Identification of piecewise linear dynamical systems using physically-interpretable neural-fuzzy networks: Methods and applications to origami structures

分段线性函数 人工神经网络 分段 先验与后验 非线性系统 人工智能 计算机科学 数学优化 数学 算法 数学分析 量子力学 认识论 物理 哲学
作者
Zuolin Liu,Hongbin Fang,Jian Xu
出处
期刊:Neural Networks [Elsevier BV]
卷期号:116: 74-87 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.neunet.2019.04.007
摘要

Abstract Self-locking origami structures are characterized by their piecewise linear constitutive relations between force and deformation, which, in practice, are always completely opaque and unmeasurable: the number of piecewise segments, the positions of non-smooth points, and the linear parameters of each segment are unknown a priori. However, acquiring this information is of fundamental importance for understanding the origami structure’s dynamic folding process and predicting its dynamic behaviors. This, therefore, arouses our interest in adopting a dynamical identification process to determine the model and to estimate the parameters. In this research, based on the piecewise linear assumption, a physically-interpretable neural-fuzzy network is built to correlate the measured input and output data. Unlike the conventional approaches, the constructed neural network possesses specific physical meaning of its components: the number of neurons relates to the number of piecewise segments, the coefficients of the local linear models relate to the parameters of the constitutive relations, and the validity functions relate to the positions of non-smooth points. By addressing several examples with different backgrounds, the network’s underlying data training methods are illustrated, including the local linear optimization for linear parameters, nested optimization for nonlinear partitions, and Local Linear Model Tree optimization for model selection. Noting that the tackled origami problem holds strong universality in terms of the unknown piecewise characteristics, the proposed approach would thus provide an effective, generic, and physically significant means for handling piecewise linear dynamical systems and meanwhile bring fresh vitality to the artificial neural network research.
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