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Semidefinite Approximations of Reachable Sets for Discrete-time Polynomial Systems

Authors :
Pierre-Loïc Garoche
Didier Henrion
Victor Magron
Xavier Thirioux
Équipe Méthodes et Algorithmes en Commande (LAAS-MAC)
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
ONERA / DTIS, Université de Toulouse [Toulouse]
ONERA-PRES Université de Toulouse
Czech Technical University in Prague (CTU)
Assistance à la Certification d’Applications DIstribuées et Embarquées (IRIT-ACADIE)
Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT)
Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
European Project: 666981,H2020,ERC-2014-ADG,TAMING(2015)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
ANR-17-CE25-0018,FEANICSES,Analyses formelles et exhaustives de systèmes embarqués de contrôle à base de calculs intensifs(2017)
Source :
SIAM Journal on Control and Optimization, SIAM Journal on Control and Optimization, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2019, 57 (4), pp.2799-2820. ⟨10.1137/17M1121044⟩, SIAM Journal on Control and Optimization, 2019, 57 (4), pp.2799-2820. ⟨10.1137/17M1121044⟩
Publication Year :
2017
Publisher :
arXiv, 2017.

Abstract

We consider the problem of approximating the reachable set of a discrete-time polynomial system from a semialgebraic set of initial conditions under general semialgebraic set constraints. Assuming inclusion in a given simple set like a box or an ellipsoid, we provide a method to compute certified outer approximations of the reachable set. The proposed method consists of building a hierarchy of relaxations for an infinite-dimensional moment problem. Under certain assumptions, the optimal value of this problem is the volume of the reachable set and the optimum solution is the restriction of the Lebesgue measure on this set. Then, one can outer approximate the reachable set as closely as desired with a hierarchy of super level sets of increasing degree polynomials. For each fixed degree, finding the coefficients of the polynomial boils down to computing the optimal solution of a convex semidefinite program. When the degree of the polynomial approximation tends to infinity, we provide strong convergence guarantees of the super level sets to the reachable set. We also present some application examples together with numerical results.<br />Comment: 26 pages, 28 figures

Details

ISSN :
03630129 and 10957138
Database :
OpenAIRE
Journal :
SIAM Journal on Control and Optimization, SIAM Journal on Control and Optimization, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2019, 57 (4), pp.2799-2820. ⟨10.1137/17M1121044⟩, SIAM Journal on Control and Optimization, 2019, 57 (4), pp.2799-2820. ⟨10.1137/17M1121044⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....41804139b58fb608057409b70a832c6b
Full Text :
https://doi.org/10.48550/arxiv.1703.05085