PSO优化的BP神经网络

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📆首发时间：🌹2021年1月7日🌹
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目录
0️⃣基本介绍
1️⃣代码部分
2️⃣结果

PSO优化的BP神经网络

0️⃣✨✨✨基本介绍✨✨✨

BP神经网络作为目前运用最广泛的神经网络模型之一，具有结构简单、较强的非线性映射能力、良好的自学习能力、可高精度逼近任意函数等优点。BP神经网络算法采用梯度下降算法，从训练数据中开展学习，以输出误差平方最小为目标，采用误差反向传播，以训练网络节点权值和偏置值。当BP神经网络的结构(层数、每层节点个数)较复杂时，这一算法会表现出学习速度慢、易陷入局部极小值、稳定性差等不足。另一个广泛使用的机器学习算法为粒子群优化算法，这类算法通过群体智能开展学习，具有较好的全局寻优能力。提出基于粒子群优化的BP神经网络算法，将粒子群优化算法引入BP神经网络模型中，以加快传统BP神经网络算法的收敛速度。

1️⃣✨✨✨代码部分✨✨✨

data.m:

for i=1:2000
    input(i,:)=10*rand(1,2)-5;
    output(i)=input(i,1)^2+input(i,2)^2;
end
output=output';

save data input output

PSO.m：

%% 该代码为基于PSO和BP网络的预测
%% 清空环境
clc
clear

%读取数据
load data input output

%节点个数
inputnum=2;
hiddennum=5;
outputnum=1;

%训练数据和预测数据
input_train=input(1:1900,:)';
input_test=input(1901:2000,:)';
output_train=output(1:1900)';
output_test=output(1901:2000)';

%选连样本输入输出数据归一化
[inputn,inputps]=mapminmax(input_train);
[outputn,outputps]=mapminmax(output_train);

%构建网络
net=newff(inputn,outputn,hiddennum);

% 参数初始化
%粒子群算法中的两个参数
c1 = 1.49445;
c2 = 1.49445;

maxgen=2;   % 进化次数  
sizepop=20;   %种群规模

Vmax=1;
Vmin=-1;
popmax=5;
popmin=-5;

for i=1:sizepop
    pop(i,:)=5*rands(1,21);
    V(i,:)=rands(1,21);
    fitness(i)=fun(pop(i,:),inputnum,hiddennum,outputnum,net,inputn,outputn);
end


% 个体极值和群体极值
[bestfitness bestindex]=min(fitness);
zbest=pop(bestindex,:);   %全局最佳
gbest=pop;    %个体最佳
fitnessgbest=fitness;   %个体最佳适应度值
fitnesszbest=bestfitness;   %全局最佳适应度值

%% 迭代寻优
for i=1:maxgen
    i
    
    for j=1:sizepop
        
        %速度更新
        V(j,:) = V(j,:) + c1*rand*(gbest(j,:) - pop(j,:)) + c2*rand*(zbest - pop(j,:));
        V(j,find(V(j,:)>Vmax))=Vmax;
        V(j,find(V(j,:)<Vmin))=Vmin;
        
        %种群更新
        pop(j,:)=pop(j,:)+0.2*V(j,:);
        pop(j,find(pop(j,:)>popmax))=popmax;
        pop(j,find(pop(j,:)<popmin))=popmin;
        
        %自适应变异
        pos=unidrnd(21);
        if rand>0.95
            pop(j,pos)=5*rands(1,1);
        end
      
        %适应度值
        fitness(j)=fun(pop(j,:),inputnum,hiddennum,outputnum,net,inputn,outputn);
    end
    
    for j=1:sizepop
    %个体最优更新
    if fitness(j) < fitnessgbest(j)
        gbest(j,:) = pop(j,:);
        fitnessgbest(j) = fitness(j);
    end
    
    %群体最优更新 
    if fitness(j) < fitnesszbest
        zbest = pop(j,:);
        fitnesszbest = fitness(j);
    end
    
    end
    
    yy(i)=fitnesszbest;    
        
end

%% 结果分析
plot(yy)
title(['适应度曲线  ' '终止代数＝' num2str(maxgen)]);
xlabel('进化代数');ylabel('适应度');

x=zbest;
%% 把最优初始阀值权值赋予网络预测
% %用遗传算法优化的BP网络进行值预测
w1=x(1:inputnum*hiddennum);
B1=x(inputnum*hiddennum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum);
w2=x(inputnum*hiddennum+hiddennum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum);
B2=x(inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum+outputnum);

net.iw{1,1}=reshape(w1,hiddennum,inputnum);
net.lw{2,1}=reshape(w2,outputnum,hiddennum);
net.b{1}=reshape(B1,hiddennum,1);
net.b{2}=B2;

%% BP网络训练
%网络进化参数
net.trainParam.epochs=100;
net.trainParam.lr=0.1;
%net.trainParam.goal=0.00001;

%网络训练
[net,per2]=train(net,inputn,outputn);

%% BP网络预测
%数据归一化
inputn_test=mapminmax('apply',input_test,inputps);
an=sim(net,inputn_test);
test_simu=mapminmax('reverse',an,outputps);
error=test_simu-output_test;
figure(2)
plot(error)

fum.m

function error = fun(x,inputnum,hiddennum,outputnum,net,inputn,outputn)
%该函数用来计算适应度值
%x          input     个体
%inputnum   input     输入层节点数
%outputnum  input     隐含层节点数
%net        input     网络
%inputn     input     训练输入数据
%outputn    input     训练输出数据

%error      output    个体适应度值

%提取
w1=x(1:inputnum*hiddennum);
B1=x(inputnum*hiddennum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum);
w2=x(inputnum*hiddennum+hiddennum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum);
B2=x(inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum+1:inputnum*hiddennum+hiddennum+hiddennum*outputnum+outputnum);

 
%网络权值赋值
net.iw{1,1}=reshape(w1,hiddennum,inputnum);
net.lw{2,1}=reshape(w2,outputnum,hiddennum);
net.b{1}=reshape(B1,hiddennum,1);
net.b{2}=B2;

%网络训练
an=sim(net,inputn);

error=sum(abs(an-outputn));