在这项工作中，我们利用神经网络（NNS）的通用近似特性来设计端口 - Hamiltonian（pH）框架中的完全致动机械系统的互连和阻尼分配（IDA）基于控制（PBC）方案。为此，我们将IDA-PBC方法转换为解决部分差分匹配方程的监督学习问题，并满足均衡分配和Lyapunov稳定条件。这是主要的结果，即学习算法的输出在被动和Lyapunov稳定性方面具有明确的控制理论解释。通过数值模拟验证了所提出的控制设计方法，用于1和两度自由度的机械系统。

It is well known that conservative mechanical systems exhibit local oscillatory behaviours due to their elastic and gravitational potentials, which completely characterise these periodic motions together with the inertial properties of the system. The classification of these periodic behaviours and their geometric characterisation are in an on-going secular debate, which recently led to the so-called eigenmanifold theory. The eigenmanifold characterises nonlinear oscillations as a generalisation of linear eigenspaces. With the motivation of performing periodic tasks efficiently, we use tools coming from this theory to construct an optimization problem aimed at inducing desired closed-loop oscillations through a state feedback law. We solve the constructed optimization problem via gradient-descent methods involving neural networks. Extensive simulations show the validity of the approach.

对应用机器学习来研究动态系统有一波兴趣。特别地，已经应用神经网络来解决运动方程，因此追踪系统的演变。与神经网络和机器学习的其他应用相反，动态系统 - 根据其潜在的对称 - 具有诸如能量，动量和角动量的不变性。传统的数值迭代方法通常违反这些保护法，在时间上传播误差，并降低方法的可预测性。我们介绍了一个汉密尔顿神经网络，用于解决控制动态系统的微分方程。这种无监督的模型是学习解决方案，可以相同地满足哈密尔顿方程，因此哈密尔顿方程式满足。一旦优化了，所提出的架构被认为是一种杂项单元，因为引入了高效的参数的解决方案。另外，通过共享网络参数并选择适当的激活函数的选择大大提高了网络的可预测性。派生错误分析，并指出数值误差取决于整体网络性能。然后采用辛结构来解决非线性振荡器的方程和混沌HENON-HENEL动态系统。在两个系统中，杂项欧拉集成商需要两个订单比HAMILTONIAN网络更多的评估点，以便在预测的相空间轨迹中获得相同的数值误差顺序。

用于未知非线性系统的学习和合成稳定控制器是现实世界和工业应用的具有挑战性问题。 Koopman操作员理论允许通过直线系统和非线性控制系统的镜头通过线性系统和非线性控制系统的镜头来分析非线性系统。这些方法的关键思想，在于将非线性系统的坐标转换为Koopman可观察，这是允许原始系统（控制系统）作为更高尺寸线性（双线性控制）系统的坐标。然而，对于非线性控制系统，通过应用基于Koopman操作员的学习方法获得的双线性控制模型不一定是稳定的，因此，不保证稳定反馈控制的存在，这对于许多真实世界的应用来说是至关重要的。同时识别基于这些可稳定的Koopman的双线性控制系统以及相关的Koopman可观察到仍然是一个开放的问题。在本文中，我们提出了一个框架，以通过同时学习为基于Koopman的底层未知的非线性控制系统以及基于Koopman的控制Lyapunov函数（CLF）来识别和构造这些可稳定的双线性模型及其相关的可观察能力。双线性模型使用学习者和伪空。我们提出的方法从而为非线性控制系统具有未知动态的非线性控制系统提供了可证明的全球渐近稳定性的保证。提供了数值模拟，以验证我们提出的稳定反馈控制器为未知的非线性系统的效力。

最近的研究表明，监督学习可以是为高维非线性动态系统设计最佳反馈控制器的有效工具。但是这些神经网络（NN）控制器的行为仍未得到很好的理解。在本文中，我们使用数值模拟来证明典型的测试精度度量没有有效地捕获NN控制器稳定系统的能力。特别是，具有高测试精度的一些NN不能稳定动态。为了解决这个问题，我们提出了两个NN架构，该架构在局部地近似线性二次调节器（LQR）。数值模拟确认了我们的直觉，即建议的架构可靠地产生稳定反馈控制器，而不会牺牲最佳状态。此外，我们介绍了描述这种NN控制系统的一些稳定性特性的初步理论结果。

最近的研究表明，监督学习可能是设计用于高维非线性动态系统的最佳反馈控制器的有效工具。但是神经网络控制器的行为仍然不太了解。特别是，一些具有高测试精度的神经网络甚至无法局部稳定动态系统。为了应对这一挑战，我们提出了几种新型的神经网络体系结构，我们显示出保证局部渐近稳定性，同时保留了学习最佳反馈政策半全球的近似能力。通过两个高维非线性最佳控制问题的数值模拟，将所提出的体系结构与标准的神经网络反馈控制器进行了比较：稳定不稳定的汉堡型部分偏差方程，以及无人驾驶汽车的高度和课程跟踪。模拟表明，即使经过良好的训练，标准的神经网络也可能无法稳定动力学，而所提出的体系结构始终至少在本地稳定。此外，发现拟议的控制器在测试中几乎是最佳的。

收缩理论是一种分析工具，用于研究以均匀的正面矩阵定义的收缩度量下的非自主（即，时变）非线性系统的差动动力学，其存在导致增量指数的必要和充分表征多种溶液轨迹彼此相互稳定性的稳定性。通过使用平方差分长度作为Lyapunov样功能，其非线性稳定性分析向下沸腾以找到满足以表达为线性矩阵不等式的稳定条件的合适的收缩度量，表明可以在众所周知的线性系统之间绘制许多平行线非线性系统理论与收缩理论。此外，收缩理论利用了与比较引理结合使用的指数稳定性的优越稳健性。这产生了基于神经网络的控制和估计方案的急需安全性和稳定性保证，而不借助使用均匀渐近稳定性的更涉及的输入到状态稳定性方法。这种独特的特征允许通过凸优化来系统构造收缩度量，从而获得了由于扰动和学习误差而在外部扰动的时变的目标轨迹和解决方案轨迹之间的距离上的明确指数界限。因此，本文的目的是介绍了收缩理论的课程概述及其在确定性和随机系统的非线性稳定性分析中的优点，重点导出了各种基于学习和数据驱动的自动控制方法的正式鲁棒性和稳定性保证。特别是，我们提供了使用深神经网络寻找收缩指标和相关控制和估计法的技术的详细审查。

Relying on recent research results on Neural ODEs, this paper presents a methodology for the design of state observers for nonlinear systems based on Neural ODEs, learning Luenberger-like observers and their nonlinear extension (Kazantzis-Kravaris-Luenberger (KKL) observers) for systems with partially-known nonlinear dynamics and fully unknown nonlinear dynamics, respectively. In particular, for tuneable KKL observers, the relationship between the design of the observer and its trade-off between convergence speed and robustness is analysed and used as a basis for improving the robustness of the learning-based observer in training. We illustrate the advantages of this approach in numerical simulations.

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

通过连续静态状态反馈诱导的任务是在本文中考虑了非线性控制系统中的渐近稳定的杂核轨道。主要动机来自确保在欠抖动的机械系统中对所谓的点对点机动的收敛的问题。即，在其状态控制空间中平滑曲线，这与系统动态一致，并连接两个（线性）稳定的平衡点。该方法使用特定的参数化，以及在机动上的状态投影，以便为此目的结合两个线性化技术：沿轨道的边界的均衡和横向线性化的雅蟒线性化。这允许通过求解半纤维编程问题来计算稳定控制增益。由此产生的非线性控制器同时渐近轨道稳定轨道和最终平衡，是局部LipsChitz连续的时间不变，不需要切换，并且具有熟悉的馈送加上反馈状结构。该方法还通过基于同步函数的参数来互补，用于规划具有一定程度的疏松的机械系统的机械系统。 “蝴蝶”机器人在两点之间的球滚动的非预先生操纵任务的数值模拟证明了合成的功效。

科学和工程学中的一个基本问题是设计最佳的控制政策，这些政策将给定的系统转向预期的结果。这项工作提出了同时求解给定系统状态和最佳控制信号的控制物理信息的神经网络（控制PINNS），在符合基础物理定律的一个阶段框架中。先前的方法使用两个阶段的框架，该框架首先建模然后按顺序控制系统。相比之下，控制PINN将所需的最佳条件纳入其体系结构和损耗函数中。通过解决以下开环的最佳控制问题来证明控制PINN的成功：（i）一个分析问题，（ii）一维热方程，以及（iii）二维捕食者捕食者问题。

热力学可以看作是高认知水平上物理学的表达。因此，最近在许多领域中实现了其作为帮助机器学习程序获得准确和可信度的预测的潜在偏见。我们回顾热力学如何在学习过程中提供有用的见解。同时，我们研究了要描述给定现象的规模之类的方面的影响，对于此描述的相关变量的选择或可用于学习过程的不同技术。

动态系统参见在物理，生物学，化学等自然科学中广泛使用，以及电路分析，计算流体动力学和控制等工程学科。对于简单的系统，可以通过应用基本物理法来导出管理动态的微分方程。然而，对于更复杂的系统，这种方法变得非常困难。数据驱动建模是一种替代范式，可以使用真实系统的观察来了解系统的动态的近似值。近年来，对数据驱动的建模技术的兴趣增加，特别是神经网络已被证明提供了解决广泛任务的有效框架。本文提供了使用神经网络构建动态系统模型的不同方式的调查。除了基础概述外，我们还审查了相关的文献，概述了这些建模范式必须克服的数值模拟中最重要的挑战。根据审查的文献和确定的挑战，我们提供了关于有前途的研究领域的讨论。

在学习在模拟环境中执行电机任务时，必须允许神经网络探索其动作空间以发现新的潜在可行的解决方案。但是，在具有物理硬件的在线学习场景中，此探索必须受相关的安全考虑因素限制，以避免损坏代理的硬件和环境。我们的目标是通过培训一个神经网络来解决这个问题，我们将参考“安全网络”，以估算受控自主动态系统的吸引力（ROA）。因此，这种安全网络可以用于量化所提出的控制动作的相对安全性，并防止选择破坏性动作。在这里，我们通过培训人工神经网络（ANN）来表示我们的安全网络的发展，以代表几种自主动态系统基准问题的ROA。对该网络的培训是基于Lyapunov理论和神经解的局部微分方程（PDE）的神经解。通过学习近似包含感兴趣系统动态的特殊选择的PDE的粘度解决方案，安全网络学习近似特定函数，类似于Lyapunov函数，其零电平集是ROA的边界。我们培训我们的安全网络，以便在物理信息通知神经网络（PINN）方法的修改版本之后以半监督方式解决这些PDE，利用损失函数，以惩罚与PDE的初始和边界条件的分歧，以及非零残差和变分术语。在未来的工作中，我们打算在电机学习任务期间将这种技术应用于加强学习代理。

在未知环境中安全的自主导航是地面，空中和水下机器人的重要问题。本文提出了从轨迹数据中学习移动机器人动力学模型的技术，并通过安全性和稳定性综合跟踪控制器。移动机器人的状态通常包含其位置，方向和广义速度，并满足汉密尔顿的运动方程。我们使用状态控制轨迹的数据集来培训表示作为神经普通微分方程（ODE）网络的转换式非线性非线性汉密尔顿模型。学习的哈密尔顿模型用于合成能量整形的基于能量的控制器和导出的条件，保证安全调节到所需的参考姿势。最后，我们能够通过从障碍物距离测量获得的安全约束来实现所需路径的自适应跟踪。系统能量水平与安全约束违规距离之间的权衡用于自适应地沿着所需路径的参考姿势。我们的安全自适应控制器是在未知复杂环境中导航的模拟的十六轨机器人。

Many dynamical systems -- from robots interacting with their surroundings to large-scale multiphysics systems -- involve a number of interacting subsystems. Toward the objective of learning composite models of such systems from data, we present i) a framework for compositional neural networks, ii) algorithms to train these models, iii) a method to compose the learned models, iv) theoretical results that bound the error of the resulting composite models, and v) a method to learn the composition itself, when it is not known a prior. The end result is a modular approach to learning: neural network submodels are trained on trajectory data generated by relatively simple subsystems, and the dynamics of more complex composite systems are then predicted without requiring additional data generated by the composite systems themselves. We achieve this compositionality by representing the system of interest, as well as each of its subsystems, as a port-Hamiltonian neural network (PHNN) -- a class of neural ordinary differential equations that uses the port-Hamiltonian systems formulation as inductive bias. We compose collections of PHNNs by using the system's physics-informed interconnection structure, which may be known a priori, or may itself be learned from data. We demonstrate the novel capabilities of the proposed framework through numerical examples involving interacting spring-mass-damper systems. Models of these systems, which include nonlinear energy dissipation and control inputs, are learned independently. Accurate compositions are learned using an amount of training data that is negligible in comparison with that required to train a new model from scratch. Finally, we observe that the composite PHNNs enjoy properties of port-Hamiltonian systems, such as cyclo-passivity -- a property that is useful for control purposes.

我们通过投影仪操作员研究较大尺寸的连续动态系统的嵌入。我们称这种技术PED，动态系统的投影嵌入，因为动态的稳定固定点通过从较高尺寸空间的投影回收。在本文中，我们提供了一种通用定义，并证明对于特定类型的Rank-1的投影仪操作者，均匀的平均场投影仪，运动方程成为动态系统的平均场逼近。虽然一般来说，嵌入取决于指定的变量排序，但对于均匀平均字段投影仪而不是真的。此外，我们证明原始稳定的固定点保持稳定的动态的定点，鞍点保持鞍座，但不稳定的固定点变成马鞍。

稳定性和安全性是成功部署自动控制系统的关键特性。作为一个激励示例，请考虑在复杂的环境中自动移动机器人导航。概括到不同操作条件的控制设计需要系统动力学模型，鲁棒性建模错误以及对安全\ newzl {约束}的满意度，例如避免碰撞。本文开发了一个神经普通微分方程网络，以从轨迹数据中学习哈密顿系统的动态。学识渊博的哈密顿模型用于合成基于能量的被动性控制器，并分析其\ emph {鲁棒性}，以在学习模型及其\ emph {Safety}中对环境施加的约束。考虑到系统的所需参考路径，我们使用虚拟参考调查员扩展了设计，以实现跟踪控制。州长国家是一个调节点，沿参考路径移动，平衡系统能级，模型不确定性界限以及违反安全性的距离，以确保稳健性和安全性。我们的哈密顿动力学学习和跟踪控制技术在\修订后的{模拟的己谐和四型机器人}在混乱的3D环境中导航。

许多现有的景点（ROA）分析工具难以解决具有大规模神经网络（NN）政策和/或高维感测模式的反馈系统，如相机。在本文中，我们定制了在对冲学习界中开发的预计梯度下降（PGD）攻击方法作为大型非线性系统的通用ROA分析工具和基于端到端的感知的控制。我们表明ROA分析可以近似为约束的最大化问题，其目标是找到最坏情况的最坏情况初始条件最多。然后我们提出了两个基于PGD的迭代方法，可用于解决所得的受限最大化问题。我们的分析不是基于Lyapunov理论，因此需要问题结构的最低信息。在基于模型的设置中，我们示出了可以使用反向传播有效地执行PGD更新。在无模型设置（与基于感知的控制的ROA分析更相关）中，我们提出了一个有限差异的PGD估计，这是一般的，只需要一个黑盒模拟器来产生闭环系统的轨迹给予任何初始状态。我们在具有大规模NN政策和高维图像观测的几个数字示例下展示了我们分析工具的可扩展性和一般性。我们认为，我们所提出的分析是进一步了解大规模非线性系统的闭环稳定性和基于感知的控制的有意义的初步步骤。

在本文中，我们提出了一个新型的非线性观察者，称为神经观察者，以通过将神经网络（NN）引入观察者的设计，以实现线性时间传播（LTI）系统的观察任务和不确定的非线性系统。通过探索NN代表向NN映射矢量的方法，我们从LTI和不确定的非线性系统中得出了稳定性分析（例如，指数收敛速率），这些系统仅使用线性矩阵不平等（LMIS）为解决观察问题铺平了道路。值得注意的是，为不确定系统设计的神经观察者基于主动扰动拒绝控制（ADRC）的意识形态，该思想可以实时测量不确定性。 LMI结果也很重要，因为我们揭示了LMI溶液存在系统矩阵的可观察性和可控性。最后，我们在三个模拟案例上验证神经观察者的可用性，包括X-29A飞机模型，非线性摆和四轮转向车辆。