使用水库计算技术对具有切换动力学的弹簧-质量系统进行建模与控制

《IEEE Access》：Modeling and Control of Spring-Mass Systems with Switched Dynamics using Reservoir Computing

　　

摘要：

具有切换动态的混合弹簧-质量系统由于其复杂的非线性动态和离散状态转换，在建模和控制方面面临重大挑战。传统的控制方法，如比例-积分-微分（PID）控制器和线性-二次调节器（LQR），往往难以应对混合系统的复杂性，从而限制了它们在实时应用中的有效性。同样，传统的机器学习方法也遇到了困难，包括训练时间长、过拟合以及缺乏足够的时间记忆来有效捕捉混合动态。为了解决这些挑战，我们在本工作中引入了一种基于回声状态网络（ESNs）的存储计算框架，用于建模和控制具有切换动态的混合弹簧-质量系统。所提出的方法能够高效地学习混合动态的时空模式，无论是无空气摩擦的情况还是基于速度阈值的空气摩擦情况，从而实现准确的系统识别和稳健的控制能力。实验结果表明，该模型在不同速度阈值下均表现出高性能，建模任务的平均绝对百分比误差（MAPE）范围为0.06%至8.2%，控制任务的MAPE范围为2.52%至7.07%。此外，该方法在计算上非常高效，支持快速训练（不到5秒）和实时部署。