Learning and synthesizing stabilizing controllers for unknown nonlinear control systems is a challenging problem for real-world and industrial applications. Koopman operator theory allows one to analyze nonlinear systems through the lens of linear systems and nonlinear control systems through the lens of bilinear control systems. The key idea of these methods lies in the transformation of the coordinates of the nonlinear system into the Koopman observables, which are coordinates that allow the representation of the original system (control system) as a higher dimensional linear (bilinear control) system. However, for nonlinear control systems, the bilinear control model obtained by applying Koopman operator based learning methods is not necessarily stabilizable. Simultaneous identification of stabilizable lifted bilinear control systems as well as the associated Koopman observables is still an open problem. In this paper, we propose a framework to construct these stabilizable bilinear models and identify its associated observables from data by simultaneously learning a bilinear Koopman embedding for the underlying unknown control affine nonlinear system as well as a Control Lyapunov Function (CLF) for the Koopman based bilinear model using a learner and falsifier. Our proposed approach thereby provides provable guarantees of asymptotic stability for the Koopman based representation of the unknown control affine nonlinear control system as a bilinear system. Numerical simulations are provided to validate the efficacy of our proposed class of stabilizing feedback controllers for unknown control-affine nonlinear systems.


翻译:用于未知非线性控制系统的学习和合成稳定控制器对于真实世界和工业应用来说是一个具有挑战性的问题。 Koopman操作员理论允许一个人通过线性系统和非线性控制系统的镜头通过双线性控制系统的镜头分析非线性系统和非线性控制系统。 这些方法的关键理念在于将非线性系统的坐标转换成Koopman观测点,这是将原始系统(控制系统)作为高维线性线性线性控制系统(比线性控制)的坐标。然而,对于非线性控制系统来说,通过应用Koopman操作者基于的学习方法而获得的双线性控制模式不一定可以稳定化系统。 我们提议了一个框架来构建这些可稳定性双线性双线性系统(比线性控制系统),并通过同时学习双线性线性线性系统(Koopman) 嵌入非线性非线性系统双线性控制模式的双线性控制模式,以及使用基于双线性系统的拟议双线性稳定性稳定性系统提供我们基于双线性稳定性稳定性系统。

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