"Continuous Stirred Tank Reactor"

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作者
Mahdi Nasiri Abarbekouh
出处
期刊:
标识
DOI:10.21227/fnz4-xz93
摘要

"This paper develops an approach for multi-step forecasting of dynamical systems by integrating probabilistic input forecasting with physics-informed output prediction. Accurate multi-step forecasting of time series systems is important for the automatic control and optimization of physical processes, enabling more precise decision-making. While mechanistic-based and data-driven machine learning (ML) approaches have been employed for time series forecasting, they face significant limitations. Incomplete knowledge of process mathematical models limits mechanistic-based direct employment, while purely data-driven ML models struggle with dynamic environments, leading to poor generalization. To address these limitations, this paper proposes a dual-level strategy for physics-informed forecasting of dynamical systems. On the first level, input variables are forecast using a hybrid method that integrates a long short-term memory (LSTM) network into probabilistic state transition models (STMs). On the second level, these stochastically predicted inputs are sequentially fed into a physics-informed neural network (PINN) to generate multi-step output predictions. The experimental results of the paper demonstrate that the hybrid input forecasting models achieve a higher log-likelihood and lower mean squared errors (MSE) compared to conventional STMs. Furthermore, the PINNs driven by the input forecasting models outperform their purely data-driven counterparts in terms of MSE and log-likelihood, exhibiting stronger generalization and forecasting performance across multiple test cases. "

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