强化学习：使用自动控制方法PID来解决强化学习问题中的cartpole问题（小车平衡杆问题）

网上找到的一个实现：

地址：

https://gist.github.com/HenryJia/23db12d61546054aa43f8dc587d9dc2c

稍微修改后的代码：

import numpy as np
import gym

def sigmoid(x):
    return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x))

env = gym.make('CartPole-v1')
desired_state = np.array([0, 0, 0, 0])
desired_mask = np.array([0, 0, 1, 0])

P, I, D = 0.1, 0.01, 0.5  ###

N_episodes = 10
N_steps = 50000
for i_episode in range(N_episodes):
    state, _ = env.reset()
    integral = 0
    derivative = 0
    prev_error = 0
    for t in range(N_steps):
        # print(f"step: {t}")
        env.render()
        error = state - desired_state

        integral += error
        derivative = error - prev_error
        prev_error = error

        pid = np.dot(P * error + I * integral + D * derivative, desired_mask)
        action = sigmoid(pid)
        action = np.round(action).astype(np.int32)
        # print(P * error + I * integral + D * derivative, pid, action)
        # print(state, action, )

        state, reward, done, info, _ = env.step(action)
        if done or t==N_steps-1:
            print("Episode finished after {} timesteps".format(t+1))
            break
env.close()

运行效果：

这个表现是极为神奇的，如果不考虑泛化性的话，不考虑使用AI算法和机器学习算法的话，那么不使用强化学习和遗传算法以外的算法，那么使用自动化的算法或许也是不错的选择，并且从这个表现来看这个效果远比使用AI类的算法表现好。

上面的这个代码只考虑小车平衡杆的角度与0的偏差，就可以获得如此高的表现。

根据原地址的讨论：

https://gist.github.com/HenryJia/23db12d61546054aa43f8dc587d9dc2c

我们可以知道，如果通过调整PID算法的系数，那么可以获得更为优秀的性能表现，为此我们修改代码如下：

点击查看代码

import numpy as np
import gym

def sigmoid(x):
    return 1.0 / (1.0 + np.exp(-x))

env = gym.make('CartPole-v1')
desired_state = np.array([0, 0, 0, 0])
# desired_mask = np.array([0, 0, 1, 0])
desired_mask = np.array([1, 1, 1, 1])

# P, I, D = 0.1, 0.01, 0.5  ###

P, I, D = [1/150, 1/950, 0.1, 0.01], [0.0005, 0.001, 0.01, 0.0001], [0.2, 0.0001, 0.5, 0.005]

N_episodes = 10
N_steps = 1000000
for i_episode in range(N_episodes):
    state, _ = env.reset()
    integral = 0
    derivative = 0
    prev_error = 0
    for t in range(N_steps):
        # print(f"step: {t}")
        env.render()
        error = state - desired_state

        integral += error
        derivative = error - prev_error
        prev_error = error

        pid = np.dot(P * error + I * integral + D * derivative, desired_mask)
        action = sigmoid(pid)
        action = np.round(action).astype(np.int32)
        # print(P * error + I * integral + D * derivative, pid, action)
        # print(state, action, )

        state, reward, done, info, _ = env.step(action)
        if done or t==N_steps-1:
            print("Episode finished after {} timesteps".format(t+1))
            break
env.close()

性能表现：

根据这个PID的系数来运行gym下的cartpole游戏，可以认为这个游泳永远不会终止，因为这里我们已经将运行长度设置为100万步。

PS：

需要注意的是PID算法的这个P,I,D系数才是影响算法的关键，而如何获得这个系数也是一个极为难的问题，很多时候是需要使用试错的方法来进行的，可以说有的P,I,D系数可以运行几十步，有的可以运行几百步或几千步，而下面的系数却可以运行上百万步，甚至是永远一直运行，可以说这种PID系数的求解才是真正的关键。

P, I, D = [1/150, 1/950, 0.1, 0.01], [0.0005, 0.001, 0.01, 0.0001], [0.2, 0.0001, 0.5, 0.005]