速度和 位置：
vk 1 id
vikd
c1 rand1k
(Pbestikd
xikd ) c2
rand
k 2
(Gbest
k d
xikd
)
(1)
x k 1 id
xikd
v k 1 id
(2)
vikd ：是粒子i在第k次迭代中第d维的速度；
公式(1)的第一项对应多样化(diversification)的特点，第二项、 第三项对应于搜索过程的集中化(intensification)特点，这三项之 间的相互平衡和制约决定了算法的主要性能。
粒子群优化算法在工程优化中的应用及使用教程
粒子群优化算法在工程优化中的应用及使用教程1. 简介粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种群体智能算法，通过模拟鸟群或鱼群等生物群体的行为来解决优化问题。
PSO算法具有全局优化能力、快速收敛速度和较少的参数设置等优点，因此在工程优化中得到广泛应用。
2. 粒子群优化算法原理粒子群优化算法的基本原理是模拟鸟群等自然界群体行为。
它通过定义一群“粒子”来表示候选解，每个粒子都有一个位置和速度向量。
个体最优（局部最优）是每个粒子所 far引的最优解，而全局最优是整个粒子群中最好的解。
每个粒子通过学习自身的个体最优以及整个群体中的全局最优来更新自己的速度和位置。
3. 工程优化中的应用案例粒子群优化算法在工程优化中有广泛的应用，以下是一些典型案例：3.1 参数优化在工程领域，有许多问题需要调整一组参数以达到最佳效果，如机器学习模型的超参数选择、神经网络参数调优等。
粒子群优化算法可以在大量候选解空间中搜索最佳的参数组合，从而找到最优解。
3.2 电力系统调度电力系统调度是指确定电力系统的发电机组出力和输电系统各回路功率，以实现经济运行和保证电力供应的安全。
粒子群优化算法可以应用于电力系统调度中，通过调整发电机组的出力来降低电力系统的运行成本，提高电力供应的可靠性。
3.3 物流路径规划物流路径规划是指在给定的起点和终点之间找到最短路径，使货物运输距离和时间最小化。
粒子群优化算法可以根据货物种类、路况、运输方式等因素，在复杂的网络地图上寻找最佳的物流路径，提高物流效率和降低运输成本。
3.4 机器人路径规划机器人路径规划是指在给定的环境中，寻找机器人从起点到达目标点的最优路径。
粒子群优化算法可以应用于机器人路径规划中，通过优化机器人的移动路径，使其在避开障碍物的同时能够快速到达目标点。
4. 使用教程4.1 初始化粒子群首先，需要随机生成一群粒子。
每个粒子的位置和速度向量由问题的特定要求决定。
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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粒子群算法工具箱简介及应用实例
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。抵得上武器的精良。——达·芬奇