MATLAB强化学习工具箱(八)钟摆模型建模并使用DDPG训练

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MATLAB强化学习工具箱(八)钟摆模型建模并使用DDPG训练

2024-07-16 22:45| 来源: 网络整理| 查看: 265

使用DDPG训练摆锤系统 打开模型并创建环境接口创建DDPG智能体训练智能体DDPG仿真

此示例显示了如何建立钟摆模型并使用DDPG训练。

模型加载参考我上一篇使用DQN的博文。 在这里插入图片描述

打开模型并创建环境接口

打开模型

mdl = 'rlSimplePendulumModel'; open_system(mdl)

为钟摆创建一个预定义的环境界面。

env = rlPredefinedEnv('SimplePendulumModel-Continuous')

界面具有离散的操作空间,智能体可以在其中将三个可能的扭矩值之一施加到摆锤上:–2、0或2 N·m。 要将摆的初始条件定义为向下悬挂,请使用匿名函数句柄指定环境重置函数。 此重置功能将模型工作区变量thetaθ \thetaθ设置为pi。

numObs = 3; set_param('rlSimplePendulumModel/create observations','ThetaObservationHandling','sincos');

要将摆的初始条件定义为向下悬挂,请使用匿名函数句柄指定环境重置函数。此重置功能将模型工作区变量设置theta0为pi。

env.ResetFcn = @(in)setVariable(in,'theta0',pi,'Workspace',mdl);

以秒为单位指定模拟时间Tf和代理采样时间Ts。

Ts = 0.05; Tf = 20;

固定随机生成器种子以提高可重复性。

rng(0) 创建DDPG智能体

DDPG智能体使用评论者价值函数表示法,根据给定的观察和操作来估算长期奖励。 要创建评论者,首先要创建一个具有两个输入(状态和动作)和一个输出的深度神经网络。 有关创建深度神经网络值函数表示的更多信息,请参见创建策略和值函数表示。

statePath = [ featureInputLayer(numObs,'Normalization','none','Name','observation') fullyConnectedLayer(400,'Name','CriticStateFC1') reluLayer('Name', 'CriticRelu1') fullyConnectedLayer(300,'Name','CriticStateFC2')]; actionPath = [ featureInputLayer(1,'Normalization','none','Name','action') fullyConnectedLayer(300,'Name','CriticActionFC1','BiasLearnRateFactor',0)]; commonPath = [ additionLayer(2,'Name','add') reluLayer('Name','CriticCommonRelu') fullyConnectedLayer(1,'Name','CriticOutput')]; criticNetwork = layerGraph(); criticNetwork = addLayers(criticNetwork,statePath); criticNetwork = addLayers(criticNetwork,actionPath); criticNetwork = addLayers(criticNetwork,commonPath); criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticStateFC2','add/in1'); criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticActionFC1','add/in2');

查看评论者网络配置。

figure plot(criticNetwork)

在这里插入图片描述 使用rlRepresentationOptions指定评论者表示的选项。

criticOpts = rlRepresentationOptions('LearnRate',1e-03,'GradientThreshold',1);

使用指定的深度神经网络和选项创建评论者表示。 您还必须指定评论者的操作和观察信息,这些信息是从环境界面获得的。 有关更多信息,请参见rlQValueRepresentation。

obsInfo = getObservationInfo(env); actInfo = getActionInfo(env); critic = rlQValueRepresentation(criticNetwork,obsInfo,actInfo,'Observation',{'observation'},'Action',{'action'},criticOpts);

要创建一个具有一个输入(观察)和一个输出(动作)的深度神经网络。 以类似于评论者的方式构造行动者。 有关更多信息,请参见rlDeterministicActorRepresentation。

actorNetwork = [ featureInputLayer(numObs,'Normalization','none','Name','observation') fullyConnectedLayer(400,'Name','ActorFC1') reluLayer('Name','ActorRelu1') fullyConnectedLayer(300,'Name','ActorFC2') reluLayer('Name','ActorRelu2') fullyConnectedLayer(1,'Name','ActorFC3') tanhLayer('Name','ActorTanh') scalingLayer('Name','ActorScaling','Scale',max(actInfo.UpperLimit))]; actorOpts = rlRepresentationOptions('LearnRate',1e-04,'GradientThreshold',1); actor = rlDeterministicActorRepresentation(actorNetwork,obsInfo,actInfo,'Observation',{'observation'},'Action',{'ActorScaling'},actorOpts);

要创建DDPG智能体,请首先使用rlDDPGAgentOptions指定DDPG代理选项。

agentOpts = rlDDPGAgentOptions(... 'SampleTime',Ts,... 'TargetSmoothFactor',1e-3,... 'ExperienceBufferLength',1e6,... 'DiscountFactor',0.99,... 'MiniBatchSize',128); agentOpts.NoiseOptions.Variance = 0.6; agentOpts.NoiseOptions.VarianceDecayRate = 1e-5;

然后使用指定的行动者表示,评论者表示和智能体选项创建DDPG智能体。 有关更多信息,请参见rlDDPGAgent。

agent = rlDDPGAgent(actor,critic,agentOpts); 训练智能体

要训练智能体,请首先指定训练选项。对于此示例,使用以下选项。

进行最多50000次的训练,每集持续最多的ceil(Tf/Ts)时间步长。

在“情节管理器”对话框中显示训练进度(设置Plots选项),并禁用命令行显示(将Verbose选项设置为false)。

当特工连续五个情节获得的平均累积奖励大于–740时,请停止训练。在这一点上,代理可以以最小的控制力快速地使摆锤处于直立位置。

为累积奖励大于–740的每个情节保存代理的副本。

有关更多信息,请参见rlTrainingOptions。

maxepisodes = 5000; maxsteps = ceil(Tf/Ts); trainOpts = rlTrainingOptions(... 'MaxEpisodes',maxepisodes,... 'MaxStepsPerEpisode',maxsteps,... 'ScoreAveragingWindowLength',5,... 'Verbose',false,... 'Plots','training-progress',... 'StopTrainingCriteria','AverageReward',... 'StopTrainingValue',-740,... 'SaveAgentCriteria','EpisodeReward',... 'SaveAgentValue',-740);

使用训练函数训练智能体。 训练此智能体是一个计算密集型过程,需要几分钟才能完成。 为了节省运行本示例的时间,请通过将doTraining设置为false来加载预训练的智能体。 要自己训练智能体,请将doTraining设置为true。

doTraining = false; if doTraining % Train the agent. trainingStats = train(agent,env,trainOpts); else % Load the pretrained agent for the example. load('SimulinkPendulumDDPG.mat','agent') end

在这里插入图片描述

DDPG仿真

要验证以训练的智能体的表现,请在摆环境中对其进行仿真。 有关智能体模拟的更多信息,请参见rlSimulationOptions和sim。

simOptions = rlSimulationOptions('MaxSteps',500); experience = sim(env,agent,simOptions);

在这里插入图片描述



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