ورود به حساب

نام کاربری گذرواژه

گذرواژه را فراموش کردید؟ کلیک کنید

حساب کاربری ندارید؟ ساخت حساب

ساخت حساب کاربری

نام نام کاربری ایمیل شماره موبایل گذرواژه

برای ارتباط با ما می توانید از طریق شماره موبایل زیر از طریق تماس و پیامک با ما در ارتباط باشید


09117307688
09117179751

در صورت عدم پاسخ گویی از طریق پیامک با پشتیبان در ارتباط باشید

دسترسی نامحدود

برای کاربرانی که ثبت نام کرده اند

ضمانت بازگشت وجه

درصورت عدم همخوانی توضیحات با کتاب

پشتیبانی

از ساعت 7 صبح تا 10 شب

دانلود کتاب The Koopman operator in systems and control

دانلود کتاب اپراتور Koopman در سیستم ها و کنترل

The Koopman operator in systems and control

مشخصات کتاب

The Koopman operator in systems and control

ویرایش:  
نویسندگان:   
سری: Springer Lecture notes in control and information sciences 484 
ISBN (شابک) : 9783030357122, 9783030357139 
ناشر: Springer 
سال نشر: 2020 
تعداد صفحات: 568 
زبان: English 
فرمت فایل : PDF (درصورت درخواست کاربر به PDF، EPUB یا AZW3 تبدیل می شود) 
حجم فایل: 16 مگابایت 

قیمت کتاب (تومان) : 47,000



ثبت امتیاز به این کتاب

میانگین امتیاز به این کتاب :
       تعداد امتیاز دهندگان : 8


در صورت تبدیل فایل کتاب The Koopman operator in systems and control به فرمت های PDF، EPUB، AZW3، MOBI و یا DJVU می توانید به پشتیبان اطلاع دهید تا فایل مورد نظر را تبدیل نمایند.

توجه داشته باشید کتاب اپراتور Koopman در سیستم ها و کنترل نسخه زبان اصلی می باشد و کتاب ترجمه شده به فارسی نمی باشد. وبسایت اینترنشنال لایبرری ارائه دهنده کتاب های زبان اصلی می باشد و هیچ گونه کتاب ترجمه شده یا نوشته شده به فارسی را ارائه نمی دهد.


توضیحاتی در مورد کتاب اپراتور Koopman در سیستم ها و کنترل

این کتاب یک نمای کلی از تحقیقات پیشرفته در تقاطع نظریه عملگر کوپمن و نظریه کنترل ارائه می دهد. همچنین نتایج نظری جدید به‌دست‌آمده و روش‌های عددی کارآمد توسعه‌یافته در چارچوب نظریه عملگر کوپمن را بررسی می‌کند. مشارکت‌ها آخرین یافته‌ها و تکنیک‌ها را در زمینه‌های مختلف تئوری کنترل، از جمله کنترل پیش‌بینی مدل، کنترل بهینه، طراحی ناظر، شناسایی سیستم‌ها و تجزیه و تحلیل ساختاری سیستم‌های کنترل‌شده، پرداختن به جنبه‌های نظری و عددی و ارائه جهات تحقیقاتی باز، و همچنین بحث می‌کنند. طرح های عددی دقیق و روش های داده محور هر مشارکت به یک مشکل خاص می پردازد. پس از معرفی مختصری از چارچوب عملگر کوپمن، شامل مفاهیم و تعاریف اساسی، این کتاب به بررسی روش‌های عددی، مانند الگوریتم تجزیه حالت پویا (DMD) و روش‌های مبتنی بر آرنولدی می‌پردازد که برای نمایش عملگر در ابعاد محدود استفاده می‌شود. اساس و برای محاسبه خواص طیفی آن از داده ها. بدنه اصلی کتاب به سه بخش تقسیم می‌شود: نتایج نظری و تکنیک‌های عددی برای طراحی ناظر، تجزیه و تحلیل سنتز، تجزیه و تحلیل پایداری، تخمین پارامتر و شناسایی. تکنیک های داده محور مبتنی بر DMD، که ویژگی های طیفی اپراتور Koopman را از داده ها برای تجزیه و تحلیل ساختاری سیستم های کنترل شده استخراج می کند. و تکنیک‌های اپراتور Koopman با کاربردهای خاص در سیستم‌ها و کنترل، که از تجزیه و تحلیل انتقال حرارت تا کنترل ربات را شامل می‌شود. این کتاب یک منبع مرجع مفید در مورد تئوری اپراتور کوپمن برای نظریه پردازان و متخصصان کنترل است. این کتاب همچنین مورد توجه دانشجویان فارغ التحصیل، محققان و مهندسانی است که به دنبال مقدمه ای بر رویکردی جدید و جامع به سیستم ها و کنترل، از نظریه محض تا داده ها هستند. روش های هدایت شده


توضیحاتی درمورد کتاب به خارجی

This book provides a broad overview of state-of-the-art research at the intersection of the Koopman operator theory and control theory. It also reviews novel theoretical results obtained and efficient numerical methods developed within the framework of Koopman operator theory. The contributions discuss the latest findings and techniques in several areas of control theory, including model predictive control, optimal control, observer design, systems identification and structural analysis of controlled systems, addressing both theoretical and numerical aspects and presenting open research directions, as well as detailed numerical schemes and data-driven methods. Each contribution addresses a specific problem. After a brief introduction of the Koopman operator framework, including basic notions and definitions, the book explores numerical methods, such as the dynamic mode decomposition (DMD) algorithm and Arnoldi-based methods, which are used to represent the operator in a finite-dimensional basis and to compute its spectral properties from data. The main body of the book is divided into three parts: theoretical results and numerical techniques for observer design, synthesis analysis, stability analysis, parameter estimation, and identification; data-driven techniques based on DMD, which extract the spectral properties of the Koopman operator from data for the structural analysis of controlled systems; and Koopman operator techniques with specific applications in systems and control, which range from heat transfer analysis to robot control. A useful reference resource on the Koopman operator theory for control theorists and practitioners, the book is also of interest to graduate students, researchers, and engineers looking for an introduction to a novel and comprehensive approach to systems and control, from pure theory to data-driven methods.



فهرست مطالب

Preface......Page 7
Contents......Page 13
Part I Concepts......Page 24
1.1 Introduction......Page 25
1.2 The Koopman Operator......Page 26
1.2.1 Koopman Operator for Autonomous Discrete-Time and Continuous-Time Systems......Page 27
1.2.2 Some Properties of the Koopman Operator......Page 29
1.3.1 Koopman Eigenvalues and Eigenfunctions......Page 32
1.3.2 Relationship with Geometric Properties......Page 35
1.3.3 Koopman Modes......Page 37
1.4.1 Finite-Dimensional Approximation of the Koopman Operator......Page 40
1.4.2 Data-Driven Methods......Page 44
1.5 Koopman Operator for Systems with Inputs......Page 47
1.5.1 Discrete-Time Systems......Page 48
1.5.2 Continuous-Time Systems......Page 49
1.6 Perspectives in Control Theory......Page 51
References......Page 52
2.1 Introduction......Page 56
2.2.1 Preliminaries......Page 57
2.2.2 A Stability Property of the Koopman Operator......Page 59
2.3.1 Spectrum of the Koopman Operator......Page 60
2.3.2 General Results......Page 61
2.3.3 Specific Cases......Page 63
2.4.1 Finite-Dimensional Approximation of the Eigenfunctions......Page 66
2.4.2 Polynomial Approximations Using Sum-of-Squares Programming......Page 68
2.5.1 Lyapunov Functions Based on Koopman Eigenfunctions......Page 72
2.5.2 General Lyapunov Functions and Approximation Errors......Page 74
2.6 Conclusion......Page 77
References......Page 78
3.1 Introduction......Page 80
3.2 Setup and Problem Definition......Page 81
3.2.1 Estimation Problem......Page 83
3.3.1 Koopman-Based Transformation......Page 84
3.3.2 Bilinear Input–Output Koopman Observer Form......Page 85
3.4 KOF-Based Observability Criterion......Page 87
3.5.1 State Estimation Without Constraints......Page 88
3.5.2 Constrained State Estimation......Page 89
3.6.1 Discretized NCSE......Page 90
3.6.2 Discretized KCSE......Page 91
3.6.3 Solution Approaches......Page 93
3.7.1 Example I......Page 95
3.7.2 Example II......Page 96
3.8 Conclusions......Page 98
References......Page 99
4.1 Toward Bilinear Form: Infinitesimal Koopman Operator on Function Space......Page 101
4.1.1 Koopman Overview and Motivation......Page 102
4.1.2 Koopman Canonical Transform: A Review......Page 103
4.2 Bilinearizability of the Koopman Canonical Transform: Sufficient Conditions......Page 105
4.3 Reachability Analysis of the Koopman Bilinear Form......Page 107
4.3.1 Conditions for Reachability......Page 109
4.4.1 Completely Bilinearizable System......Page 114
4.4.2 Approximately Bilinearized System......Page 116
4.4.3 Controllability of the System......Page 117
References......Page 118
5.1 Introduction......Page 119
5.2 Cascaded Systems......Page 121
5.2.1 Solution Operators......Page 122
5.2.2 Asymptotic Equivalence......Page 123
5.3.1 Principal Eigenfunctions of Component Systems......Page 125
5.3.2 Principal Eigenfunctions for Cascaded Systems......Page 126
5.4 Main Results......Page 128
5.4.1 Theorems for Linear, Chained Cascades......Page 129
5.4.2 Examples......Page 132
5.4.3 Numerical Example......Page 134
5.4.4 Theorems for Nonlinear, Chained Cascades......Page 135
5.5 Conclusions......Page 137
5.6.1 Proof of Theorem5.2: 0 Asymptotic Relative Error—Linear, Chained Cascades......Page 138
5.6.2 Proof of Theorem5.3: Perturbation of Principal Eigenfunctions—Nominal, Linear System......Page 145
5.6.4 Proof of Theorem5.5: Perturbation of Principal Eigenfunctions—Nominal, Nonlinear Cascades......Page 147
References......Page 148
6.1 Introduction......Page 150
6.2.1 Skew Product Flow Formulation......Page 152
6.2.2 Process Formulation......Page 155
6.3 Stochastic Koopman Operator......Page 157
6.4 Data-Driven Algorithms for the Nonautonomous Koopman Operator......Page 163
6.4.1 Numerical Examples......Page 169
6.5 Data-Driven Algorithms for the Stochastic Koopman Operator......Page 171
6.5.1 Numerical Examples......Page 174
References......Page 177
7.1 Introduction......Page 180
7.1.1 DMD Framework and Applications......Page 181
7.2.1 Krylov Decomposition......Page 183
7.2.2 The Curse of Ill-Conditioning......Page 186
7.3.1 Low-Rank Approximation of the Data Matrix......Page 189
7.3.2 DMD Algorithm......Page 190
7.3.3 Numerical Computation of the SVD......Page 192
7.4 An Enhanced DMD—Refined Rayleigh–Ritz DDMD with Residual Bound (DDMD_R4)......Page 195
7.4.1 Data-Driven Residual and Refined Ritz Pairs......Page 196
7.4.2 Scaling the Data......Page 198
7.4.3 DMD in a Weighted Inner Product......Page 199
7.4.4 The Algorithm......Page 200
7.4.5 Compressed DMD......Page 201
7.5 DDMD Based on Rank Revealing QR Factorization......Page 203
7.5.1 Low-Rank Approximation Using QR Factorization......Page 204
7.5.2 Implementation Details......Page 206
7.6 Further Developments and Concluding Remarks......Page 207
References......Page 210
Part II Methodologies......Page 214
8.1 Introduction......Page 215
8.2 Control Problem Formulation......Page 220
8.3.1 Non-affine Control Systems......Page 222
8.3.2 Affine Control Systems......Page 225
8.4.1 Koopman Operator......Page 226
8.4.2 Perron–Frobenius Operator......Page 230
8.4.3 Numerical Example......Page 232
8.5.1 Stability Analysis......Page 233
8.5.2 Observability and Controllability......Page 236
8.5.3 Observer Synthesis for State Estimation......Page 237
8.5.4 Control Design......Page 239
8.5.5 Sensor and Actuator Placement......Page 241
8.6 Conclusions and Future Directions......Page 242
References......Page 243
9 Koopman Model Predictive Control of Nonlinear Dynamical Systems......Page 253
9.1 Problem Description......Page 254
9.2 Koopman Operator for Controlled Systems......Page 255
9.2.1 Approximation of the Controlled Koopman Operator......Page 256
9.2.2 Numerical Algorithm—Finding A, B, C......Page 257
9.3 Koopman MPC......Page 258
9.3.1 Eliminating Dependence on the Embedding Dimension......Page 260
9.3.2 Transforming NMPC to Koopman MPC......Page 261
9.4.1 Input–Output Dynamical Systems......Page 262
9.4.2 Disturbance/Noise Propagation......Page 264
9.5.1 Prediction Comparison......Page 265
9.5.2 Feedback Control of a Bilinear Motor......Page 266
9.5.3 Nonlinear PDE Control......Page 270
9.6 Conclusion and Outlook......Page 271
References......Page 273
10.1 Introduction......Page 274
10.2 Reduced Order Modeling Using the Koopman Operator......Page 276
10.3 Model Predictive Control......Page 279
10.4.1 Transformation to Switched Systems......Page 280
10.4.2 Bilinear Models via Linear Interpolation......Page 285
10.5.1 Test Cases and Reference Setup......Page 288
10.5.2 Data Sampling and Basis Selection......Page 292
10.6 Online Updates Using Sensor Data......Page 294
References......Page 297
11.1 Introduction......Page 300
11.2.2 Koopman Operator......Page 303
11.2.3 Partial Orders and Monotone Systems......Page 304
11.3 Problem Motivation and Issues with Naive Formulations......Page 306
11.4.1 Problem Formulation......Page 309
11.4.2 Existence of Solutions......Page 310
11.4.3 Pulse Control Function......Page 312
11.4.4 Solution to the Problem of Convergence to Isostables......Page 314
11.5.1 Dealing with Parametric Uncertainty......Page 316
11.5.2 Generalizing the Input Space......Page 317
11.5.3 Possible Relaxations of the Monotonicity Assumption......Page 318
11.6.1 Controlling the Generalized Repressilator......Page 320
11.6.2 HIV Viral Load Control......Page 325
11.7 Conclusion......Page 327
References......Page 328
12 Data-Driven Nonlinear Stabilization Using Koopman Operator......Page 330
12.1 Introduction......Page 331
12.2.1 Koopman Operator......Page 333
12.2.2 Fokker–Planck Equation......Page 334
12.2.3 Feedback Stabilization and Control Lyapunov Functions......Page 336
12.3.1 Infinite Dimensional Bilinear Representation......Page 338
12.3.2 Finite-Dimensional Approximation......Page 340
12.4 Feedback Controller Design......Page 343
12.5 Simulation Results......Page 345
References......Page 350
13.1 Introduction......Page 352
13.2.2 Koopman Operator and Lifting Method......Page 354
13.3.1 Description of the Main Method......Page 355
13.3.2 Algorithm......Page 356
13.3.3 Variants and Extensions......Page 357
13.4.1 Description of the Method......Page 359
13.5 Convergence Results......Page 361
13.5.1 Convergence of the Main Method......Page 362
13.5.2 Convergence of the Dual Method......Page 364
13.6 Examples......Page 366
13.6.1 Main Method......Page 367
13.6.2 Dual Method......Page 369
13.7 Conclusion......Page 371
References......Page 373
14 Manifold Learning for Data-Driven Dynamical System Analysis......Page 375
14.1 Introduction......Page 376
14.2 Background......Page 377
14.3 The Considered Class of Dynamical Systems......Page 378
14.4 Data-Driven System Model Inference......Page 380
14.4.1 New State Representation......Page 381
14.4.2 State Dynamics......Page 382
14.4.3 Lift Function......Page 383
14.5 Diffusion Filtering......Page 384
14.5.1 Discrete Setting......Page 385
14.5.2 Contracting Observer......Page 386
14.5.3 Diffusion Maps Kalman Filter......Page 388
14.6.1 Tracking Example......Page 389
14.6.2 Music Analysis......Page 393
14.7 Conclusion......Page 396
References......Page 397
15 Phase-Amplitude Reduction of Limit Cycling Systems......Page 399
15.1 Introduction......Page 400
15.2.1 Background......Page 402
15.2.2 Phase Reduction......Page 404
15.2.3 Entrainment by a Periodic External Input......Page 407
15.2.4 Optimal Periodic Input for Stable Entrainment......Page 409
15.2.5 Networks of Coupled Phase Oscillators......Page 410
15.3.1 Phase, Amplitudes and the Koopman Operator......Page 413
15.3.2 Phase-Amplitude Reduction......Page 415
15.3.3 Properties of the Sensitivity Functions......Page 417
15.3.4 Numerical Methods for the Sensitivity Functions......Page 419
15.4 Example......Page 421
15.4.1 Model......Page 422
15.4.2 Sensitivity Functions of the Phase and Amplitude......Page 423
15.4.3 Optimal Control Based on the Phase-Amplitude Reduction......Page 424
15.5 Concluding Remarks......Page 426
Appendix: Laplace average......Page 427
References......Page 429
Part III Applications......Page 434
16.1 Introduction......Page 435
16.2 Koopman Operator......Page 436
16.2.1 EDMD Approximation......Page 437
16.2.2 Incremental Updates......Page 438
16.2.3 Formulation for Control......Page 439
16.2.4 Information Measures......Page 440
16.2.5 Formulation for Hybrid Systems......Page 441
16.3 Alternative Methods......Page 442
16.3.1 Generalized Linear Regression......Page 443
16.3.2 Kernel Ridge Regression......Page 444
16.3.3 Gaussian Process Regression......Page 446
16.3.4 Relationships Between Learning Techniques......Page 448
16.3.5 Example......Page 451
16.4.1 Learning Sphero SPRK Dynamics in Sand......Page 452
16.4.2 Rapid Quadcopter Stabilization with Active Learning......Page 454
16.4.3 Learning SLIP Hybrid Dynamics......Page 457
16.4.4 Generating Finite Automata via DSS......Page 459
16.5 Conclusion......Page 461
References......Page 462
17 Application of Koopman-Based Control in Ultrahigh-Precision Positioning......Page 465
17.1 Introduction......Page 466
17.2.2 The LuGre Friction Model......Page 468
17.2.3 Hsieh's Pre-sliding Friction Model......Page 469
17.2.4 The GMS Friction Model......Page 470
17.3 Used Experimental Setups......Page 472
17.4.1 Friction Parameters of the Rotation Elements......Page 474
17.4.2 Friction Parameters of the Linear Elements......Page 476
17.5.1 Proportional-Integral-Derivative (PID) Control......Page 479
17.5.2 PID Controller with Feedforward Compensation......Page 480
17.5.3 Model Reference Adaptive Control (MRAC)......Page 481
17.5.4 Self-tuning Regulator (STR)......Page 483
17.5.5 Koopman-Based Control......Page 485
17.6 Conclusions and Outlook......Page 488
17.7 Notations......Page 490
References......Page 491
18.1 Introduction......Page 494
18.2 Mathematical Formulation......Page 497
18.3 Modeling of Heat Transfer Dynamics Based on Koopman Mode Decomposition......Page 499
18.3.1 The Koopman Operator......Page 500
18.3.2 Koopman Mode Decomposition and Associated Linear Wavenumber Vector......Page 501
18.4.1 Target Building and Measurement Data......Page 504
18.4.2 Koopman Mode Decomposition of Measurement Data......Page 508
18.4.3 Numerical Implementation......Page 511
18.4.4 Estimation Result......Page 514
18.5 Possible Applications to Control......Page 515
18.6 Conclusion......Page 516
References......Page 517
19.1 Introduction......Page 520
19.2.1 Dynamical System and Koopman Operator......Page 522
19.2.2 Extended Dynamic Mode Decomposition......Page 523
19.2.3 Delay Embedding with Connections to the Koopman Operator......Page 524
19.3.1 Power Grid Model......Page 525
19.3.2 Mathematical Model......Page 526
19.4.1 Setting......Page 527
19.4.2 Results......Page 529
19.5 Concluding Remarks......Page 532
References......Page 534
20 Koopman Performance Analysis of Nonlinear Consensus Networks......Page 536
20.1 Introduction......Page 537
20.2 Preliminaries......Page 538
20.3 Koopman Mode Decomposition of System Flows......Page 539
20.4 Performance of Nonlinear Consensus Networks......Page 542
20.4.1 Analytic Examples......Page 547
20.5.1 Smolyak-Collocation Method......Page 553
20.5.2 Sparse Approximation to Eigenfunctions......Page 556
20.5.3 Sparse Approximation to Koopman Mode Decomposition......Page 558
20.5.4 Numerical Examples......Page 560
20.5.5 Comparison to Extended Dynamic Mode Decomposition......Page 561
References......Page 562
Index......Page 565




نظرات کاربران