불확실한 확률적 시스템을 위한 후회 최적 제어

핵심 개념

불확실한 선형 시변 확률 시스템의 제어를 위해 시나리오 최적화 기반의 후회 최소화 접근법을 제안한다. 이를 통해 사전에 알려지지 않은 시스템 동역학에 대해 강건한 성능 보장과 안전 제약 만족을 달성할 수 있다.

초록

이 논문은 불확실한 선형 시변 확률 시스템의 제어 문제를 다룬다. 기존의 H2 및 H∞ 제어와 달리, 이 접근법은 적대적으로 선택된 교란에 대해서도 성능 보장을 제공한다. 핵심 내용은 다음과 같다: 시나리오 최적화 기반의 후회 최소화 문제를 정의한다. 이는 사전에 알려지지 않은 시스템 동역학에 대해 강건한 성능 보장과 안전 제약 만족을 달성한다. 제안된 문제를 반한한정 계획법으로 풀 수 있음을 보인다. 이를 통해 효율적인 계산이 가능하다. 시나리오 최적화의 일반화 능력을 활용하여, 무시할 수 있는 작은 확률로만 제약을 위반하는 제어 정책을 합성할 수 있음을 보인다. 수치 실험을 통해 제안된 접근법이 기존의 H∞ 기반 접근법에 비해 보수성을 완화할 수 있음을 보인다.

통계

불확실한 선형 시변 시스템의 상태 방정식은 xt+1 = At(θt)xt + Bt(θt)ut + Et(θt)wt 로 주어진다. 제어 비용은 x⊤Qx + u⊤Ru 로 정의된다. 안전 제약은 Hx(θ)x + Hu(θ)u ≤ h(θ) 로 주어진다. 교란 집합은 W(θ) = {w : w = Hw(θ)d , ∥d∥2 ≤ 1} 로 정의된다.

인용구

"Differently from the stochastic and worst-case assumptions typical of H2 and H∞ controllers, algorithms with provable regret certificates offer attractive performance guarantees that hold independently of how disturbances are generated." "A key challenge lies in handling the different impacts that parametric uncertainty has on the closed-loop behavior achieved by the clairvoyant benchmark policy, on the one hand, and by the causal controller to be designed on the other." "Motivated as above, we show how convex optimization and sampling techniques can be used to synthesize a disturbance feedback robust control policy with provable regret guarantees in spite of the uncertain dynamics."

핵심 통찰 요약

Regret Optimal Control for Uncertain Stochastic Systems

by Andr... 게시일 arxiv.org 03-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2304.14835.pdf

더 깊은 질문

불확실한 시스템 동역학에 대한 정보가 점진적으로 축적되는 경우, 어떻게 제안된 접근법을 확장할 수 있을까?

불확실한 시스템 동역학에 대한 정보가 점진적으로 축적되는 경우, 제안된 접근법을 확장하기 위해 다음과 같은 방법을 고려할 수 있습니다: 반복적인 학습 및 업데이트: 시스템 동역학에 대한 정보가 새로운 데이터와 관찰을 통해 점진적으로 축적될 때, 제어 정책을 반복적으로 학습하고 업데이트하여 새로운 정보를 반영할 수 있습니다. 이를 통해 최신 정보를 기반으로 한 최적의 제어 정책을 유지할 수 있습니다. 모델 식별 및 파라미터 조정: 새로운 정보가 축적될 때마다 시스템 모델을 식별하고 파라미터를 조정하여 더 정확한 모델을 유지할 수 있습니다. 이를 통해 제어 정책을 더욱 효율적으로 최적화할 수 있습니다. 다양한 시나리오 고려: 새로운 정보가 축적될 때마다 다양한 시나리오를 고려하여 제어 정책을 설계하고 테스트함으로써 시스템의 다양한 동작을 고려할 수 있습니다. 이를 통해 제어 정책의 견고성을 향상시킬 수 있습니다. 실시간 반응 및 조정: 새로운 정보가 점진적으로 축적될 때 실시간으로 시스템에 대한 반응을 조정하고 제어 정책을 최적화하는 방법을 도입하여 실시간 제어 문제에 대응할 수 있습니다. 이러한 방법을 통해 불확실한 시스템 동역학에 대한 정보가 점진적으로 축적될 때 제안된 접근법을 효과적으로 확장할 수 있습니다.

기존의 H∞ 제어 접근법과 제안된 후회 최소화 접근법의 성능 차이가 발생하는 근본적인 이유는 무엇일까?

기존의 H∞ 제어 접근법과 제안된 후회 최소화 접근법의 성능 차이가 발생하는 근본적인 이유는 다음과 같습니다: 목표 설정: H∞ 제어 접근법은 최악의 경우를 고려하여 제어 정책을 설계하는 반면, 후회 최소화 접근법은 최적의 정책을 미리 알 수 없는 상황에서 후회를 최소화하도록 제어 정책을 설계합니다. 이로 인해 두 접근법은 목표 설정과 성능 평가 방식에서 차이가 발생합니다. 정보 활용: H∞ 제어는 주어진 정보를 최대한 활용하여 최악의 경우에 대비하는 반면, 후회 최소화 접근법은 불확실한 정보와 동역학에 대한 점진적인 이해를 바탕으로 제어 정책을 설계합니다. 이로 인해 두 접근법은 정보 활용과 적응성 측면에서 차이를 보입니다. 성능 보증: H∞ 제어는 최악의 경우에 대한 성능 상한선을 제공하는 반면, 후회 최소화 접근법은 실제 후회를 최소화하도록 제어 정책을 설계합니다. 이로 인해 두 접근법은 성능 보증과 최적화 방식에서 차이를 보입니다. 이러한 이유로 기존의 H∞ 제어 접근법과 후회 최소화 접근법은 성능 차이를 보이며, 각각의 장단점과 적용 가능한 상황에 따라 선택되어야 합니다.

제안된 접근법을 무한 시간 제어 문제로 확장하거나 실시간 구현을 위한 계산 복잡도 개선 방안은 무엇일까?

제안된 접근법을 무한 시간 제어 문제로 확장하거나 실시간 구현을 위한 계산 복잡도 개선을 위해 다음과 같은 방안을 고려할 수 있습니다: 무한 시간 제어 문제로의 확장: 무한 시간 제어 문제에 대한 접근법을 고려할 때, 반복적인 최적화 및 학습 알고리즘을 도입하여 시스템의 장기적인 동작을 고려할 수 있습니다. 이를 통해 안정성과 성능을 동시에 보장하는 제어 정책을 설계할 수 있습니다. 실시간 구현을 위한 계산 복잡도 개선: 실시간 구현을 위해 계산 복잡도를 개선하기 위해 효율적인 최적화 알고리즘 및 병렬 처리 기술을 도입할 수 있습니다. 또한, 모델 간소화 및 상태 공간 차원 축소 기법을 활용하여 계산 복잡도를 줄이고 실시간 제어를 가능하게 할 수 있습니다. 실시간 반응 및 조정 기능 강화: 실시간 구현을 위해 제어 정책의 실시간 반응 및 조정 기능을 강화하여 변화하는 환경에 빠르게 대응할 수 있도록 설계할 수 있습니다. 이를 통해 실제 시스템에서의 실시간 제어 문제에 대응할 수 있습니다. 모델 예측 제어 및 상태 추정 기법 도입: 모델 예측 제어 및 상태 추정 기법을 도입하여 실시간으로 시스템 동역학을 추정하고 제어 정책을 조정할 수 있습니다. 이를 통해 실시간 구현을 위한 안정성과 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 방안을 고려하여 제안된 접근법을 무한 시간 제어 문제로 확장하거나 실시간 구현을 위한 계산 복잡도를 개선할 수 있습니다.