A hybrid proper orthogonal decomposition and next generation reservoir computing approach for high-dimensional chaotic prediction: Application to flow-induced vibration of tube bundles

混乱的 李雅普诺夫指数 可预测性 计算机科学 非线性系统 控制理论(社会学) 数学 人工智能 物理 控制(管理) 统计 量子力学
作者
Tongwei Liu,Xielin Zhao,Pan Sun,Jinxiong Zhou
出处
期刊:Chaos [American Institute of Physics]
卷期号:34 (3) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0191901
摘要

Chaotic time series prediction is a central science problem in diverse areas, ranging from engineering, economy to nature. Classical chaotic prediction techniques are limited to short-term prediction of low- or moderate-dimensional systems. Chaotic prediction of high-dimensional engineering problems is notoriously challenging. Here, we report a hybrid approach by combining proper orthogonal decomposition (POD) with the recently developed next generation reservoir computing (NGRC) for the chaotic forecasting of high-dimensional systems. The hybrid approach integrates the synergistic features of the POD for model reduction and the high efficiency of NGRC for temporal data analysis, resulting in a new paradigm on data-driven chaotic prediction. We perform the first chaotic prediction of the nonlinear flow-induced vibration (FIV) of loosely supported tube bundles in crossflow. Reducing the FIV of a continuous beam into a 3-degree-of-freedom system using POD modes and training the three time coefficients via a NGRC network with three layers, the hybrid approach can predict time series of a weakly chaotic system with root mean square prediction error less than 1% to 19.3 Lyapunov time, while a three Lyapunov time prediction is still achieved for a highly chaotic system. A comparative study demonstrates that the POD-NGRC outperforms the other existing methods in terms of either predictability or efficiency. The efforts open a new avenue for the chaotic prediction of high-dimensional nonlinear dynamic systems.
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