This paper presents a generalizable methodology for data-driven identification of nonlinear dynamics that bounds the model error in terms of the prediction horizon and the magnitude of the derivatives of the system states. Using higher-order derivatives of general nonlinear dynamics that need not be known, we construct a Koopman operator-based linear representation and utilize Taylor series accuracy analysis to derive an error bound. The resulting error formula is used to choose the order of derivatives in the basis functions and obtain a data-driven Koopman model using a closed-form expression that can be computed in real time. Using the inverted pendulum system, we illustrate the robustness of the error bounds given noisy measurements of unknown dynamics, where the derivatives are estimated numerically. When combined with control, the Koopman representation of the nonlinear system has marginally better performance than competing nonlinear modeling methods, such as SINDy and NARX. In addition, as a linear model, the Koopman approach lends itself readily to efficient control design tools, such as LQR, whereas the other modeling approaches require nonlinear control methods. The efficacy of the approach is further demonstrated with simulation and experimental results on the control of a tail-actuated robotic fish. Experimental results show that the proposed data-driven control approach outperforms a tuned PID (Proportional Integral Derivative) controller and that updating the data-driven model online significantly improves performance in the presence of unmodeled fluid disturbance. This paper is complemented with a video: https://youtu.be/9_wx0tdDta0.


翻译:本文为数据驱动非线性动态识别非线性动态提供了一个可概括化的方法,该方法将模型在预测地平面和系统衍生物规模方面的差错捆绑在一起。我们使用一般非线性动态的较高顺序衍生物,使用不需要知道的普通非线性动态,建造了Koopman操作者在线代表,并利用泰勒系列精确分析得出错误约束。由此产生的错误公式用于在基础函数中选择衍生物的顺序,并使用可实时计算的闭路式表达式获取数据驱动的Koopman模型。我们利用倒转的钟形系统,说明错误界限的稳健性,因为对未知的动态进行杂乱的视频测量,而衍生物是数字性估算的。如果与控制相结合,则非线性代表库曼的非线性代表比非线性建模方法(如SINDIy和NARX)的精确性分析。此外,Koopman方法本身很容易使用高效的控制结构化结构化设计工具,如LQR,而其他模拟方法则需要非线性控制方法。这个方法的功效是模拟性软性软体化的软性模型,通过模拟和实验性数据控制结果,进一步展示。

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