基于Qlearning强化学习的二阶弹簧动力学模型PID控制matlab性能仿真

目录

1.算法仿真效果

2.算法涉及理论知识概要

2.1 传统PID控制器

2.2 Q-Learning强化学习原理

2.3 Q-Learning与PID控制器的融合架构

3.MATLAB核心程序

4.完整算法代码文件获得

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1.算法仿真效果

matlab2024B仿真结果如下（完整代码运行后无水印）：

传统PID

Qlearning-PID

对比：

仿真操作步骤可参考程序配套的操作视频。

2.算法涉及理论知识概要

2.1 传统PID控制器

       PID控制器通过比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节的线性组合生成控制量，其核心思想是基于系统当前误差、误差累积和误差变化率进行反馈控制。具体而言：

比例环节（P）：即时成比例地反映系统误差，系数Kp​越大，响应速度越快，但过大易导致超调。

积分环节（I）：消除系统稳态误差，系数Ki​决定积分速度，过大可能引发积分饱和。

微分环节（D）：预测误差变化趋势，系数Kd可改善系统动态性能，抑制超调，但对噪声敏感。

连续时间域下，PID控制器的输出表达式为：

2.2 Q-Learning强化学习原理

       Q-Learning属于时序差分（TD）学习算法，旨在通过迭代更新动作价值函数Q(s,a)，找到最优策略π∗(s)，使得智能体在状态s下选择动作a时，累积奖励的期望最大化。其核心要素包括：

状态空间（State Space, S）：智能体对环境的观测集合，如系统误差、误差变化率等。

动作空间（Action Space, A）：智能体可执行的操作集合，如PID参数的调整量。

奖励函数（Reward Function, R）：衡量动作优劣的标量反馈，用于引导学习方向。

策略（Policy, π）：从状态到动作的映射关系，决定智能体的行为。

2.3 Q-Learning与PID控制器的融合架构

状态空间定义，状态空间需选取能反映系统动态特性的关键变量，常见设计包括：

为便于Q表存储和计算，需对连续状态空间进行离散化。常用方法包括：

等距划分：将每个状态变量的取值范围划分为若干等距区间，如将误差e分为[−3,−2,−1,0,1,2,3]七个等级。

模糊化处理：借鉴模糊逻辑，用 “负大”“负中”“负小”“零”“正小”“正中”“正大” 等语言变量划分状态。

动作空间设计，动作空间对应PID参数的调整策略，通常有两种形式：

奖励函数设计，奖励函数是引导Q-Learning学习的核心，需综合考虑系统性能指标，如：

       基于Q-Learning的PID控制器通过强化学习的自适应优化能力，突破了传统PID参数整定的局限性，为复杂系统控制提供了高效解决方案。其核心在于将 PID 参数调整建模为马尔可夫决策过程（MDP），通过状态 - 动作 - 奖励的闭环交互学习最优控制策略。尽管存在计算复杂度高和离散化限制等问题，但其在工业控制、机器人、无人机等领域的成功应用已彰显巨大潜力。随着深度强化学习、连续空间算法的发展，未来该技术有望进一步提升实时性和泛化能力，推动智能控制技术向更广泛的工程场景渗透。

3.MATLAB核心程序

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% 计算稳定时间 (误差小于5%的设定值)
threshold = 0.05 * setpoint;
for i = num_steps:-1:1if abs(performance_history(i, 1)) > thresholdsettling_time = i * Ts;break;end
end% 计算上升时间 (首次达到设定值的10%-90%的时间)
if setpoint ~= 0rise_start = 0;rise_end = 0;for i = 1:num_stepsif position_history(i) >= 0.1*setpoint && rise_start == 0rise_start = i * Ts;endif position_history(i) >= 0.9*setpoint && rise_end == 0rise_end = i * Ts;endendif rise_start > 0 && rise_end > 0rise_time = rise_end - rise_start;end
end% 计算超调量
if setpoint_type == 'step' & setpoint ~= 0max_response = max(position_history);overshoot = 100 * (max_response - setpoint) / setpoint;
end%% 结果可视化
% 创建图形窗口
figure('Position', [100, 100, 1200, 800]);% 绘制系统响应
subplot(2, 2, 1);
plot((0:num_steps-1)*Ts, reference_history, 'r-', 'LineWidth', 2);
hold on;
plot((0:num_steps-1)*Ts, position_history, 'b-', 'LineWidth', 1.5);
title('PID系统响应');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('位置');
legend('参考信号', '系统输出');
grid on;% 绘制控制信号
subplot(2, 2, 2);
plot((0:num_steps-1)*Ts, control_history, 'g-', 'LineWidth', 1.5);
title('控制信号');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('PID控制输出');
grid on;% 绘制误差
subplot(2, 2, 3);
plot((0:num_steps-1)*Ts, error_history, 'm-', 'LineWidth', 1.5);
title('跟踪误差');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('PID误差');
grid on;% 绘制PID参数变化
subplot(2, 2, 4);
plot((0:num_steps-1)*Ts, Kp_history, 'r-', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot((0:num_steps-1)*Ts, Ki_history, 'g-', 'LineWidth', 1.5);
plot((0:num_steps-1)*Ts, Kd_history, 'b-', 'LineWidth', 1.5);
title('PID参数变化');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('PID参数值');
legend('Kp', 'Ki', 'Kd');
grid on;%% 输出性能指标
fprintf('基于PID控制器性能评估:\n');
fprintf('------------------------------------\n');
fprintf('控制能量: %.4f\n', control_effort);
if settling_time > 0fprintf('稳定时间 (5%%): %.4f s\n', settling_time);
end
if rise_time > 0fprintf('上升时间 (10%-90%%): %.4f s\n', rise_time);
end
if overshoot > 0fprintf('超调量: %.2f%%\n', overshoot);
end
fprintf('------------------------------------\n');
fprintf('最终奖励值: %.4f\n', performance_history(end, 7));
fprintf('平均奖励值: %.4f\n', mean(performance_history(:, 7)));
fprintf('探索率: %.4f\n', epsilon);save R0.mat 
0Z_021m

4.完整算法代码文件获得

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