MATLAB DDPG PID

这是一个IT类问题。

DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）是一种深度强化学习算法，用于解决连续动作空间的问题。PID（Proportional-Integral-Derivative）则是一种传统的控制算法，常用于控制系统中。

在MATLAB中，可以使用DDPG算法来优化PID控制器的参数，从而实现更好的控制效果。具体实现方法可以参考MATLAB官方文档和相关论文。

相关问题

用于MATLAB的DDPG代码整定PID参数

DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）是一种深度强化学习算法，可以用于连续控制问题的解决。在MATLAB中，可以使用Deep Learning Toolbox中的函数以及Reinforcement Learning Toolbox中的函数来实现DDPG算法。

下面是一个使用DDPG算法来优化PID控制器参数的示例代码：

%% 初始化环境
mdl = 'pendulum';
open_system(mdl);

Ts = 0.05;
Tf = 10;

obsInfo = rlNumericSpec([3 1],'LowerLimit',[-pi/2; -8; -Inf],'UpperLimit',[pi/2; 8; Inf]);
obsInfo.Name = 'observations';
obsInfo.Description = 'theta;thetadot;thetaerror';

actInfo = rlNumericSpec([1 1],'LowerLimit',-10,'UpperLimit',10);
actInfo.Name = 'torque';
env = rlSimulinkEnv(mdl,mdl,obsInfo,actInfo);

%% 确定深度神经网络的结构
statePath = [
    imageInputLayer([3 1 1],'Normalization','none','Name','observation')
    fullyConnectedLayer(64,'Name','CriticStateFC1')
    reluLayer('Name','CriticRelu1')
    fullyConnectedLayer(64,'Name','CriticStateFC2')];
actionPath = [
    imageInputLayer([1 1 1],'Normalization','none','Name','action')
    fullyConnectedLayer(64,'Name','CriticActionFC1','BiasLearnRateFactor',0)];
commonPath = [
    additionLayer(2,'Name','add')
    reluLayer('Name','CriticCommonRelu')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','output')];
criticNetwork = layerGraph(statePath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork,actionPath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork,commonPath);
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticStateFC2','add/in1');
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticActionFC1','add/in2');

%% 建立深度决策网络
actorNetwork = [
    imageInputLayer([3 1 1],'Normalization','none','Name','observation')
    fullyConnectedLayer(64,'Name','ActorFC1')
    reluLayer('Name','ActorRelu1')
    fullyConnectedLayer(64,'Name','ActorFC2')
    reluLayer('Name','ActorRelu2')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','ActorFC3')
    tanhLayer('Name','ActorTanh1')
    scalingLayer('Name','ActorScaling1','Scale',2)];

%% 设置DDPG代理
agentOpts = rlDDPGAgentOptions;
agentOpts.SampleTime = Ts;
agentOpts.DiscountFactor = 0.99;
agentOpts.MiniBatchSize = 256;
agentOpts.ExperienceBufferLength = 1e6;
agentOpts.TargetSmoothFactor = 1e-3;
agentOpts.NoiseOptions.Variance = 0.2;
agentOpts.NoiseOptions.VarianceDecayRate = 1e-5;
agentOpts.SaveExperienceBufferWithAgent = true;
agentOpts.ResetExperienceBufferBeforeTraining = false;
agentOpts.UseParallel = false;
agentOpts.UseGPU = false;

agent = rlDDPGAgent(actorNetwork,criticNetwork,agentOpts);

%% 训练代理
trainOpts = rlTrainingOptions;
trainOpts.MaxEpisodes = 100;
trainOpts.MaxStepsPerEpisode = ceil(Tf/Ts);
trainOpts.StopTrainingCriteria = 'AverageReward';
trainOpts.StopTrainingValue = -400;
trainOpts.ScoreAveragingWindowLength = 30;
trainOpts.SaveAgentCriteria = 'EpisodeReward';
trainOpts.SaveAgentValue = -350;
trainOpts.Plots = 'training-progress';

trainingStats = train(agent,env,trainOpts);

在这个示例中，我们使用了一个具有64个神经元的深度神经网络来近似Q函数，另一个具有64个神经元的深度神经网络来确定actor的策略。我们还设置了一些DDPG代理的选项，如样本时间、折扣因子、噪声参数等。

在训练代理之后，我们可以使用以下代码来测试代理的性能，并使用优化的PID参数控制摆杆系统：

agentOpts.NoiseOptions.Variance = 0;
simOpts = rlSimulationOptions('MaxSteps',1000);
experience = sim(env,agent,simOpts);

这段代码将关闭DDPG代理的噪声，并使用优化的PID参数控制摆杆系统。

写出在MATLAB中，使用DDPG优化PID参数的代码

### 回答1：

我们可以使用MATLAB中的rlDDPGTuning函数来优化PID参数。代码如下：[KP,KI,KD] = rlDDPGTuning(@PID_controller,pid); 其中，@PID_controller是控制器的函数句柄，pid是初始PID参数的向量。

### 回答2：
在MATLAB中使用DDPG算法来优化PID参数的代码如下：

% DDPG优化PID参数的代码

% 步骤1：定义DDPG网络结构

% 定义Actor网络结构
actor_network = [
    imageInputLayer([state_dimension, 1, 1],'Normalization','none','Name','state')
    fullyConnectedLayer(400,'Name','fc1')
    reluLayer('Name','relu1')
    fullyConnectedLayer(300,'Name','fc2')
    reluLayer('Name','relu2')
    fullyConnectedLayer(action_dimension,'Name','output')];

% 定义Critic网络结构
critic_network = [
    imageInputLayer([state_dimension, 1, 1],'Normalization','none','Name','state')
    fullyConnectedLayer(400,'Name','fc1')
    reluLayer('Name','relu1')
    fullyConnectedLayer(300,'Name','fc2')
    reluLayer('Name','relu2')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','output')];

% 步骤2：定义DDPG算法参数

agentOpts = rlDDPGAgentOptions;
agentOpts.SampleTime = step_size;
agentOpts.DiscountFactor = discount_factor;
agentOpts.TargetSmoothFactor = target_smoothing_factor;

% 步骤3：创建DDPG代理

agent = rlDDPGAgent(actor_network, critic_network, agentOpts);

% 步骤4：定义环境

env = rlSimulinkEnv(system_name, block_names, signals);

% 步骤5：优化PID参数

% 训练步数
num_episodes = 100;

for episode = 1:num_episodes
    % 重置环境
    obs = resetObservation(env);
    done = false;
    
    while ~done
        % 选择动作
        action = selectAction(agent, obs);
        
        % 执行动作并观察下一个状态、回报和终止信号
        [nextObs, reward, done] = step(env, action);
        
        % 存储经验
        experience = rlExperience(obs, action, reward, nextObs, done);
        
        % 每步学习
        agent = learn(agent, experience);
        
        % 更新当前状态
        obs = nextObs;
    end
end

以上代码演示了使用DDPG算法优化PID参数的过程，其中定义了Actor和Critic网络结构，设置了DDPG算法参数，创建了DDPG代理，定义了环境，并执行了训练循环来逐步优化PID参数。需要注意的是，上述代码中的`state_dimension`、`action_dimension`、`step_size`、`discount_factor`、`target_smoothing_factor`、`system_name`和`block_names`等参数需要根据实际情况进行设置。

### 回答3：
在MATLAB中使用DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）算法优化PID参数的代码如下：

% 系统模型和初始PID参数设置
sys = tf([1],[1,1]);
Kp = 1;
Ki = 0.5;
Kd = 0.1;
pid = pid(Kp, Ki, Kd);

% 状态和行为空间定义
obsDim = 1; % 状态空间维度
actionDim = 3; % 行为空间维度
obsUB = 10; % 状态上界
obsLB = -10; % 状态下界
actionUB = 1; % 行为上界
actionLB = -1; % 行为下界

% 设置DDPG超参数
actorOpts = rlRepresentationOptions('Observation',{'Continuous'},...
    'Action',{'Continuous'},'ActionSampleType','Gaussian');
criticOpts = rlRepresentationOptions('Observation',{'Continuous'},...
    'Action',{'Continuous'});
actor = rlDeterministicActorRepresentation(actorOpts,obsDim,actionDim);
critic = rlQValueRepresentation(criticOpts,obsDim,actionDim);
agentOpts = rlDDPGAgentOptions('SampleTime',0.01,...
    'TargetSmoothFactor',1e-3,'DiscountFactor',0.99);
agent = rlDDPGAgent(actor,critic,agentOpts);

% 创建环境
env = rlSimulinkEnv(sys,'ResetFcn',@(in)setParams(in,Kp,Ki,Kd),'StopFcn',@(in,~,logs)stopSim(in,false,logs));
env.ResetFcn = @(in)setParams(in,Kp,Ki,Kd);

% 训练
trainOpts = rlTrainingOptions('MaxEpisodes',1000,'MaxStepsPerEpisode',200,...
    'Verbose',false,'Plots','training-progress');
trainOpts.ScoreAveragingWindowLength = 30;
trainOpts.StopTrainingCriteria = "AverageReward";
trainOpts.StopTrainingValue = inf;

% RL网络训练
doTraining = true;
while doTraining
    % 训练DDPG智能体
    trainingStats = train(agent,env,trainOpts);
    
    % 检查训练终止的条件
    if trainingStats.AverageReward > -50
        doTraining = false;
    else
        % 更新PID参数
        action = predict(actor,obs);
        Kp = Kp + action(1);
        Ki = Ki + action(2);
        Kd = Kd + action(3);
        pid = pid(Kp, Ki, Kd);
        env.ResetFcn = @(in)setParams(in,Kp,Ki,Kd);
    end
end

% 设置新的PID控制器参数
function setParams(in,Kp,Ki,Kd)
    in.mass = Kp;
    in.damping = Ki;
    in.spring = Kd;
end

% 检查训练是否终止并停止仿真
function stopSim(in,isdone,logs)
    if isdone
        Kp = 0.1;
        Ki = 0.1;
        Kd = 0.1;
        pid = pid(Kp, Ki, Kd);
        setParams(in,Kp,Ki,Kd);
        logs.States{end,:) = in;
        logs.Rewards{end} = -50;
    end
    stop(in);
end

该代码中，首先定义了系统模型、初始PID参数和状态、行为空间的设置。然后设置了DDPG算法的超参数，并创建了DDPG智能体对象。接着创建了Simulink环境，用于模拟系统。利用训练选项和训练函数对DDPG智能体进行训练，同时在每次训练迭代中根据智能体的输出更新PID参数。最后定义了设置PID参数的函数和停止仿真的函数。