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システム同定arXiv:2606.14136

環境制約下の入力駆動システムに対する環境認識型安定ニューラルクープマン動力学学習

Environment-Aware Stable Neural Koopman Dynamics Learning for Input-Driven Systems under Environmental Constraints

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環境変化を考慮しつつ安定性と入力状態安定性を保証する、ニューラルODEとクープマン作用素を統合した予測モデル学習手法を提案した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 入力駆動型非線形力学系の予測モデルを測定データから構築するESNKDを提案。 - 環境観測を潜在多様体に写像するbundle-structured encoder、外部信号を扱うinput-conditioned Neural ODE、収束を保証するcontraction synthesis layer、ISS検証を行うKoopman lifting stageを統合。 - 理論保証として解の存在と一意性、増分指数安定性、明示的ゲイン境界付きISS、環境摂動へのロバスト性を提供。 - 5つのベンチマーク(ロボットマニピュレーション2件含む)で予測精度と安全認証率を検証。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- Neural ODEs、Koopman operator approximations、input-aware architecturesはそれぞれ進歩したが、環境変動する動作条件、厳密な安定性保証、ISS認証を同時に扱う統一的な学習フレームワークはなかった。 - ESNKDはこれらを統合し、環境変動下でも安定性とISSを保証する点が新しい。 - 5つの競合ベースラインに対して予測精度と安全認証率で一貫した改善を示す。

3. 技術・手法の肝は?

- bundle-structured encoder:環境観測をfiber bundle frameworkに基づき幾何正則化された潜在多様体に写像。 - input-conditioned Neural ODE:残差項が任意の外部信号を処理し、input concomitant philosophyを拡張。 - contraction synthesis layer:Persidskii-type tractable linear inequalitiesにより収束を強制。 - Koopman lifting stage:LMI-based ISS verificationを実施。 - 理論的パイプラインに従い、解の存在・一意性、増分指数安定性、ISSゲイン境界、環境摂動ロバスト性を保証。

4. どうやって有効だと検証した?

- 5つのベンチマークシステム(ロボットマニピュレーション2件を含む)で実験。 - 5つの競合ベースラインと比較し、予測精度と安全認証率の両方で一貫した改善を確認。 - 理論保証(解の存在・一意性、増分指数安定性、ISSゲイン境界、環境摂動ロバスト性)も提示。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。 - 理論保証と実験結果は示されているが、限界や議論の詳細は記述されていない。

6. 次に読むべき論文は?

- Neural ODEs - Koopman operator approximations - input-aware architectures - fiber bundle framework - Persidskii-type tractable linear inequalities - LMI-based ISS verification

※ 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: Lin Feng

分類: eess.SY

原文アブストラクト

Constructing predictive models of nonlinear dynamical systems from measurement data is a longstanding problem in systems identification and control. Although Neural ordinary differential equations~(Neural ODEs), Koopman operator approximations, and input-aware architectures have each moved the field forward, none simultaneously addresses environment-varying operating conditions, rigorous stability guarantees, and input-to-state stability (ISS) certification within a unified trainable framework. This paper introduces Environment-Aware Stable Neural Koopman Dynamics Learning (ESNKD), which integrates four components: (i)~a bundle-structured encoder that maps environmental observations to a geometrically regularized latent manifold, drawing on the fiber bundle framework; (ii)~an input-conditioned Neural ODE whose residual term handles arbitrary external signals, extending the input concomitant philosophy; (iii)~a contraction synthesis layer enforcing convergence via Persidskii-type tractable linear inequalities, analogous to the certification mechanism; and (iv)~a Koopman lifting stage with LMI-based ISS verification that follows the theoretical pipeline of. Theoretical guarantees cover solution existence and uniqueness, incremental exponential stability, ISS with explicit gain bounds, and robustness to environmental perturbation. Experiments on five benchmark systems, including two robotic manipulation platforms, show consistent improvements over five competitive baselines in both prediction accuracy and safety certification rates.

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