We propose a novel surrogate modelling approach to efficiently and accurately approximate the response of complex dynamical systems driven by time-varying exogenous excitations over extended time periods. Our approach, namely manifold nonlinear autoregressive modelling with exogenous input (mNARX), involves constructing a problem-specific exogenous input manifold that is optimal for constructing autoregressive surrogates. The manifold, which forms the core of mNARX, is constructed incrementally by incorporating the physics of the system, as well as prior expert- and domain- knowledge. Because mNARX decomposes the full problem into a series of smaller sub-problems, each with a lower complexity than the original, it scales well with the complexity of the problem, both in terms of training and evaluation costs of the final surrogate. Furthermore, mNARX synergizes well with traditional dimensionality reduction techniques, making it highly suitable for modelling dynamical systems with high-dimensional exogenous inputs, a class of problems that is typically challenging to solve. Since domain knowledge is particularly abundant in physical systems, such as those found in civil and mechanical engineering, mNARX is well suited for these applications. We demonstrate that mNARX outperforms traditional autoregressive surrogates in predicting the response of a classical coupled spring-mass system excited by a one-dimensional random excitation. Additionally, we show that mNARX is well suited for emulating very high-dimensional time- and state-dependent systems, even when affected by active controllers, by surrogating the dynamics of a realistic aero-servo-elastic onshore wind turbine simulator. In general, our results demonstrate that mNARX offers promising prospects for modelling complex dynamical systems, in terms of accuracy and efficiency.


翻译:我们提出了一种新颖的代理建模方法,以高效且精确地近似复杂动态系统在长时间内受时变外生激励驱动的响应。该方法即流形非线性自回归外生输入建模(mNARX),其核心在于构建一个针对问题特化的外生输入流形,该流形专为构建自回归代理而优化。作为mNARX核心的流形采用增量方式构建,融合了系统物理机制及现有专家知识与领域知识。由于mNARX将完整问题分解为一系列复杂度低于原始问题的子问题,其在训练和最终代理评估成本方面均能随问题复杂度良好扩展。此外,mNARX与传统降维技术具有协同效应,尤其适用于建模高维外生输入动态系统——这类问题通常难以求解。鉴于物理系统(如土木与机械工程领域)中领域知识尤为丰富,mNARX在这些应用中具有显著优势。我们证明,在预测受一维随机激励驱动的经典耦合弹簧-质量系统响应时,mNARX优于传统自回归代理。同时,通过为真实气动-伺服-弹性陆上风力发电机仿真器建立动力学代理,我们展示了mNARX即使在高维时间及状态相关系统(含主动控制器影响)中仍具有卓越的模拟能力。总体而言,我们的结果表明mNARX在精度与效率方面为复杂动态系统建模提供了有前景的方案。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
乌克兰战场背后的新武器
专知会员服务
4+阅读 · 6月12日
基于博弈论的陆军人机协同(长文报告)
专知会员服务
10+阅读 · 6月12日
美国陆军航空兵:以愿景引领转型
专知会员服务
6+阅读 · 6月12日
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
16+阅读 · 6月11日
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
相关资讯
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员