本文研究了在线性季节控制设置中权力下放程度与分布式控制器的性能之间的权衡。我们在图形和分布式控制器上研究一个互连代理系统，称为$ \ kappa $分布式控件，该系统使代理可以根据距离$ \ kappa $在基础图上的状态信息做出控制决策。该控制器可以使用参数$ \ kappa $调整其权力下放化程度，从而允许表征权力下放和绩效之间的关系。我们表明，在温和的假设下，包括可稳定性，可检测性和次数增长的图形条件，$ \ kappa $分布式控制和集中式最佳控制之间的性能差异在$ \ kappa $中呈指数级较小。该结果表明，分布式控制可以通过中等程度的权力下放实现近乎最佳的性能，因此它是用于大规模网络系统的有效控制器体系结构。

收缩理论是一种分析工具，用于研究以均匀的正面矩阵定义的收缩度量下的非自主（即，时变）非线性系统的差动动力学，其存在导致增量指数的必要和充分表征多种溶液轨迹彼此相互稳定性的稳定性。通过使用平方差分长度作为Lyapunov样功能，其非线性稳定性分析向下沸腾以找到满足以表达为线性矩阵不等式的稳定条件的合适的收缩度量，表明可以在众所周知的线性系统之间绘制许多平行线非线性系统理论与收缩理论。此外，收缩理论利用了与比较引理结合使用的指数稳定性的优越稳健性。这产生了基于神经网络的控制和估计方案的急需安全性和稳定性保证，而不借助使用均匀渐近稳定性的更涉及的输入到状态稳定性方法。这种独特的特征允许通过凸优化来系统构造收缩度量，从而获得了由于扰动和学习误差而在外部扰动的时变的目标轨迹和解决方案轨迹之间的距离上的明确指数界限。因此，本文的目的是介绍了收缩理论的课程概述及其在确定性和随机系统的非线性稳定性分析中的优点，重点导出了各种基于学习和数据驱动的自动控制方法的正式鲁棒性和稳定性保证。特别是，我们提供了使用深神经网络寻找收缩指标和相关控制和估计法的技术的详细审查。

这项教程调查概述了统计学习理论中最新的非征血性进步与控制和系统识别相关。尽管在所有控制领域都取得了重大进展，但在线性系统的识别和学习线性二次调节器时，该理论是最发达的，这是本手稿的重点。从理论的角度来看，这些进步的大部分劳动都在适应现代高维统计和学习理论的工具。虽然与控制对机器学习的工具感兴趣的理论家高度相关，但基础材料并不总是容易访问。为了解决这个问题，我们提供了相关材料的独立介绍，概述了基于最新结果的所有关键思想和技术机械。我们还提出了许多开放问题和未来的方向。

We study a multi-agent reinforcement learning (MARL) problem where the agents interact over a given network. The goal of the agents is to cooperatively maximize the average of their entropy-regularized long-term rewards. To overcome the curse of dimensionality and to reduce communication, we propose a Localized Policy Iteration (LPI) algorithm that provably learns a near-globally-optimal policy using only local information. In particular, we show that, despite restricting each agent's attention to only its $\kappa$-hop neighborhood, the agents are able to learn a policy with an optimality gap that decays polynomially in $\kappa$. In addition, we show the finite-sample convergence of LPI to the global optimal policy, which explicitly captures the trade-off between optimality and computational complexity in choosing $\kappa$. Numerical simulations demonstrate the effectiveness of LPI.

在分散的优化中，通信网络的节点每个都具有局部目标函数，并使用基于八卦的方法进行通信，以最大程度地减少这些每节点函数的平均值。尽管同步算法受到图表中的一些慢节点或边缘的影响（\ emph {straggler问题}），但众所周知，它们的异步对应物很难参数化。实际上，到目前为止，它们针对具有异质通信和计算延迟的网络的收敛属性已经违反了分析。在本文中，我们使用\ emph {Continuized}框架来分析具有延迟的网络中的异步算法。我们的方法对收敛时间及其对网络中异质延迟的依赖性的精确表征。我们的连续框架受益于连续和离散世界中最好的：它适用的算法基于事件驱动的更新。因此，它们本质上是离散的，因此很容易实现。然而，他们的分析本质上是连续的，部分依赖于延迟的ODE理论。此外，我们的算法实现了\ emph {异步加速}：它们的收敛速率受到局部延迟加权的网络图的特征控制，而不是以前的分析中的网络范围最差的延迟。因此，我们的方法享有改善对散乱者的鲁棒性。

我们研究有限的时间范围连续时间线性季节增强学习问题，在情节环境中，控制器的状态和控制系数都不清楚。我们首先提出了基于连续时间观察和控件的最小二乘算法，并建立对数的对数遗憾，以$ o（（\ ln m）（\ ln \ ln m））$，$ m $是数字学习情节。该分析由两个部分组成：扰动分析，这些分析利用了相关的riccati微分方程的规律性和鲁棒性；和参数估计误差，依赖于连续的最小二乘估计器的亚指数属性。我们进一步提出了一种基于离散时间观察和分段恒定控制的实际实现最小二乘算法，该算法根据算法中使用的时间步骤明确地取决于额外的术语，从而实现相似的对数后悔。

直接政策搜索作为现代强化学习（RL）的工作人员之一，其在连续控制任务中的应用最近引起了不断的关注。在这项工作中，我们研究了用于学习线性风险敏感和鲁棒控制器的政策梯度（PG）方法的收敛理论。特别地，我们开发PG方法，可以通过采样系统轨迹以无衍生方式实现，并建立全球收敛性和样本复杂性，这导致风险敏感和强大控制中的两个基本环境的解决方案：有限地平线线性指数二次高斯，以及有限地平线线性二次干扰衰减问题。作为副产品，我们的结果还为解决零和线性二次动态游戏的PG方法的全局融合提供了第一种样本复杂性，这是一种非透明的极限优化问题，该问题用作多功能钢筋中的基线设置学习（Marl）与连续空间。我们的算法的一个特征是在学习阶段，保留了一定程度的控制器的鲁棒性/风险敏感性，因此我们被称为隐式正则化属性，并且是安全关键控制系统的基本要求。

这项工作审查了旨在在通信约束下运行的自适应分布式学习策略。我们考虑一个代理网络，必须从持续观察流数据来解决在线优化问题。代理商实施了分布式合作策略，其中允许每个代理商与其邻居执行本地信息交换。为了应对通信约束，必须不可避免地压缩交换信息。我们提出了一种扩散策略，昵称为ACTC（适应 - 压缩 - 然后组合），其依赖于以下步骤：i）每个代理执行具有恒定步长大小的单独随机梯度更新的适应步骤; ii）一种压缩步骤，它利用最近引入的随机压缩操作员;和III）每个代理组合从其邻居接收的压缩更新的组合步骤。这项工作的区别要素如下。首先，我们专注于自适应策略，其中常数（而不是递减）阶梯大小对于实时响应非间断变化至关重要。其次，我们考虑一般的指导图表和左随机组合政策，使我们能够增强拓扑和学习之间的相互作用。第三，与对所有个人代理的成本职能承担强大的凸起的相关作品相比，我们只需要在网络水平的强大凸起，即使单个代理具有强凸的成本，剩余的代理商也不满足凸起成本。第四，我们专注于扩散（而不是共识）战略。在压缩信息的苛刻设置下，建立ACTC迭代在所需的优化器周围波动，在相邻代理之间交换的比特方面取得了显着的节省。

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

影响模型预测控制（MPC）策略的神经网络（NN）近似的常见问题是缺乏分析工具来评估基于NN的控制器的动作下闭环系统的稳定性。我们介绍了一种通用过程来量化这种控制器的性能，或者设计具有整流的线性单元（Relus）的最小复杂性NN，其保留给定MPC方案的理想性质。通过量化基于NN和基于MPC的状态到输入映射之间的近似误差，我们首先建立适当的条件，涉及两个关键量，最坏情况误差和嘴唇截止恒定，保证闭环系统的稳定性。然后，我们开发了一个离线，混合整数的基于优化的方法，以确切地计算这些数量。这些技术共同提供足以认证MPC控制法的基于Relu的近似的稳定性和性能的条件。

多功能钢筋学习已成功应用于许多挑战性问题。尽管有这些经验成功，但对不同算法的理论理解缺乏，主要是由于状态 - 行动空间的指数增长与代理人数引起的维度诅咒。我们研究了多蛋白线性二次调节剂（LQR）的基本问题，在该刻度部分可互换的情况下。在此设置中，我们开发了一个分层演员 - 批评算法，其计算复杂性独立于代理总数，并证明了其全局线性融合到最佳政策。由于LQRS经常用于近似一般动态系统，本文提供了更好地理解一般分层平均场多功能增强学习的重要一步。

安全限制和最优性很重要，但有时控制器有时相互冲突的标准。虽然这些标准通常与不同的工具单独解决以维持正式保障，但在惩罚失败时，加强学习的常见做法是惩罚，以惩罚为单纯的启发式。我们严格地检查了安全性和最优性与惩罚的关系，并对安全价值函数进行了足够的条件：对给定任务的最佳价值函数，并强制执行安全约束。我们通过强大的二元性证明，揭示这种关系的结构，表明始终存在一个有限的惩罚，引起安全值功能。这种惩罚并不是独特的，但大不束缚：更大的惩罚不会伤害最优性。虽然通常无法计算最低所需的惩罚，但我们揭示了清晰的惩罚，奖励，折扣因素和动态互动的结构。这种洞察力建议实用，理论引导的启发式设计奖励功能，用于控制安全性很重要的控制问题。

我们在具有代理网络的环境中研究强化学习（RL），其状态和行动以当地的方式交互，其中目标是找到本地化策略，以便最大化（折扣）全局奖励。此设置中的一个根本挑战是状态 - 行动空间大小在代理的数量中呈指数级级别，呈现大网络难以解决的问题。在本文中，我们提出了一个可扩展的演员评论家（SAC）框架，用于利用网络结构并找到一个$ O（\ Rho ^ {\ Kappa}）$ - 近似于某些目标的静止点的近似$ \ rho \ in（0,1）$，复杂性，与网络最大的$ \ kappa $-hop邻居的本地状态动作空间大小缩放。我们使用无线通信，流行和流量的示例说明了我们的模型和方法。

本文介绍了局部最低限度的遗憾，用于自适应控制线性 - 四爵士（LQG）系统的下限。我们考虑平滑参数化实例，并在对数遗憾时提供了对实例的特定和灵活性，以考虑到问题结构。这种理解依赖于两个关键概念：局部无规格的概念;当最佳策略没有提供足够的激励以确定最佳政策，并产生退化的Fisher信息矩阵;以及信息遗憾的界限，当政策依赖信息矩阵的小特征值在该政策的遗憾方面是无限的。结合减少贝叶斯估计和范树的应用，这两个条件足以证明遗憾的界限为时间$ \ sqrt {t} $ \ sqrt {t} $ of the the theaign，$ t $。该方法产生低界，其具有与控制理论问题常数自然的紧密依赖性和规模。例如，我们能够证明在边缘稳定性附近运行的系统从根本上难以学习控制。我们进一步表明，大类系统满足这些条件，其中任何具有$ a $的状态反馈系统 - 和$ b $ -matrices未知。最重要的是，我们还建立了一个非活动类别的部分可观察系统，基本上是那些过度启动的那些满足这些条件，从而提供$ \ SQRT {T} $下限对部分可观察系统也有效。最后，我们转到两个简单的例子，表明我们的下限捕获了经典控制 - 理论直觉：我们的下限用于在边际稳定性附近或大过滤器增益的近方行，这些系统可以任意难以努力（学习到）控制。

本文考虑了线性二次双控制问题，其中需要识别系统参数，并且需要在该时期优化控制目标。与现有的数据驱动线性二次调节相反，这通常在某种概率内提供错误或后悔界限，我们提出了一种在线算法，可以在几乎肯定的意义上保证控制器的渐近最优性。我们的双重控制策略由两部分组成：基于勘探噪声和系统输出之间的互相关，具有时间衰减探索噪声和Markov参数推断的交换控制器。当实际状态显着地从目标状态偏离时，几乎肯定的性能保证是一个安全的交换控制策略，其返回到已知的保守但稳定的控制器。我们证明，此切换策略规定了从应用中的任何潜在的稳定控制器，而我们的交换策略与最佳线性状态反馈之间的性能差距是指数较小的。在我们的双控制方案下，参数推理误差尺度为$ O（t ^ {-1 / 4 + \ epsilon}）$，而控制性能的子优相差距为$ o（t ^ { - 1/2 + \ epsilon}）$，$ t $是时间步数，$ \ epsilon $是一个任意小的正数。提供了工业过程示例的仿真结果，以说明我们提出的策略的有效性。

分散和联合学习的关键挑战之一是设计算法，这些算法有效地处理跨代理商的高度异构数据分布。在本文中，我们在数据异质性下重新审视分散的随机梯度下降算法（D-SGD）的分析。我们在D-SGD的收敛速率上展示了新数量的关键作用，称为\ emph {邻居异质性}。通过结合通信拓扑结构和异质性，我们的分析阐明了这两个分散学习中这两个概念之间的相互作用较低。然后，我们认为邻里的异质性提供了一种自然标准，可以学习数据依赖性拓扑结构，以减少（甚至可以消除）数据异质性对D-SGD收敛时间的有害影响。对于与标签偏度分类的重要情况，我们制定了学习这样一个良好拓扑的问题，例如我们使用Frank-Wolfe算法解决的可拖动优化问题。如一组模拟和现实世界实验所示，我们的方法提供了一种设计稀疏拓扑的方法，可以在数据异质性下平衡D-SGD的收敛速度和D-SGD的触电沟通成本。

大规模的网络物理系统要求将控制策略分发，即它们仅依靠本地实时测量和与相邻代理的通信。然而，即使在看似简单的情况下，最佳分布式控制（ODC）问题也是非常棘手的。因此，最近的工作已经提出了培训神经网络（NN）分布式控制器。 NN控制器的主要挑战是它们在训练期间和之后不可依赖于训练，即，闭环系统可能不稳定，并且由于消失和爆炸梯度，训练可能失效。在本文中，我们解决了非线性端口 - 哈密顿（PH）系统网络的这些问题，其建模功率从能量系统到非完全车辆和化学反应。具体地，我们采用pH系统的组成特性，以表征具有内置闭环稳定性保证的深哈密顿控制政策，而不管互连拓扑和所选择的NN参数。此外，我们的设置可以利用近来表现良好的神经杂志的结果，以防止通过设计消失消失的梯度现象。数值实验证实了所提出的架构的可靠性，同时匹配通用神经网络策略的性能。

在本文中，我们提出了一个新型的非线性观察者，称为神经观察者，以通过将神经网络（NN）引入观察者的设计，以实现线性时间传播（LTI）系统的观察任务和不确定的非线性系统。通过探索NN代表向NN映射矢量的方法，我们从LTI和不确定的非线性系统中得出了稳定性分析（例如，指数收敛速率），这些系统仅使用线性矩阵不平等（LMIS）为解决观察问题铺平了道路。值得注意的是，为不确定系统设计的神经观察者基于主动扰动拒绝控制（ADRC）的意识形态，该思想可以实时测量不确定性。 LMI结果也很重要，因为我们揭示了LMI溶液存在系统矩阵的可观察性和可控性。最后，我们在三个模拟案例上验证神经观察者的可用性，包括X-29A飞机模型，非线性摆和四轮转向车辆。

通过行业对非线性退化的地平线控制（RHC）策略的广泛采用导致了30多年的激烈研究工作，以为这些方法提供稳定性保证。但是，当前的理论保证要求可以将每个（通常是非covex）计划问题解决为（近似）全球最优性，这是基于衍生的基于衍生的局部优化方法的不现实要求，通常用于RHC的实际实现。本文迈出了第一步，当将内部计划问题解决到一阶固定点时，但不一定是全球最佳选择，可以理解非线性RHC的稳定性保证。特别注意反馈可线化的系统，并提供了正面和负面结果的混合物。我们确定，在某些强大条件下，一阶解决方案可实现RHC稳定可线化的系统。至关重要的是，这种保证要求将其应用于计划问题的状态成本在某种意义上与系统的全球几何形状兼容，并且一个简单的反示例证明了这种情况的必要性。这些结果突出了需要重新考虑基于优化的控制背景下全局几何形状的作用。

学习如何有效地控制未知的动态系统对于智能自治系统至关重要。当潜在的动态随着时间的推移时，这项任务成为一个重大挑战。本文认为这一挑战，本文考虑了控制未知马尔可夫跳跃线性系统（MJS）的问题，以优化二次目标。通过采用基于模型的透视图，我们考虑对MJSS的识别自适应控制。我们首先为MJS提供系统识别算法，用于从系统状态，输入和模式的单个轨迹，从模式开关的演进中的底层中学习MJS的系统识别算法。通过混合时间参数，该算法的样本复杂性显示为$ \ mathcal {o}（1 / \ sqrt {t}）$。然后，我们提出了一种自适应控制方案，其与确定性等效控制一起执行系统识别，以使控制器以焦化方式调整。 Combining our sample complexity results with recent perturbation results for certainty equivalent control, we prove that when the episode lengths are appropriately chosen, the proposed adaptive control scheme achieves $\mathcal{O}(\sqrt{T})$ regret, which can be改进了$ \ mathcal {o}（polylog（t））$与系统的部分了解。我们的证据策略介绍了在MJSS中处理马尔可维亚跳跃的创新和较弱的稳定概念。我们的分析提供了影响学习准确性和控制性能的系统理论量的见解。提出了数值模拟，以进一步加强这些见解。