第一部分  基 础 知 识 

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   人工智能的研究目标     ....................................................................................................................................... 6 

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

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

    1.2   人工智能的应用......................................................................................................................................................... 9 

       1.2.1   机器思维 ......................................................................................................................................................... 9 

       1.2.2   机器感知 ....................................................................................................................................................... 10 

       1.2.3   机器行为 ....................................................................................................................................................... 11 

       1.2.4   机器学习 ....................................................................................................................................................... 12 

       1.2.5   机器计算 ....................................................................................................................................................... 12 

    1.3   分布式人工智能....................................................................................................................................................... 13 

       1.3.1   机器系统 ....................................................................................................................................................... 14 

       1.3.2   典型应用 ....................................................................................................................................................... 14 

    1.4   本章小结.................................................................................................................................................................. 15 

第  2 章  初识   MATLAB.................................................................................................................................... 16 

    2.1   MATLAB 工作环境................................................................................................................................................... 16 

       2.1.1   操作界面简介   ................................................................................................................................................ 16 

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

       2.1.3   命令历史记录   ................................................................................................................................................ 19 

       2.1.4   当前文件夹和路径管理      ................................................................................................................................. 20 

       2.1.5   搜索路径 ....................................................................................................................................................... 21 

       2.1.6   “工作区”窗口和数组编辑器....................................................................................................................... 23 

       2.1.7   变量的编辑命令   ............................................................................................................................................ 24 

       2.1.8   存取数据文件   ................................................................................................................................................ 25 

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

       2.2.1   数据类型概述   ................................................................................................................................................ 26 

       2.2.2   整数型........................................................................................................................................................... 26 

     14      MATLAB 智能算法（第         2 版） 

             2.2.3   浮点数型 ....................................................................................................................................................... 28 

             2.2.4   复数............................................................................................................................................................... 30 

             2.2.5   无穷量和非数值量......................................................................................................................................... 31 

             2.2.6   数据显示格式   ................................................................................................................................................ 31 

             2.2.7   数据类型函数   ................................................................................................................................................ 32 

             2.2.8   常量与变量.................................................................................................................................................... 32 

             2.2.9   标量、向量、矩阵和数组.............................................................................................................................. 33 

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

             2.2.11   算术运算符.................................................................................................................................................. 35 

             2.2.12   命令、函数、表达式和语句       ........................................................................................................................ 36 

          2.3   MATLAB 帮助系统................................................................................................................................................... 36 

             2.3.1   纯文本帮助.................................................................................................................................................... 37 

             2.3.2   帮助导航 ....................................................................................................................................................... 37 

             2.3.3   示例帮助 ....................................................................................................................................................... 38 

          2.4   本章小结.................................................................................................................................................................. 38 

      第  3 章  MATLAB基础.................................................................................................................................... 39 

          3.1   数组......................................................................................................................................................................... 39 

             3.1.1   数组的定义.................................................................................................................................................... 39 

             3.1.2   数组的创建.................................................................................................................................................... 39 

             3.1.3   多维数组及其操作......................................................................................................................................... 47 

          3.2   矩阵......................................................................................................................................................................... 51 

             3.2.1   实数值矩阵输入   ............................................................................................................................................ 51 

             3.2.2   复数矩阵输入   ................................................................................................................................................ 51 

             3.2.3   符号矩阵的生成   ............................................................................................................................................ 52 

             3.2.4   大矩阵的生成   ................................................................................................................................................ 53 

             3.2.5   矩阵的数学函数   ............................................................................................................................................ 53 

          3.3   符号运算.................................................................................................................................................................. 58 

             3.3.1   符号对象 ....................................................................................................................................................... 58 

             3.3.2   符号变量 ....................................................................................................................................................... 60 

             3.3.3   符号表达式及函数......................................................................................................................................... 61 

             3.3.4   符号变量代换   ................................................................................................................................................ 63 

             3.3.5   符号对象转换为数值对象.............................................................................................................................. 64 

             3.3.6   符号表达式的化简......................................................................................................................................... 65 

             3.3.7   符号运算的其他函数     ..................................................................................................................................... 67 

             3.3.8   两种特定的符号函数运算.............................................................................................................................. 69 

          3.4   关系运算和逻辑运算     ............................................................................................................................................... 70 

             3.4.1   关系运算 ....................................................................................................................................................... 70 

             3.4.2   逻辑运算 ....................................................................................................................................................... 71 

             3.4.3   常用函数 ....................................................................................................................................................... 74 

                                                                                                     目录        15

       3.4.4   运算符的优先级   ............................................................................................................................................ 75 

    3.5   本章小结.................................................................................................................................................................. 75 

第  4 章  程序设计............................................................................................................................................ 76 

    4.1   自顶向下的程序设计方法      ........................................................................................................................................ 76 

    4.2   分支结构.................................................................................................................................................................. 79 

       4.2.1   if 分支结构 .................................................................................................................................................... 79 

       4.2.2   switch 分支结构 ............................................................................................................................................. 80 

    4.3   循环结构.................................................................................................................................................................. 81 

       4.3.1   while 循环结构............................................................................................................................................... 81 

       4.3.2   for 循环结构................................................................................................................................................... 82 

       4.3.3   控制程序的其他命令     ..................................................................................................................................... 83 

    4.4   程序调试和优化....................................................................................................................................................... 87 

       4.4.1   程序调试命令   ................................................................................................................................................ 87 

       4.4.2   程序常见的错误类型     ..................................................................................................................................... 87 

       4.4.3   效率优化 ....................................................................................................................................................... 91 

       4.4.4   内存优化 ....................................................................................................................................................... 91 

    4.5   本章小结.................................................................................................................................................................. 93 

                                 第二部分  算 法 专 题 

第  5 章  遗传算法............................................................................................................................................ 97 

    5.1   遗传算法基础   .......................................................................................................................................................... 97 

       5.1.1   算法基本运算   ................................................................................................................................................ 97 

       5.1.2   遗传算法的特点   ............................................................................................................................................ 98 

       5.1.3   遗传算法中的术语......................................................................................................................................... 98 

       5.1.4   遗传算法发展现状......................................................................................................................................... 99 

       5.1.5   遗传算法的应用领域     ....................................................................................................................................100 

    5.2   遗传算法原理   .........................................................................................................................................................100 

       5.2.1   算法运算过程   ...............................................................................................................................................100 

       5.2.2   算法编码 ......................................................................................................................................................103 

       5.2.3   适应度及初始群体选取      ................................................................................................................................103 

       5.2.4   算法参数设计原则........................................................................................................................................104 

       5.2.5   适应度函数的调整........................................................................................................................................104 

       5.2.6   程序设计 ......................................................................................................................................................105 

    5.3   遗传算法典型应用    ..................................................................................................................................................109 

       5.3.1   求函数极值...................................................................................................................................................109 

       5.3.2   旅行商问题...................................................................................................................................................121 

       5.3.3   基于遗传算法的    MP 算法的应用...................................................................................................................127 

    5.4   遗传算法工具箱......................................................................................................................................................132 

     16      MATLAB 智能算法（第         2 版） 

             5.4.1   工具箱命令方式调用     ....................................................................................................................................133 

             5.4.2   遗传算法 App 调用 .......................................................................................................................................135 

             5.4.3   遗传算法的优化   ...........................................................................................................................................138 

          5.5   本章小结.................................................................................................................................................................145 

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

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

             6.1.1   生物免疫系统   ...............................................................................................................................................146 

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

             6.1.3   免疫算法步骤和流程     ....................................................................................................................................148 

             6.1.4   免疫系统模型和免疫算法.............................................................................................................................149 

             6.1.5   免疫算法特点   ...............................................................................................................................................150 

             6.1.6   免疫算法的发展趋势     ....................................................................................................................................150 

          6.2   免疫遗传算法   .........................................................................................................................................................151 

             6.2.1   免疫遗传算法步骤和流程.............................................................................................................................151 

             6.2.2   免疫遗传算法   MATLAB 实现  ........................................................................................................................151 

          6.3   免疫算法的应用......................................................................................................................................................159 

             6.3.1   免疫算法在克隆选择中的应用......................................................................................................................159 

             6.3.2   免疫算法在最短路径规划中的应用          ..............................................................................................................163 

             6.3.3   免疫算法在  TSP 中的应用   ............................................................................................................................167 

             6.3.4   免疫算法在故障检测中的应用......................................................................................................................173 

          6.4   本章小结.................................................................................................................................................................180 

      第  7 章  蚁群算法.......................................................................................................................................... 181 

          7.1   蚁群算法概述   .........................................................................................................................................................181 

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

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

             7.1.3   自适应蚁群算法   ...........................................................................................................................................185 

             7.1.4   蚁群算法实现的重要规则.............................................................................................................................186 

             7.1.5   蚁群算法的特点   ...........................................................................................................................................186 

             7.1.6   蚁群算法的发展与应用      ................................................................................................................................187 

          7.2   蚁群算法 MATLAB 实现..........................................................................................................................................188 

          7.3   蚁群算法的应用......................................................................................................................................................190 

             7.3.1   蚁群算法在路径规划中的应用......................................................................................................................190 

             7.3.2   蚁群算法在  TSP 中的应用   ............................................................................................................................203 

          7.4   本章小结.................................................................................................................................................................207 

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

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

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

             8.1.2   粒子群算法的发展趋势      ................................................................................................................................209 

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

                                                                                                     目录        17

       8.1.4   粒子群算法的应用........................................................................................................................................210 

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

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

       8.2.2   算法构成要素   ...............................................................................................................................................212 

       8.2.3   算法参数设置   ...............................................................................................................................................212 

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

       8.2.5   MATLAB 实现...............................................................................................................................................213 

    8.3  权重改进的粒子群算法...........................................................................................................................................219 

       8.3.1   自适应权重法   ...............................................................................................................................................219 

       8.3.2  随机权重法...................................................................................................................................................222 

       8.3.3  线性递减权重法    ...........................................................................................................................................224 

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

       8.4.1   基于杂交的混合粒子群算法       .........................................................................................................................226 

       8.4.2   基于自然选择的混合粒子群算法..................................................................................................................229 

       8.4.3   基于免疫的混合粒子群算法       .........................................................................................................................231 

       8.4.4   基于模拟退火的混合粒子群算法..................................................................................................................235 

    8.5   本章小结.................................................................................................................................................................237 

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

    9.1  傅里叶变换到小波分析...........................................................................................................................................238 

       9.1.1  傅里叶变换...................................................................................................................................................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   常用小波函数介绍........................................................................................................................................244 

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

    9.3   小波分析在信号处理中的应用................................................................................................................................248 

       9.3.1  信号压缩  ......................................................................................................................................................248 

       9.3.2  信号去噪  ......................................................................................................................................................249 

       9.3.3  信号分离  ......................................................................................................................................................252 

    9.4   小波变换在图像处理中的应用................................................................................................................................255 

       9.4.1  图像压缩  ......................................................................................................................................................255 

       9.4.2  图像边缘检测    ...............................................................................................................................................259 

       9.4.3  图像增强  ......................................................................................................................................................260 

    9.5   小波 App 简介.........................................................................................................................................................262 

    9.6   本章小结.................................................................................................................................................................266 

第  10 章  神经网络算法................................................................................................................................. 267 

    10.1  神经网络基础........................................................................................................................................................267 

        10.1.1   人工神经网络的发展     ................................................................................................................................267 

        10.1.2   人工神经网络研究内容      ............................................................................................................................268 

     18      MATLAB 智能算法（第         2 版） 

              10.1.3   人工神经网络研究方向      ............................................................................................................................268 

              10.1.4   人工神经网络发展趋势      ............................................................................................................................269 

          10.2  神经网络的结构及学习      .........................................................................................................................................271 

              10.2.1  神经网络结构   ...........................................................................................................................................271 

              10.2.2  神经网络学习   ...........................................................................................................................................272 

              10.2.3   MATLAB 在神经网络中的应用     .................................................................................................................285 

          10.3  神经网络工具箱....................................................................................................................................................288 

              10.3.1  神经网络工具箱函数      ................................................................................................................................288 

              10.3.2  神经网络工具箱    App ................................................................................................................................305 

              10.3.3  神经网络的MATLAB实现........................................................................................................................310 

          10.4   Simulink 神经网络控制工具箱...............................................................................................................................325 

              10.4.1  神经网络模型预测控制       ............................................................................................................................325 

              10.4.2  反馈线性化控制    .......................................................................................................................................328 

              10.4.3   模型参考控制  ...........................................................................................................................................330 

          10.5   本章小结...............................................................................................................................................................333 

      第  11 章  模糊逻辑控制................................................................................................................................. 334 

          11.1   模糊逻辑控制基础    ................................................................................................................................................334 

              11.1.1   模糊逻辑控制的基本概念.........................................................................................................................334 

              11.1.2   模糊逻辑控制原理....................................................................................................................................335 

              11.1.3   模糊逻辑控制器设计包括的内容..............................................................................................................335 

              11.1.4   模糊逻辑控制规则设计      ............................................................................................................................336 

              11.1.5   模糊逻辑控制系统的应用领域..................................................................................................................336 

          11.2   模糊逻辑控制工具箱.............................................................................................................................................337 

              11.2.1  功能特点  ..................................................................................................................................................337 

              11.2.2   模糊系统基本类型....................................................................................................................................338 

              11.2.3   模糊逻辑控制系统的构成.........................................................................................................................339 

              11.2.4   模糊推理系统的建立、修改与存储管理           ...................................................................................................339 

              11.2.5   模糊语言变量及其语言值.........................................................................................................................346 

              11.2.6   模糊语言变量的隶属度函数       .....................................................................................................................349 

              11.2.7   模糊规则的建立与修改      ............................................................................................................................353 

              11.2.8   模糊推理计算与去模糊化.........................................................................................................................355 

          11.3   模糊逻辑控制工具箱     App......................................................................................................................................358 

              11.3.1   模糊推理系统编辑器     ................................................................................................................................358 

              11.3.2  隶属度函数编辑器....................................................................................................................................360 

              11.3.3   模糊规则编辑器   .......................................................................................................................................360 

              11.3.4   模糊规则浏览器   .......................................................................................................................................360 

              11.3.5   模糊推理输入/输出曲面视图       ....................................................................................................................360 

          11.4   模糊逻辑控制的经典应用      .....................................................................................................................................362 

              11.4.1   基于 Simulink 的模糊逻辑控制应用    ..........................................................................................................362 

                                                                                                     目录        19

        11.4.2   基于模糊逻辑控制的路径规划..................................................................................................................366 

        11.4.3   基于模糊神经网络控制的水质评价          ..........................................................................................................379 

    11.5   本章小结...............................................................................................................................................................388 

                                 第三部分  综 合 应 用 

第  12 章  模糊神经网络在工程中的应用             ....................................................................................................... 391 

    12.1   模糊神经网络........................................................................................................................................................391 

        12.1.1   模糊神经网络概述....................................................................................................................................391 

        12.1.2   模糊系统与神经网络的区别与联系          ..........................................................................................................392 

        12.1.3   典型模糊神经网络结构      ............................................................................................................................393 

        12.1.4   自适应模糊神经推理系统.........................................................................................................................393 

    12.2   模糊神经网络建模方法     .........................................................................................................................................395 

    12.3   模糊神经网络在工程中的应用举例.......................................................................................................................401 

        12.3.1   模糊神经网络在解耦控制中的应用          ..........................................................................................................401 

        12.3.2   模糊神经网络在函数逼近中的应用          ..........................................................................................................412 

    12.4   本章小结...............................................................................................................................................................419 

第  13 章  遗传算法在图像处理中的应用             ....................................................................................................... 420 

    13.1  图像分割...............................................................................................................................................................420 

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

        13.1.2  图像分割的理论    .......................................................................................................................................420 

        13.1.3  灰度门限法简介    .......................................................................................................................................421 

        13.1.4   基于最大类间方差图像分割原理..............................................................................................................422 

    13.2   遗传算法实现图像分割     .........................................................................................................................................423 

        13.2.1  利用遗传算法实现图像分割的原理           ..........................................................................................................423 

        13.2.2   算法实现 ..................................................................................................................................................424 

    13.3   遗传算法在图像处理中的应用举例.......................................................................................................................424 

        13.3.1   基于遗传算法的道路图像阈值分割          ..........................................................................................................424 

        13.3.2   基于遗传神经网络的图像分割..................................................................................................................433 

        13.3.3   应用遗传算法和   KSW熵法实现灰度图像阈值分割           ..................................................................................437 

    13.4   本章小结...............................................................................................................................................................453 

第  14 章  神经网络在参数估计中的应用             ....................................................................................................... 454 

    14.1   参数估计的基本知识.............................................................................................................................................454 

        14.1.1   参数估计的概念   .......................................................................................................................................454 

        14.1.2   点估计与区间估计....................................................................................................................................454 

        14.1.3  样本容量  ..................................................................................................................................................455 

    14.2  几种通用神经网络的MATLAB代码......................................................................................................................455 

    14.3  神经网络在参数估计中的应用举例.......................................................................................................................459 

        14.3.1  神经网络在人脸识别中的应用..................................................................................................................459 

     20      MATLAB 智能算法（第         2 版） 

              14.3.2  灰色神经网络在数据预测中的应用           ..........................................................................................................466 

              14.3.3   BP 神经网络在数据预测中的应用        ............................................................................................................472 

              14.3.4   概率神经网络在分类预测中的应用          ..........................................................................................................475 

          14.4   本章小结...............................................................................................................................................................478 

      第  15 章  基于智能算法的        PID 控制器设计     ................................................................................................... 479 

          15.1  PID 控制器的理论基础..........................................................................................................................................479 

          15.2   智能算法在  PID 控制器设计中的应用...................................................................................................................480 

              15.2.1  神经网络在PID   控制器设计中的应用        ......................................................................................................480 

              15.2.2   模糊控制在  PID 控制器设计中的应用       ......................................................................................................487 

              15.2.3   遗传算法在  PID 控制器设计中的应用       ......................................................................................................490 

          15.3   本章小结...............................................................................................................................................................494 

      参考文献    ........................................................................................................................................................ 495