LSTM 时间序列预测 matlab

这篇博客主要介绍了如何在MATLAB中利用LSTM进行时间序列预测,作者参考并修改了网上找到的资源,提供了程序说明和数据链接,读者可以输入特定参数运行代码进行预测。

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由于参加了一个小的课题,是关于时间序列预测的。平时习惯用matlab, 网上这种资源就比较少。

借鉴了  http://blog.youkuaiyun.com/u010540396/article/details/52797489  的内容,稍微修改了一下程序。


程序说明:DATA.mat 是一行时序值,

numdely 是用前numdely个点预测当前点,cell_num是隐含层的数目,cost_gate 是误差的阈值。

直接在命令行输入RunLstm(numdely,cell_num,cost_gate)即可。

function [r1, r2] = RunLstm(numdely,cell_num,cost_gate)
%% 数据加载,并归一化处理
figure;
[train_data,test_data]=LSTM_data_process(numdely);
data_length=size(train_data,1)-1;
data_num=size(train_data,2);
%% 网络参数初始化
% 结点数设置
input_num=data_length;
% cell_num=5;
output_num=1;
% 网络中门的偏置
bias_input_gate=rand(1,cell_num);
bias_forget_gate=rand(1,cell_num);
bias_output_gate=rand(1,cell_num);
%网络权重初始化
ab=20;
weight_input_x=rand(input_num,cell_num)/ab;
weight_input_h=rand(output_num,cell_num)/ab;
weight_inputgate_x=rand(input_num,cell_num)/ab;
weight_inputgate_c=rand(cell_num,cell_num)/ab;
weight_forgetgate_x=rand(input_num,cell_num)/ab;
weight_forgetgate_c=rand(cell_num,cell_num)/ab;
weight_outputgate_x=rand(input_num,cell_num)/ab;
weight_outputgate_c=rand(cell_num,cell_num)/ab;
%hidden_output权重
weight_preh_h=rand(cell_num,output_num);
%网络状态初始化
% cost_gate=0.25;
h_state=rand(output_num,data_num);
cell_state=rand(cell_num,data_num);
%% 网络训练学习
for iter=1:100
    yita=0.01;            %每次迭代权重调整比例
    for m=1:data_num
        %前馈部分
        if(m==1)
            gate=tanh(train_data(1:input_num,m)'*weight_input_x);
            input_gate_input=train_data(1:input_num,m)'*weight_inputgate_x+bias_input_gate;
            output_gate_input=train_data(1:input_num,m)'*weight_outputgate_x+bias_output_gate;
            for n=1:cell_num
                input_gate(1,n)=1/(1+exp(-input_gate_input(1,n)));
                output_gate(1,n)=1/(1+exp(-output_gate_input(1,n)));
            end
            forget_gate=zeros(1,cell_num);
            forget_gate_input=zeros(1,cell_num);
            cell_state(:,m)=(input_gate.*gate)';
        else
            gate=tanh(train_data(1:input_num,m)'*weight_input_x+h_state(:,m-1)'*weight_input_h);
            input_gate_input=train_data(1:input_num,m)'*weight_inputgate_x+cell_state(:,m-1)'*weight_inpu
### 使用MATLAB实现LSTM时间序列预测 #### 准备工作 为了使用MATLAB进行LSTM时间序列预测,需先安装Deep Learning Toolbox。该工具箱提供了创建和训练LSTM网络所需的各种函数和支持。 #### 数据准备 在开始之前,准备好用于训练的时间序列数据至关重要。通常情况下,这涉及加载历史数据并对其进行预处理,比如标准化或归一化[^2]。 ```matlab % 加载样本数据集 data = readtable('time_series_data.csv'); % 假设CSV文件中有时间序列数据 values = data.Value; % 提取数值列作为目标变量 ``` #### 创建LSTM网络架构 定义一个适合于时间序列预测LSTM层结构。这里展示了一个简单的例子,其中包含了输入层、若干隐藏层以及输出层的设计思路[^1]。 ```matlab numFeatures = 1; % 输入特征数量(对于单变量情况) numResponses = 1; % 输出响应数目(同样针对单变量情形) numHiddenUnits = 200; layers = [ sequenceInputLayer(numFeatures) lstmLayer(numHiddenUnits,'OutputMode','sequence') fullyConnectedLayer(numResponses) regressionLayer]; ``` #### 设置训练选项 配置训练参数,如最大迭代次数、初始学习率等,以便更有效地调整模型权重直至收敛[^4]。 ```matlab maxEpochs = 250; miniBatchSize = 200; initialLearnRate = 0.005; options = trainingOptions('adam', ... 'MaxEpochs', maxEpochs, ... 'MiniBatchSize', miniBatchSize, ... 'InitialLearnRate', initialLearnRate, ... 'GradientThreshold', 1, ... 'Verbose', false, ... 'Plots', 'training-progress'); ``` #### 训练过程 利用`trainNetwork`命令来执行实际的训练任务,并监控进度图表以评估性能改进状况。 ```matlab net = trainNetwork(XTrain,YTrain,layers,options); ``` #### 预测未来值 完成训练之后,可以应用已学得的知识对未来时刻做出推测。注意要保持测试阶段的数据格式与训练期间一致[^3]。 ```matlab YPred = predict(net,XTest,'MiniBatchSize',miniBatchSize); figure plot(YTest) hold on plot(YPred) legend(["True Values","Predicted"]) title("Forecasting Results") xlabel("Time Step") ylabel("Value") ``` 通过上述步骤,在MATLAB环境中成功搭建起了一个基本版的LSTM时间序列预测框架。当然,还可以进一步探索更多高级特性,例如双向LSTMs (Bi-LSTMs),甚至尝试与其他技术相结合提升效果。
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