《MATLAB智能算法30个案例》：第2章 基于遗传算法和非线性规划的函数寻优算法
1. 前言
《MATLAB智能算法30个案例分析》是2011年7月1日由北京航空航天大学出版社出版的图书，作者是郁磊、史峰、王辉、胡斐。本书案例是各位作者多年从事算法研究的经验总结。书中所有案例均因国内各大MATLAB技术论坛网友的切身需求而精心设计，其中不少案例所涉及的内容和求解方法在国内现已出版的MATLAB书籍中鲜有介绍。《MATLAB智能算法30个案例分析》采用案例形式，以智能算法为主线，讲解了遗传算法、免疫算法、退火算法、粒子群算法、鱼群算法、蚁群算法和神经网络算法等最常用的智能算法的MATLAB实现。
本书共给出30个案例，每个案例都是一个使用智能算法解决问题的具体实例，所有案例均由理论讲解、案例背景、MATLAB程序实现和扩展阅读四个部分组成，并配有完整的原创程序，使读者在掌握算法的同时更能快速提高使用算法求解实际问题的能力。《MATLAB智能算法30个案例分析》可作为本科毕业设计、研究生项目设计、博士低年级课题设计参考书籍，同时对广大科研人员也有很高的参考价值。
《MATLAB智能算法30个案例分析》与《MATLAB 神经网络43个案例分析》一样，都是由北京航空航天大学出版社出版，其中的智能算法应该是属于神经网络兴起之前的智能预测分类算法的热门领域，在数字信号处理，如图像和语音相关方面应用较为广泛。本系列文章结合MATLAB与实际案例进行仿真复现，有不少自己在研究生期间与工作后的学习中有过相关学习应用，这次复现仿真示例进行学习，希望可以温故知新，加强并提升自己在智能算法方面的理解与实践。下面开始进行仿真示例，主要以介绍各章节中源码应用示例为主，本文主要基于MATLAB2015b(32位)平台仿真实现，这是本书第二章基于遗传算法和非线性规划的函数寻优算法实例，话不多说，开始！
2. MATLAB 仿真示例一
打开MATLAB，点击“主页”，点击“打开”，“chapter2”文件夹下“案例1非线性”文件夹中找到示例文件
选中main.m，点击“打开”
main.m源码如下：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%功能：MATLAB遗传算法非线性规划示例一
%环境：Win7，Matlab2015b
%Modi: C.S
%时间：2022-07-4
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%% 清空环境
clc
clear all
close all
tic
warning off
%% 遗传算法参数
maxgen=30; %进化代数
sizepop=100; %种群规模
pcross=[0.6]; %交叉概率
pmutation=[0.01]; %变异概率
lenchrom=[1 1 1 1 1]; %变量字串长度
bound=[0 0.9*pi;0 0.9*pi;0 0.9*pi;0 0.9*pi;0 0.9*pi]; %变量范围
%% 个体初始化
individuals=struct('fitness',zeros(1,sizepop), 'chrom',[]); %种群结构体
avgfitness=[]; %种群平均适应度
bestfitness=[]; %种群最佳适应度
bestchrom=[]; %适应度最好染色体
% 初始化种群
for i=1:sizepop
individuals.chrom(i,:)=Code(lenchrom,bound); %随机产生个体
x=individuals.chrom(i,:);
individuals.fitness(i)=fun(x); %个体适应度
end
%找最好的染色体
[bestfitness bestindex]=min(individuals.fitness);
bestchrom=individuals.chrom(bestindex,:); %最好的染色体
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop; %染色体的平均适应度
% 记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
trace=[];
%% 进化开始
for i=1:maxgen
% 选择操作
individuals=Select(individuals,sizepop);
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
% 交叉操作
individuals.chrom=Cross(pcross,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,bound);
% 变异操作
individuals.chrom=Mutation(pmutation,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,[i maxgen],bound);
if mod(i,10)==0
individuals.chrom=nonlinear(individuals.chrom,sizepop);
end
% 计算适应度
for j=1:sizepop
x=individuals.chrom(j,:);
individuals.fitness(j)=fun(x);
end
%找到最小和最大适应度的染色体及它们在种群中的位置
[newbestfitness,newbestindex]=min(individuals.fitness);
[worestfitness,worestindex]=max(individuals.fitness);
% 代替上一次进化中最好的染色体
if bestfitness>newbestfitness
bestfitness=newbestfitness;
bestchrom=individuals.chrom(newbestindex,:);
end
individuals.chrom(worestindex,:)=bestchrom;
individuals.fitness(worestindex)=bestfitness;
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
trace=[trace;avgfitness bestfitness]; %记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
end
%进化结束
%% 结果显示
figure
[r c]=size(trace);
plot([1:r]',trace(:,1),'r-',[1:r]',trace(:,2),'b--');
title(['函数值曲线 ' '终止代数＝' num2str(maxgen)],'fontsize',12);
xlabel('进化代数','fontsize',12);ylabel('函数值','fontsize',12);
legend('各代平均值','各代最佳值','fontsize',12);
ylim([1.5 8])
disp('函数值 变量');
% 窗口显示
disp([bestfitness x]);
grid on
toc
添加完毕，点击“运行”，开始仿真，输出仿真结果如下：
Optimization completed because at the initial point, the objective function is non-decreasing
in feasible directions to within the default value of the function tolerance, and
constraints are satisfied to within the default value of the constraint tolerance.
<stopping criteria details>
函数值 变量
2.0000 1.5708 1.5708 1.5708 1.5708 1.5708
时间已过 14.481759 秒。
3. MATLAB 仿真示例二
打开MATLAB，点击“主页”，点击“打开”，找到示例文件
选中Genetic.m，点击“打开”
Genetic.m源码如下：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%功能：MATLAB遗传算法非线性规划示例二
%环境：Win7，Matlab2015b
%Modi: C.S
%时间：2022-07-4
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%% 清空环境
clc
clear all
close all
tic
%% 遗传算法参数
maxgen=30; %进化代数
sizepop=100; %种群规模
pcross=[0.6]; %交叉概率
pmutation=[0.01]; %变异概率
lenchrom=[1 1]; %变量字串长度
bound=[-5 5;-5 5]; %变量范围
%% 个体初始化
individuals=struct('fitness',zeros(1,sizepop), 'chrom',[]); %种群结构体
avgfitness=[]; %种群平均适应度
bestfitness=[]; %种群最佳适应度
bestchrom=[]; %适应度最好染色体
% 初始化种群
for i=1:sizepop
individuals.chrom(i,:)=Code(lenchrom,bound); %随机产生个体
x=individuals.chrom(i,:);
individuals.fitness(i)=fun(x); %个体适应度
end
%找最好的染色体
[bestfitness bestindex]=min(individuals.fitness);
bestchrom=individuals.chrom(bestindex,:); %最好的染色体
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop; %染色体的平均适应度
% 记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
trace=[];
%% 进化开始
for i=1:maxgen
% 选择操作
individuals=Select(individuals,sizepop);
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
% 交叉操作
individuals.chrom=Cross(pcross,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,bound);
% 变异操作
individuals.chrom=Mutation(pmutation,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,[i maxgen],bound);
if mod(i,10)==0
warning off
individuals.chrom=nonlinear(individuals.chrom,sizepop);
end
% 计算适应度
for j=1:sizepop
x=individuals.chrom(j,:);
individuals.fitness(j)=fun(x);
end
%找到最小和最大适应度的染色体及它们在种群中的位置
[newbestfitness,newbestindex]=min(individuals.fitness);
[worestfitness,worestindex]=max(individuals.fitness);
% 代替上一次进化中最好的染色体
if bestfitness>newbestfitness
bestfitness=newbestfitness;
bestchrom=individuals.chrom(newbestindex,:);
end
individuals.chrom(worestindex,:)=bestchrom;
individuals.fitness(worestindex)=bestfitness;
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
trace=[trace;avgfitness bestfitness]; %记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
end
%进化结束
%% 结果显示
[r c]=size(trace);
figure
plot([1:r]',trace(:,1),'r-',[1:r]',trace(:,2),'b--');
title(['函数值曲线 ' '终止代数＝' num2str(maxgen)],'fontsize',12);
xlabel('进化代数','fontsize',12);ylabel('函数值','fontsize',12);
legend('各代平均值','各代最佳值','fontsize',12);
ylim([1.5 8])
disp('函数值 变量');
ylim([-0.5 8])
grid on
% 窗口显示
disp([bestfitness x]);
toc
添加完毕，点击“运行”，开始仿真，输出仿真结果如下：
fmincon stopped because the size of the current step is less than
the default value of the step size tolerance and constraints are
satisfied to within the default value of the constraint tolerance.
<stopping criteria details>
函数值 变量
-0.0054 0.0000 0.0000
时间已过 20.900508 秒。
4. MATLAB 仿真示例三
打开MATLAB，点击“主页”，点击“打开”，找到示例文件
选中Genetic.m，点击“打开”
Genetic.m源码如下：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%功能：MATLAB遗传算法非线性规划示例三
%环境：Win7，Matlab2015b
%Modi: C.S
%时间：2022-07-4
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%% 清空环境
clc
clear all
close all
tic
%% 遗传算法参数
maxgen=30; %进化代数
sizepop=100; %种群规模
pcross=[0.6]; %交叉概率
pmutation=[0.01]; %变异概率
lenchrom=[1 1]; %变量字串长度
bound=[-5 5;-5 5]; %变量范围
%% 个体初始化
individuals=struct('fitness',zeros(1,sizepop), 'chrom',[]); %种群结构体
avgfitness=[]; %种群平均适应度
bestfitness=[]; %种群最佳适应度
bestchrom=[]; %适应度最好染色体
% 初始化种群
for i=1:sizepop
individuals.chrom(i,:)=Code(lenchrom,bound); %随机产生个体
x=individuals.chrom(i,:);
individuals.fitness(i)=fun(x); %个体适应度
end
%找最好的染色体
[bestfitness bestindex]=min(individuals.fitness);
bestchrom=individuals.chrom(bestindex,:); %最好的染色体
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop; %染色体的平均适应度
% 记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
trace=[];
%% 进化开始
for i=1:maxgen
% 选择操作
individuals=Select(individuals,sizepop);
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
% 交叉操作
individuals.chrom=Cross(pcross,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,bound);
% 变异操作
individuals.chrom=Mutation(pmutation,lenchrom,individuals.chrom,sizepop,[i maxgen],bound);
if mod(i,10)==0
warning off
individuals.chrom=nonlinear(individuals.chrom,sizepop);
end
% 计算适应度
for j=1:sizepop
x=individuals.chrom(j,:);
individuals.fitness(j)=fun(x);
end
%找到最小和最大适应度的染色体及它们在种群中的位置
[newbestfitness,newbestindex]=min(individuals.fitness);
[worestfitness,worestindex]=max(individuals.fitness);
% 代替上一次进化中最好的染色体
if bestfitness>newbestfitness
bestfitness=newbestfitness;
bestchrom=individuals.chrom(newbestindex,:);
end
individuals.chrom(worestindex,:)=bestchrom;
individuals.fitness(worestindex)=bestfitness;
avgfitness=sum(individuals.fitness)/sizepop;
trace=[trace;avgfitness bestfitness]; %记录每一代进化中最好的适应度和平均适应度
end
%进化结束
%% 结果显示
[r c]=size(trace);
figure
plot([1:r]',trace(:,1),'r-',[1:r]',trace(:,2),'b--');
title(['函数值曲线 ' '终止代数＝' num2str(maxgen)],'fontsize',12);
xlabel('进化代数','fontsize',12);ylabel('函数值','fontsize',12);
legend('各代平均值','各代最佳值','fontsize',12);
ylim([-0.5 5])
disp('函数值 变量');
% 窗口显示
disp([bestfitness x]);
toc
添加完毕，点击“运行”，开始仿真，输出仿真结果如下：
fmincon stopped because the size of the current step is less than
the default value of the step size tolerance and constraints are
satisfied to within the default value of the constraint tolerance.
<stopping criteria details>
函数值 变量
1.0e-07 *
0.2396 -0.0000 -0.0000
时间已过 22.150366 秒。
5. 小结
本章继续对遗传算法的非线性规划函数寻优示例进行介绍，遗传算法在视觉机器学习，神经网络中遗传算法同样应用广泛，具体可参考其他专栏的相关仿真示例（链接见文末），对本章内容感兴趣或者想充分学习了解的，建议去研习书中第二章节的内容。后期会对其中一些知识点在自己理解的基础上进行补充，欢迎大家一起学习交流。
视觉机器学习20讲-MATLAB源码示例（19）-遗传算法
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