Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ОВИ_ЛР_2012

.pdf
Скачиваний:
97
Добавлен:
02.02.2015
Размер:
4.11 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ"

А. Ю. Заковоротный

ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Лабораторный практикум для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению

"Компьютерная инженерия" и "Компьютерные науки"

Утверждено редакционно-издательским советом университета НТУ "ХПИ", протокол № __ от _______ 2012

Харьков HTMT 2012

УДК 004.383.8.032.26 ББК 32.973-02

З 53

Рецензенты: О. Г. Руденко, д-р. техн. наук, професор, Харківський національний університет радіоелектроніки;

О. А. Серков, д-р. техн. наук, професор, заслужений винахідник України, академік Академії наук прикладної радіоелектроніки, НТУ "ХПІ".

Заковоротный А. Ю. Основы вычислительного интеллекта /

З53 А. Ю. Заковоротний : лабораторный практикум. – Х. : HTMT, 2012.

320 с.

ISBN 978-617-578-095-0

В лабораторном практикуме приведены теоретические сведения о пакете MATLAB и способах построения в нем нечетких множеств, алгоритмов нечеткого вывода и нечеткой кластеризации, нечеткого контроллера, генетических алгоритмов и нейро-нечетких гибридных сетей. Теоретический материал подкреплен большим количеством примеров по использованию описанных нечетких систем.

Предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению "Компьютерная инженерия" и "Компьютерные науки".

Ил. 82. Табл. 20. Библиогрф. 35 названий.

УДК 004.383.8.032.26 ББК 32.973-02

ISBN 978-617-578-095-0

А. Ю. Заковоротный, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ ......................................................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 Простейшие вычисления в пакете

MATLAB ................................................................................................................

1.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

1.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

1.2.1.Рабочая среда пакета MATLAB.................................................................

1.2.2.Арифметические вычисления ....................................................................

1.2.3.Форматы вывода результата вычислений .......................................................

1.2.4.Использование элементарных функций......................................................................

1.2.5.Работа с комплексными числами ...........................................................

1.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 Простейшие вычисления в пакете MATLAB

с использованием переменных и векторов.........................................................

2.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

2.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

2.2.1.Использование переменных в пакете MATLAB

2.2.2.Сохранение рабочей среды ........................................................................

2.2.3.Просмотр переменных................................................................................

2.2.4.Работа с массивами ...........................................................................................................................

2.2.4.1.Ввод, сложение и вычитание векторов ..................................................

2.2.4.2.Работа с элементами векторов ................................................................

2.2.4.3.Применение функций обработки данных к векторам ..........................

2.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 Простейшие вычисления в пакете MATLAB

с использованием матриц .....................................................................................

3.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

3.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

3.2.1. Различные способы ввода матриц в пакете MATLAB............................

3

3.2.2.Обращение к элементам матриц в пакете MATLAB...............................

3.2.3.Операции над матрицами в пакете MATLAB: сложение, вычитание,

умножение, транспонирование и возведение в степень ...................................

3.2.4.Умножение матриц и векторов ..................................................................

3.2.5.Решение систем линейных уравнений ......................................................

3.2.6.Блочные матрицы ........................................................................................

3.2.7.Удаление строк и столбцов ........................................................................

3.2.8.Заполнение матриц при помощи индексации ..........................................

3.2.9.Создание матриц специального вида ........................................................

3.2.10.Поэлементные операции с матрицами....................................................

3.2.11.Визуализация матриц................................................................................

3.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 Построение таблиц значений и графиков

функций в пакете MATLAB.................................................................................

4.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

4.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

4.2.1. Построение таблиц значений функции одной переменной в пакете

MATLAB ................................................................................................................

4.2.2. Построение графиков функции одной переменной ................................

4.2.2.1.Графики функций в линейном масштабе ..............................................

4.2.2.2.Графики функций в логарифмических масштабах...............................

4.2.2.3.Задание свойств линий на графиках функций .....................................

4.2.2.4.Оформление графиков функций ............................................................

4.2.3.Построение графиков функций двух переменных ..................................

4.2.4.Построение контурных графиков функций двух переменных...............

4.2.5.Оформление графиков функций................................................................

4.2.6.Вывод нескольких графиков на одни оси.................................................

4.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 Исследование способов формирования

нечетких множеств и операций над ними ..........................................................

4

5.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

5.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

5.2.1. Функций принадлежности..........................................................................

5.2.1.1.Треугольная функций принадлежности ................................................

5.2.1.2.Трапециевидная функций принадлежности ..........................................

5.2.1.3.Простая и двухсторонняя функция принадлежности Гаусса ..............

5.2.1.4.Функция принадлежности "обобщенный колокол" .............................

5.2.1.5.Сигмоидные функция принадлежности ................................................

5.2.1.6.Функции принадлежности на основе полиномиальных кривых ........

5.2.2. Операции с нечеткими множествами........................................................

5.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 М-файлы и основы программирования в

MATLAB ................................................................................................................

6.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

6.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

6.2.1. Работа в редакторе М-файлов ....................................................................

6.2.2. Типы М-файлов ...........................................................................................

6.2.3. Установка путей ..........................................................................................

6.2.4. Файл-функции .............................................................................................

6.2.4.1. Файл-функции с одним входным аргументом ......................................

6.2.4.2. Файл-функции с несколькими входными аргументами.......................

6.2.4.3. Файл-функции с несколькими выходными аргументами....................

6.2.5. Основы программирования в MATLAB ...................................................

6.2.5.1. Оператор цикла for...................................................................................

6.2.5.2.Оператор цикла while ..............................................................................

6.2.5.3.Условный оператор if ..............................................................................

6.2.5.4.Оператор ветвления if-elseif-else ............................................................

6.2.5.5.Оператор ветвления switch......................................................................

6.2.5.6.Оператор прерывания цикла break .........................................................

6.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 Исследование алгоритма нечеткой

кластеризации ........................................................................................................

7.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

7.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

7.2.1.FCM-алгоритм кластеризации

7.2.2.Решение задач кластеризации.......................................................................................................................................

7.3. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 Моделирование нечеткой системы

средствами инструментария нечеткой логики ...................................................

8.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

8.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

8.3.Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 Нечеткое управление динамическими

процессами ......................................................................................................................

9.1.Цель лабораторной работы ...........................................................................

9.2.Краткие сведения из теории..........................................................................

9.2.1.Введение в задачу нечеткого управления

9.2.2.Правила и импликация ..................................................................................................................................

9.2.2.1.Правила .....................................................................................................

9.2.2.2.Импликация ..............................................................................................

9.2.2.3.Сопоставление состояния процесса и правил нечеткого контроллера ....................................................................................................

9.2.2.4.Выбор четкого значения управляющей переменной ........................

9.2.3.Комбинирование условий...........................................................................

9.2.4.Накопление результатов и дефазификация ..............................................

9.2.4.1.Агрегация результатов нескольких правил

9.2.4.2.Дефазификация....................................................................................................................................

9.3. Нечеткие системы управления динамическими процессами ....................

9.3.1.Моделирование качания шара по качели .................................................

9.3.2.Моделирование отскоков шара от качелей ..............................................

6

9.3.3.Система управления смесителем воды .....................................................

9.3.4.Система управления перевернутым маятником ......................................

9.3.5.Система управления двумя перевернутыми маятниками .......................

9.4. Индивидуальные задания ..............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10 Регулирование с использованием нечеткого

контролера..............................................................................................................

10.1. Цель лабораторной работы .........................................................................

10.2. Краткие сведения из теории........................................................................

10.2.1. Формирование функции принадлежности .............................................

10.2.2. Создание пользовательских функций принадлежности .......................

10.2.3. Модель системы управления уровнем воды в баке...............................

10.3. Индивидуальные задания ............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 Символические вычисления в пакете

MATLAB ................................................................................................................

11.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

11.2.Краткие сведения из теории........................................................................

11.2.1.Символические переменные и функции .................................................

11.2.2.Упрощение и преобразование выражений .............................................

11.2.3.Разложение в ряд Тейлора и определение символических выражений для сумм.............................................................................................

11.2.4.Определение пределов, дифференцирование и интегрирование.........

11.3. Индивидуальные задания ............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 Применение генетических алгоритмов при

исследовании экстремумов функций ..................................................................

12.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

12.2.Краткие сведения из теории........................................................................

12.3.Реализация генетических алгоритмов с помощью консоли

MATLAB ................................................................................................................

12.3.1.Функция ga.................................................................................................

12.3.2.Функция gaoptimset ...................................................................................

7

12.4. Реализация генетических алгоритмов с помощью диалогового окна

MATLAB ................................................................................................................

12.5.Применение генетических алгоритмов для поиска минимума функции

12.6.Применение генетических алгоритмов для поиска максимума функции ..................................................................................................................

12.7.Индивидуальные задания ............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 Применение генетических алгоритмов в

задачах оптимизации ............................................................................................

13.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

13.2.Краткие сведения из теории........................................................................

13.2.1.Применение генетических алгоритмов к задаче оптимизации вычислительной сети ............................................................................................

13.2.2.Применение генетических алгоритмов к задаче размещения радиоэлементов в корпусе устройства................................................................

13.2.3.Исследование эффективности генетических алгоритмов для задачи размещения радиоэлементов в корпусе устройства ..........................................

13.3. Индивидуальные задания ............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14 Нейро-нечеткое моделирование в среде

MATLAB ................................................................................................................

14.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

14.2.Краткие сведения из теории........................................................................

14.3.Моделирование и реализация нейро-нечеткой сети в среде MATLAB .

14.3.1.Описание ANFIS-редактора .....................................................................

14.3.2.Синтез нейро-нечеткой сети в среде MATLAB .....................................

14.4. Индивидуальные задания ............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 15 Решение задачи прогнозирования с

помощью нечетких нейронных сетей .................................................................

15.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

15.2.Краткие сведения из теории........................................................................

8

15.3. Построение нейронных сетей и гибридных нейронных сетей для

прогнозирования в пакете MATLAB ..................................................................

15.3.1.Построение нейронной сети.....................................................................

15.3.2.Построение гибридной нейронной сети .................................................

15.4. Индивидуальное задание.............................................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 16 Применение MATLAB для моделирования

нейронной сети Хебба ..........................................................................................

16.1.Цель лабораторной работы .........................................................................

16.2.Краткие сведения из теории........................................................................

16.2.1.Формальные нейроны искусственных нейронных сетей......................

16.2.2.Решение задач распознавания на основе отдельных нейронов.

Правило Хебба.......................................................................................................

16.2.3. Нейронная сеть Хебба ..............................................................................

16.3. Индивидуальные задания ............................................................................

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТОВ..................................................................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................

9

ВСТУПЛЕНИЕ

Теория нечетких множеств (fuzzy sets theory) ведет свое начало с

1965г., когда профессор Лотфи Заде (Lotfi Zadeh) из университета Беркли опубликовал основополагающую работу "Fuzzy Sets" в журнале

"Information and Control". Прилагательное "fuzzy", которое можно перевести на русский как нечеткий, размытый, введено в название новой теории с целью дистанцирования от традиционной четкой математики и аристотелевой логики, оперирующих с четкими понятиями: "принадлежит

– не принадлежит", "истина – ложь". Концепция нечеткого множества зародилась у Заде "как неудовлетворенность математическими методами классической теории систем, которая вынуждала добиваться искусственной точности, неуместной во многих системах реального мира,

особенно в так называемых гуманистических системах, включающих людей".

Началом практического применения теории нечетких множеств можно считать 1975г., когда Мамдани и Ассилиан (Mamdani and Assilian)

построили первый нечеткий контролер для управления простым паровым двигателем. В 1982 Холмблад и Остергад (Holmblad and Osregaad)

разработали первый промышленный нечеткий контроллер, который был

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]