* 김동현 : kaist 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교...

50
* * 김김김 김김김 : KAIST : KAIST 김김김김김 김김김김김 , , 김김김김김김 김김김김김김 김김김 김김김 : : 김김김김김 김김김김김김김 김김김김김 김김김김김김김 , , 김김 김김 김김김 김김김 : : 김김김김김 김김김김김김김 김김김김김 김김김김김김김 , , 김김 김김 김김김 김김김 : KAIST : KAIST 김김김김김 김김김김김 , , 김김 김김 CMAC 김김김김 김김김 김김김김 김김김김 김김김김 김김김김 2000 2000 김김김김김 김김김김김

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토목학회 2000 학술발표회. CMAC 신경망을 이용한 구조물의 진동제어. * 김동현 : KAIST 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교 토목환경공학과 , 교수 이규원 : 전북대학교 토목환경공학과 , 교수 이인원 : KAIST 토목공학과 , 교수. CONTENTS. 1 INTRODUCTION 2 CMAC * FOR VIBRATION CONTROL 3 NUMERICAL EXAMPLES 4 CONCLUSIONS. - PowerPoint PPT Presentation

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** 김동현김동현 : KAIST : KAIST 토목공학과토목공학과 , , 박사후연구원박사후연구원 오주원오주원 : : 한남대학교 토목환경공학과한남대학교 토목환경공학과 , , 교수 교수 이규원이규원 : : 전북대학교 토목환경공학과전북대학교 토목환경공학과 , , 교수교수 이인원이인원 : KAIST : KAIST 토목공학과토목공학과 , , 교수교수

CMAC 신경망을 이용한 구조물의 진동제어

토목학회 토목학회 2000 2000 학술발표회학술발표회

Page 2: * 김동현 : KAIST 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교 토목환경공학과 , 교수 이규원 : 전북대학교 토목환경공학과 , 교수

2 2Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

1 INTRODUCTION

2 CMAC* FOR VIBRATION CONTROL

3 NUMERICAL EXAMPLES

4 CONCLUSIONS

CONTENTS

*Cerebellar Model Articulation Controller

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3 3Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

1 INTRODUCTION1 INTRODUCTION

- mathematical model is not required in

designing controller

• Features of neural network control• Features of neural network control Background

• Application areas• Application areas

- control of structures with uncertainty or nonlinearity

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4 4Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

structure

external load

neural networkneural

network

sensor

• Structural control using neural network• Structural control using neural network

response

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5 5Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Multilayer Neural Network (MLNN)• Multilayer Neural Network (MLNN)

control forcecontrol force

state ofstructure

(displacement)(velocity)

state ofstructure

(displacement)(velocity)

WijWij

Wij : weightsWij : weights

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6 6Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

1) H. M. Chen et al. (1995). ASCE J. Comp. in Civil Eng.

2) J. Ghaboussi et al. (1995). ASCE J. Eng. Mech.

3) K. Nikzad et al. (1996). ASCE J. Eng. Mech.

4) K. Bani-Hani et al. (1998). ASCE J. Eng. Mech.

5) J. T. Kim et al. (2000). ASCE J. Eng. Mech.

Previous studies

- All methods are based on multilayer neural network, whose learning speed is too slow

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7 7Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Objective and Scope

- To reduce learning time, we apply CMAC*

neural network for structural control

*Cerebellar Model Articulation Controller

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8 8Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

CMAC

2 CMAC FOR VIBRATION CONTROL2 CMAC FOR VIBRATION CONTROL

- proposed by J. S. Albus(1975)

- a neural network with fast learning speed

- mainly used for manipulator control

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9 9Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

input space output

space

x

memory space

W1

W2

W3

Wn-1

Wn

u

Procedure of CMAC

weights

displacementvelocity

control signal

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10 10Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Output calculation (1)• Output calculation (1)

output W12+W22+W32+W42

x

W11 W12 W13 W14

W21 W22 W23 W24 W31 W32 W33 W34 W41 W42 W43 W44

x1

layer 1

layer 2

layer 3

layer 4

input

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11 11Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Output calculation (2)• Output calculation (2)

output W13+W23+W32+W42

x

W11 W12 W13 W14

W21 W22 W23 W24 W31 W32 W33 W34 W41 W42 W43 W44

x1 x2

layer 1

layer 2

layer 3

layer 4

input

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12 12Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

CMAC MLNN

memory size Large Small

learning speed Fast Slow

computing mode Local Global

• CMAC vs. MLNN• CMAC vs. MLNN

items

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13 13Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Vibration Control using CMAC

structure

external load

CMACCMAC

learning rule

sensor

response

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14 14Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Control criterion: cost function• Control criterion: cost function

1N

0kk

Tk1k1k

f

2

1J RuuQzzT (1)

: state vector: control vector : relative weighting matrix: time step : final time step

: state vector: control vector : relative weighting matrix: time step : final time step

RQuz

,

fN

k

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15 15Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

kTk1k

T1kk 2

1J RuuQzz

: learning rate: learning rateη

ki,ki,1ki, WWW

(2)

(3)

(5)

Ru

u

zQz T

kk

1kT1kki, ηW

• Learning rule• Learning rule

i

kki, W

JηW

(4)

proposedmethodproposedmethod

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16 16Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

3. NUMERICAL EXAMPLES3. NUMERICAL EXAMPLES

Model structure

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17 17Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

: Mass matrix: Damping matrix: Restoring force : Location vector

: displacement vector: ground acceleration: control force

(6) gxLu 1M)xF(x,xCxM

LFCM

uxgx

• Equation of motion• Equation of motion

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18 18Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

dykxkxf 00 )1()(

)(1 1 pp

yxyyxxd

y

p

k

,,,

0

: linear stiffness

: contribution of k0

: constants

• Nonlinear restoring force (Bouc-Wen, 1981)• Nonlinear restoring force (Bouc-Wen, 1981)

(7)

(8)

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19 19Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Effect of parameters

-0 .10 -0.05 0.00 0.05 0.10D isplacem ent (m )

-4 .0

-2.0

0.0

2.0

4.0R

esto

ring

forc

e (N

)

-0 .10 -0.05 0.00 0.05 0.10D isplacem ent (m )

-4 .0

-2.0

0.0

2.0

4.0

Res

torin

g fo

rce

(N)

-0 .10 -0.05 0.00 0.05 0.10D isplacem ent (m )

-4 .0

-2.0

0.0

2.0

4.0

Res

torin

g fo

rce

(N)

-0 .10 -0.05 0.00 0.05 0.10D isplacem ent (m )

-4 .0

-2.0

0.0

2.0

4.0

Res

torin

g fo

rce

(N)

3.0

6.0 600 k

390 k

395.055.0104.0

0

kp

d

6.05.055.0104.0

p

d

395.055.0104.0

0

kp

d

6.05.055.0104.0

p

d

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20 20Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

mass

pump

• Active Mass Driver (AMD)• Active Mass Driver (AMD)

piston

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21 21Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

mass : 200 kg (story)stiffness : 2.25105 N/m (inter-story)damping ratios : 0.6, 0.7, 0.3% (modal)

mass : 18 kg (3% of building total mass)stiffness : 3.71103 N/mdamping ratio : 8.65%

Structure

AMD

• Parameters• Parameters

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22 22Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

CMAC structure

input: 2 (disp., vel. of 3rd floor)

output: 1 (control signal)

no. of divisions: 3 per variable

no. of layers: 200

no. of weights: 1800

input: 2 (disp., vel. of 3rd floor)

output: 1 (control signal)

no. of divisions: 3 per variable

no. of layers: 200

no. of weights: 1800

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23 23Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

integration time: 0.25 ms

sampling time: 5.0 ms

delay time: 0.5 ms

Simulation

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24 24Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Case studiesearthquake simulation

El Centro trainEl Centro controlNorthridge controlKern County controlEl Centro trainEl Centro control Northridge controlKern County control

model

linear

nonlinear

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25 25Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Linear cases (=1.0)• Linear cases (=1.0)

※1 Epoch = 0.005 s × 2000 steps ※1 Epoch = 0.005 s × 2000 steps

CMAC

MLNN

0 100 200 300 400 500Epoch

0.0

0.1

0.2

0.3

Cos

t fun

ctio

n • training under El Centro earthquake • training under El Centro earthquake

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26 26Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Training results • Training results

Jmin epochJmin epoch

MLNN

CMAC

MLNN

CMAC

1.94 10-2 65 (1.09) (0.15)

1.94 10-2 65 (1.09) (0.15)

1.77 10-2 412 (1.00) (1.00)

1.77 10-2 412 (1.00) (1.00)

neuralnetworkneuralnetwork

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27 27Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

w/o controlw/ control

• El Centro earthquake (3rd floor)• El Centro earthquake (3rd floor)

0 5 10 15 20-0.10-0.050.000.050.10

0 5 10 15 20-1.00-0.500.000.501.00

Dis

plac

emen

t (m

)

Time (sec)

Vel

ocity

(m/s

ec)

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28 28Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

w/o controlw/ control

0 5 10 15 20-20.0-10.0

0.010.020.0

• El Centro earthquake (3rd floor) - continued• El Centro earthquake (3rd floor) - continuedA

ccel

erat

ion

(m

/sec

2 )

Time (sec)

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29 29Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Dis

plac

emen

t (m

)

w/o controlw/ control

0 5 10 15 20-0.10-0.050.000.050.10

Time (sec)

0 5 10 15 20-1.00-0.500.000.501.00

Vel

ocity

(m/s

ec)

• Northridge earthquake (3rd floor)• Northridge earthquake (3rd floor)

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30 30Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

0 5 10 15 20-20.0-10.0

0.010.020.0

Acc

eler

atio

n (

m/s

ec2 )

w/o controlw/ control

Time (sec)

• Northridge earthquake (3rd floor) - continued• Northridge earthquake (3rd floor) - continued

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31 31Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Time (sec)

0 5 10 15 20-0.10-0.050.000.050.10

Dis

plac

emen

t (m

)

0 5 10 15 20-1.00-0.500.000.501.00

w/o controlw/ control

Vel

ocity

(m/s

ec)

• Kern County earthquake (3rd floor)• Kern County earthquake (3rd floor)

Page 32: * 김동현 : KAIST 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교 토목환경공학과 , 교수 이규원 : 전북대학교 토목환경공학과 , 교수

32 32Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

0 5 10 15 20-20.0-10.0

0.010.020.0

Acc

eler

atio

n (

m/s

ec2 )

w/o controlw/ control

Time (sec)

• Kern County earthquake (3rd floor) - continued• Kern County earthquake (3rd floor) - continued

Page 33: * 김동현 : KAIST 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교 토목환경공학과 , 교수 이규원 : 전북대학교 토목환경공학과 , 교수

33 33Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

0 100 200 300 400 500Epoch

0.0

0.1

0.2

0.3

Cos

t fun

ctio

n • Learning under El Centro earthquake • Learning under El Centro earthquake

CMAC

MLNN

• Nonlinear cases (=0.5)• Nonlinear cases (=0.5)

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34 34Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Jmin epochJmin epoch

MLNN

CMAC

MLNN

CMAC

2.02 10-2 34 (1.06) (0.08)

2.02 10-2 34 (1.06) (0.08)

1.91 10-2 427 (1.00) (1.00)

1.91 10-2 427 (1.00) (1.00)

• Training results • Training results

neuralnetworkneuralnetwork

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35 35Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• El Centro earthquake (1st floor)• El Centro earthquake (1st floor)

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

w/o control w/ control

5.05,5.01,01.0

p

d

5.05,5.01,01.0

p

d

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36 36Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

w/o control

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

w/ control

• Northridge earthquake (1st floor)• Northridge earthquake (1st floor)

5.05,5.01,01.0

p

d

5.05,5.01,01.0

p

d

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37 37Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0D isp lacem ent (cm )

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Res

torin

g fo

rce

(kN

)

• Kern County earthquake (1st floor)• Kern County earthquake (1st floor)

w/o control w/ control

5.05,5.01,01.0

p

d

5.05,5.01,01.0

p

d

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38 38Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

• Comparison of control results (linear, 3rd floor) • Comparison of control results (linear, 3rd floor)

El Centro El Centro

Northridge Northridge

Kern County Kern County

Dis

plac

emen

t (m

)

MLNNCMAC

Time (sec)

Page 39: * 김동현 : KAIST 토목공학과 , 박사후연구원 오주원 : 한남대학교 토목환경공학과 , 교수 이규원 : 전북대학교 토목환경공학과 , 교수

39 39Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Comparison of control results (nonlinear, 3rd floor) • Comparison of control results (nonlinear, 3rd floor)

El Centro El Centro

Northridge Northridge

Kern County Kern County

Dis

plac

emen

t (m

)

MLNNCMAC

Time (sec)

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0 5 10 15 20-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

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40 40Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

• Maximum responses of 3rd floor (cm)• Maximum responses of 3rd floor (cm)

linear

nonlinear

5.01 2.06 1.65 (3.04) (1.24) (1.00)

6.15 2.14 1.38 (4.46) (1.55) (1.00)

3.42 0.97 0.72 (4.75) (1.35) (1.00)

3.48 2.54 2.34 (1.49) (1.09) (1.00)

3.94 2.20 1.63 (2.42) (1.35) (1.00)

2.68 0.97 0.80 (3.35) (1.21) (1.00)

Earthquake w/o controlw/ control

CMAC MLNN

El Centro

Northridge

Kern County

El Centro

Northridge

Kern County

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41 41Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

4. CONCLUSIONS4. CONCLUSIONS

• Learning speed of CMAC is much faster

than that of MLNN.

• Response controlled by CMAC is slightly

larger than that by MLNN.

• Learning speed of CMAC is much faster

than that of MLNN.

• Response controlled by CMAC is slightly

larger than that by MLNN.

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42 42Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Future workFuture work

• Further reduction of response controlled

by CMAC with fast learning speed.

• Further reduction of response controlled

by CMAC with fast learning speed.

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43 43Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

utqgg

tqgg

)(1

)(2121

21, gg

u

q

: oil flow rate: control signal: time constant: valve gains

• Pump dynamics• Pump dynamics

(9)

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44 44Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

qfa

Vf

a

cxa

rr

lrr

2

: displacement of ram

: area of ram

: compression coefficient

: volume of cylinder

: leakage coefficientl

r

r

c

V

a

x

• Piston dynamics• Piston dynamics

(10)

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45 45Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

BuAzz

B

A

u

z : state vector

: control force vector

: system matrix

: control matrix

: state vector

: control force vector

: system matrix

: control matrix)(

)(

)1(

)1(

mn

nn

m

n

(s-1)

• Sensitivity Evaluation• Sensitivity Evaluation

• State equation• State equation

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46 46Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

kkk HuGzz 1

sTeAG

(s-2)

(s-3)

(s-4)

sT : sampling time: sampling time

BAH A 1 Ie sT

Hu

z

k

k 1 (s-5)

• Discretized equation using ZOH• Discretized equation using ZOH

• Sensitivity matrix• Sensitivity matrix

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47 47Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

kkk HuGzz 1

][0z k

mjijif

ijifkj ~1

)(0

)(1,

u

ik hz 1

initial condition:initial condition:

loading condition:loading condition:

measurement: measurement:

(s-6)

(s-7)

(s-8)

(s-9)

• Computation of H• Computation of H

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48 48Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

Method Time Method Time

Emulator minutes ~ hours Emulator minutes ~ hours

Proposed m sampling time Proposed m sampling time

Evaluation timeEvaluation time

mi hhhhH 21 (s-10)

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49 49Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

1

1

2

1

1n

i

n

j

eji

ji

ee WW

JJJ

1

0,

fN

k

ekji

eji WW

(c-1)

(c-2)

(c-3)

1

0

fN

kkJJ

1

0

fN

k ji

k

ji W

J

W

J

ji

kekji

W

JW

,

(c-4)

(c-5)

• Convergence of learning rule• Convergence of learning rule

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50 50Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

(c-6)

(c-7)

(c-8)

1

1

2

1

21

1

1n

i

n

j

N

k ji

keef

W

JJJ

eee JJJ 1

)0(1

1

2

1

21

1

n

i

n

j

N

k ji

kef

W

JJ

minlim JJ ee

(c-9)

Inserting (3), (4) into (2)