Обучите агента PG с базовой линией управлять двойной системой интегратора

В этом примере показано, как обучить агента градиента политики (PG) с базовой линией управлять динамической системой второго порядка, смоделированной в MATLAB®.

Для получения дополнительной информации об основном агенте PG без базовой линии смотрите, что пример Обучает Агента PG Балансировать полюсную Корзиной Систему.

Двойной интегратор среда MATLAB

Среда обучения с подкреплением для этого примера является системой второго порядка, двойной интегратор с усилением. Учебная цель состоит в том, чтобы управлять положением массы в системе второго порядка путем применения входа силы.

Для этой среды:

Масса запускается в исходном положении +/-2 модуля.
Сигнал действия силы от агента до среды от -От 2 до 2 Н.
Наблюдения средой являются положением и скоростью массы.
Эпизод завершает работу, если масса перемещает больше, чем 5 m от исходного положения или если $| x | < 0.01$
Вознаграждение $r_{t}$ , если на каждом временном шаге, дискретизация $r (t)$ :

$r (t) = - ({x (t)}^{'} Q x (t) + {u (t)}^{'} R u (t))$

где:

$x$ вектор состояния массы.
$u$ сила, применился к массе.
$Q$ веса на производительности управления. $Q = [10 0; 0 1]$
$R$ вес на усилии по управлению. $R = 0.01$

Для получения дополнительной информации об этой модели смотрите Загрузку Предопределенные Среды Системы управления.

Создайте двойной интегратор интерфейс среды MATLAB

Создайте предопределенный интерфейс среды для маятника.

env = rlPredefinedEnv("DoubleIntegrator-Discrete")

env = 
  DoubleIntegratorDiscreteAction with properties:

             Gain: 1
               Ts: 0.1000
      MaxDistance: 5
    GoalThreshold: 0.0100
                Q: [2x2 double]
                R: 0.0100
         MaxForce: 2
            State: [2x1 double]

Интерфейс имеет дискретный пробел действия, где агент может применить одно из трех возможных значений силы к массе: -2, 0 или 2 Н.

Получите информацию о наблюдении и действии из интерфейса среды.

obsInfo = getObservationInfo(env);
numObservations = obsInfo.Dimension(1);
actInfo = getActionInfo(env);
numActions = numel(actInfo.Elements);

Для повторяемости результатов зафиксируйте начальное значение генератора случайных чисел.

rng(0)

Создайте агента агента PG

Агент PG решает который действие взять данный наблюдения с помощью представления агента. Чтобы создать агента, сначала создайте глубокую нейронную сеть с одним входом (наблюдение) и один выход (действие). Для получения дополнительной информации о создании представления функции значения глубокой нейронной сети смотрите, Создают политику и Представления Функции Значения.

actorNetwork = [
    imageInputLayer([numObservations 1 1],'Normalization','none','Name','state')
    fullyConnectedLayer(numActions,'Name','action','BiasLearnRateFactor',0)];

Задайте опции для представления агента с помощью rlRepresentationOptions.

actorOpts = rlRepresentationOptions('LearnRate',5e-3,'GradientThreshold',1);

Создайте представление агента с помощью заданной глубокой нейронной сети и опций. Необходимо также указать информацию действия и наблюдения для критика, которого вы уже получили из интерфейса среды. Для получения дополнительной информации смотрите rlRepresentation.

actor = rlRepresentation(actorNetwork,actorOpts,'Observation',{'state'},obsInfo,'Action',{'action'},actInfo);

Создайте базовую линию агента PG

Базовая линия меняется в зависимости от состояния, может уменьшать отклонение ожидаемого значения обновления и таким образом уменьшить скорость изучения для агента PG. Возможным выбором для базовой линии является оценка функции значения состояния [1].

В этом случае базовое представление является глубокой нейронной сетью с одним входом (состояние) и один выход (значение состояния).

Создайте базовую линию подобным образом к агенту.

baselineNetwork = [
    imageInputLayer([numObservations 1 1],'Normalization','none','Name','state')
    fullyConnectedLayer(8,'Name','BaselineFC')
    reluLayer('Name','CriticRelu1')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','BaselineFC2','BiasLearnRateFactor',0)];

baselineOpts = rlRepresentationOptions('LearnRate',5e-3,'GradientThreshold',1);

baseline = rlRepresentation(baselineNetwork,baselineOpts,'Observation',{'state'},obsInfo);

Чтобы создать агента PG с базовой линией, задайте опции агента PG с UseBaseline набор опции к истинному использованию rlPGAgentOptions.

agentOpts = rlPGAgentOptions(...
    'UseBaseline',true, ...
    'DiscountFactor', 0.99);

Затем создайте агента с помощью заданного представления агента, представления критика и опций агента. Для получения дополнительной информации смотрите rlPGAgent.

agent = rlPGAgent(actor,baseline,agentOpts);

Обучите агента

Чтобы обучить агента, сначала задайте опции обучения. В данном примере используйте следующие опции:

Запустите каждый эпизод тренировки для самое большее 1 000 эпизодов с каждым эпизодом, длящимся самое большее 200 временных шагов.
Отобразите прогресс обучения в диалоговом окне Episode Manager (установите Plots опция), и отключают отображение командной строки (установите Verbose опция).
Остановите обучение, когда агент получит среднее совокупное вознаграждение, больше, чем-40 более чем 5 последовательных эпизодов. На данном этапе агент может управлять положением массы с помощью минимального усилия по управлению.

Для получения дополнительной информации смотрите rlTrainingOptions.

trainOpts = rlTrainingOptions(...
    'MaxEpisodes',1000, ...
    'MaxStepsPerEpisode',200, ...
    'Verbose',false, ...
    'Plots','training-progress',...
    'StopTrainingCriteria','AverageReward',...
    'StopTrainingValue',-45);

Двойная система интегратора может визуализироваться с plot(env) во время обучения или симуляции.

plot(env)

Обучите агента с помощью train функция. Это - в вычислительном отношении интенсивный процесс, который занимает несколько минут, чтобы завершиться. Чтобы сэкономить время при выполнении этого примера, загрузите предварительно обученного агента установкой doTraining к false. Чтобы обучить агента самостоятельно, установите doTraining к true.

doTraining = false;

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

Симулируйте агента PG

Чтобы подтвердить производительность обученного агента, симулируйте его в двойной среде интегратора. Для получения дополнительной информации о симуляции агента смотрите rlSimulationOptions и sim.

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

totalReward = sum(experience.Reward)

totalReward = -41.5626

Ссылки

[1] Саттон, Barto. "Обучение с подкреплением: Введение", Нажатие MIT, Кембридж, 2-й Выпуск, p. 330, 2018.

Смотрите также

rlPGAgent

Документация