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Adaptive Deep Learning for High-Dimensional Hamilton--Jacobi--Bellman Equations

汉密尔顿-雅各比-贝尔曼方程 非线性系统 离散化 数学 偏微分方程 最优控制 维数(图论) 人工神经网络 数学优化 应用数学 计算机科学 控制理论(社会学) 人工智能 数学分析 控制(管理) 物理 量子力学 纯数学
作者
Tenavi Nakamura-Zimmerer,Qi Gong,Wei Kang
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:43 (2): A1221-A1247 被引量:43
标识
DOI:10.1137/19m1288802
摘要

Computing optimal feedback controls for nonlinear systems generally requires solving Hamilton--Jacobi--Bellman (HJB) equations, which are notoriously difficult when the state dimension is large. Existing strategies for high-dimensional problems often rely on specific, restrictive problem structures or are valid only locally around some nominal trajectory. In this paper, we propose a data-driven method to approximate semiglobal solutions to HJB equations for general high-dimensional nonlinear systems and compute candidate optimal feedback controls in real-time. To accomplish this, we model solutions to HJB equations with neural networks (NNs) trained on data generated without discretizing the state space. Training is made more effective and data-efficient by leveraging the known physics of the problem and using the partially trained NN to aid in adaptive data generation. We demonstrate the effectiveness of our method by learning solutions to HJB equations corresponding to the attitude control of a six-dimensional nonlinear rigid body and nonlinear systems of dimension up to 30 arising from the stabilization of a Burgers'-type partial differential equation. The trained NNs are then used for real-time feedback control of these systems.
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