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データ駆動制御arXiv:2505.06407

ノイズを含む計測データからの直接データ駆動制御

Direct Data Driven Control Using Noisy Measurements

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システム同定を行わず、ノイズを含む入出力データからLQRの最適ゲインを凸最適化で直接学習する手法を提案し、平均二乗安定性を保証する。

詳しい要約

1. どんなもの?

本論文は、システムダイナミクスが未知で、状態測定にノイズがある状況下で線形二次レギュレータ(LQR)を解くための、新規な直接データ駆動制御フレームワークを提示する。単一のノイズを含む入出力データ軌跡のみから、システム同定を経ずにLQR解を学習する。ノイズ統計を制御器合成に直接組み込む凸最適化により、mean-square stability (MSS)と最適性能を保証する。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 既存のdata-driven LQR手法と比較して、ノイズを含む測定下でのロバスト性と精度が優れると主張。 - システム同定を必要とせず、単一軌跡のnoisy input-output dataのみで制御器を設計。 - ノイズ統計を凸最適化に直接取り込み、MSSと最適性を理論的に保証する点が特徴。 - 具体的な先行研究名の比較は要旨からは不明。

3. 技術・手法の肝は?

- 不確かなdata-driven systemのMSSが真の閉ループ系のMSSを意味するという理論結果を確立。 - その上で、linear matrix inequalities (LMIs)を用いたロバスト安定性条件を導出し、ノイズ測定から安定化制御器ゲインを得る。 - data-driven LQR問題をsemidefinite program (SDP)として定式化し、定常状態共分散を最小化する最適ゲインを計算。 - ノイズ統計を制御器合成に直接組み込む凸最適化が肝。

4. どうやって有効だと検証した?

- rotary inverted pendulumやactive suspension systemを含むベンチマークシステムで広範なシミュレーションを実施。 - 既存のdata-driven LQR手法と比較し、ロバスト性と精度の優位性を示した。 - 理論結果(MSSの含意)とLMI/SDP定式化に基づく検証。

5. 議論はある?

- システム同定が困難なノイズ環境での実用的かつ理論的根拠のある制御器設計を提供。 - 単一軌跡のnoisy dataのみを用いる設定の限界や、より一般の系への拡張性については要旨からは不明。 - ノイズ統計の仮定やロバスト性条件の保守性に関する議論は要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている既存のdata-driven LQR手法(具体的名称は要旨からは不明)。 - 関連手法として、system identificationを経由する間接data-driven control、LMIベースのロバスト制御、SDPを用いたLQR設計。 - 同分野の定番として、Willems' fundamental lemmaに基づくdata-driven controlや、noisy dataに対するrobust data-driven controlの文献。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Ramin Esmzad, Gokul S. Sankar, Teawon Han, Hamidreza Modares

分類: eess.SY, cs.LG, cs.RO, cs.SY, math.OC

原文アブストラクト

This paper presents a novel direct data-driven control framework for solving the linear quadratic regulator (LQR) under disturbances and noisy state measurements. The system dynamics are assumed unknown, and the LQR solution is learned using only a single trajectory of noisy input-output data while bypassing system identification. Our approach guarantees mean-square stability (MSS) and optimal performance by leveraging convex optimization techniques that incorporate noise statistics directly into the controller synthesis. First, we establish a theoretical result showing that the MSS of an uncertain data-driven system implies the MSS of the true closed-loop system. Building on this, we develop a robust stability condition using linear matrix inequalities (LMIs) that yields a stabilizing controller gain from noisy measurements. Finally, we formulate a data-driven LQR problem as a semidefinite program (SDP) that computes an optimal gain, minimizing the steady-state covariance. Extensive simulations on benchmark systems -- including a rotary inverted pendulum and an active suspension system -- demonstrate the superior robustness and accuracy of our method compared to existing data-driven LQR approaches. The proposed framework offers a practical and theoretically grounded solution for controller design in noise-corrupted environments where system identification is infeasible.

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