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Optimal Construction of Koopman Eigenfunctions for Prediction and Control

本征函数 线性子空间 数学 应用数学 操作员(生物学) 线性系统 线性地图 数学优化 计算机科学 特征向量 数学分析 纯数学 物理 基因 转录因子 抑制因子 量子力学 化学 生物化学
作者
Milan Korda,Igor Mezić
出处
期刊:IEEE Transactions on Automatic Control [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:65 (12): 5114-5129 被引量:91
标识
DOI:10.1109/tac.2020.2978039
摘要

This article presents a novel data-driven framework for constructing eigenfunctions of the Koopman operator geared toward prediction and control. The method leverages the richness of the spectrum of the Koopman operator away from attractors to construct a set of eigenfunctions such that the state (or any other observable quantity of interest) is in the span of these eigenfunctions and hence predictable in a linear fashion. The eigenfunction construction is optimization-based with no dictionary selection required. Once a predictor for the uncontrolled part of the system is obtained in this way, the incorporation of control is done through a multistep prediction error minimization, carried out by a simple linear least-squares regression. The predictor so obtained is in the form of a linear controlled dynamical system and can be readily applied within the Koopman model predictive control (MPC) framework of (M. Korda and I. Mezić, 2018) to control nonlinear dynamical systems using linear MPC tools. The method is entirely data-driven and based predominantly on convex optimization. The novel eigenfunction construction method is also analyzed theoretically, proving rigorously that the family of eigenfunctions obtained is rich enough to span the space of all continuous functions. In addition, the method is extended to construct generalized eigenfunctions that also give rise Koopman invariant subspaces and hence can be used for linear prediction. Detailed numerical examples demonstrate the approach, both for prediction and feedback control. ** Code for the numerical examples is available from https://homepages.laas.fr/mkorda/Eigfuns.zip.
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