时变结构模态参数的时域辨识方法及在线辨识技术研究

发布时间：2017-10-26 03:33

  本文关键词：时变结构模态参数的时域辨识方法及在线辨识技术研究

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【摘要】：随着航空航天器应用领域的不断拓展，为适应飞行器结构分析与设计更为严苛和极限的要求，结构的时变特性不容忽视。由于时变结构的模态参数能用于结构动力学性能的评价、载荷辨识、模型修正、结构健康监测、结构故障诊断、结构振动控制等方面的应用。因此，近年来针对航空航天器时变结构的模态参数辨识研究逐渐成为航空航天结构动力学研究领域的热点，具有很高的研究价值。 本文对时变结构模态参数辨识方法及在线辨识技术展开研究。从时域着手，针对时域辨识模型和方法的三个核心问题：预测方向问题、模型结构选择问题和在线辨识问题，开展深入研究，主要包括以下几个方面： （一）对航空航天器结构的时变特性、时变结构模态参数辨识研究的意义和国内外研究现状进行了完整的总结和论述，为进行时变结构模态参数辨识理论和实验研究提供必要参考，并详细阐述了时域辨识模型和方法中三个核心问题，为本文的后续研究提供支持。 （二）总结了线性时变系统的基本理论，介绍了线性时变系统的定义、模型表示、系统极点的定义和性质等，分别从时域和频域上介绍了时变系统快慢的定性判定准则，介绍了线性时变结构的辨识模型及其特性，并探讨了时变结构模态参数的存在性、适用性等，为时变结构模态参数辨识提供了理论依据和前提假设。 （三）针对预测方向问题，提出了一种前后向线性预测的时变结构模态参数辨识方法。该方法将辨识模型从单输出形式拓展为多输出形式，建立前后向线性预测模型，并发展了相应的参数估计算法。仿真结果表明该辨识方法抗噪声能力更强，消除低采样率情况下的时移误差，并可进一步地运用于工作参考向量和反共振点的辨识。 （四）针对模型结构选择问题，提出了基于无网格形函数的时变结构模态参数辨识方法。借鉴无网格法中构造形函数进行局部近似的思想，建立并发展了能自适应响应特征的辨识模型及相应的参数估计算法：一方面，为解决传统的移动最小二乘形函数的数值问题，引入带权正交基函数，提出了一种改进的移动最小二乘时变结构模态参数辨识方法，仿真结果表明该方法无数值问题、辨识过程稳定且精度高；另一方面，为进一步提高局部时变特征跟踪能力，提出了一种基于移动Kriging形函数的时变结构模态参数辨识方法，建立了基于优化的模型估计框架，将辨识问题分解成两个子问题：模型参数的两步最小二乘估计和形状参数的离散连续混合优化，仿真结果表明对局部时变特征的估计精度更高。 （五）针对在线辨识问题，提出了一种核自适应滤波的时变结构模态参数在线辨识方法。为解决基函数的在线递推问题，，该方法从紧支的基函数着手利用核函数在线递推更新思想，建立并发展了基于核函数的辨识模型以及相应的滑动窗核递推最小二乘和改进的滑动窗核递推最小二乘的在线估计算法。仿真结果表明此方法相比于传统递推方法精度更高、对多通道信号辨识更高效，为工程时变结构的在线辨识提供递推算法支持。 （六）搭建了一个基于可移动质量块两端简支梁的时变结构，分别进行了“特征冻结”结构的参考实验和质量块连续移动的时变结构动力学实验。通过实验验证了本文以上所提出的时变结构模态参数辨识方法的有效性。
【关键词】：时变结构 模态参数辨识 时域 参数化 时变时间序列模型 前后向线性预测 两步最小二乘 无网格形函数 移动最小二乘法 移动Kriging 在线辨识 核自适应滤波 模态实验
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V221;V214
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-14
• 图目录14-17
• 表目录17-18
• 主要符号及运算符18-22
• 第1章 绪论22-46
• 1.1 航空航天与其它工程应用中的时变结构22-23
• 1.2 时变结构模态参数辨识的意义23-24
• 1.3 时变结构模态参数辨识的分类与概述24-25
• 1.4 频域时变结构模态参数辨识方法简述25-28
• 1.4.1 频域非参数化时变结构模态参数辨识25-28
• 1.4.2 频域参数化时变结构模态参数辨识28
• 1.5 时域时变结构模态参数辨识方法现状28-36
• 1.5.1 时域的时变结构参数化辨识模型28-30
• 1.5.2 基于时变状态空间模型的模态参数辨识方法30-33
• 1.5.3 基于时变时间序列模型的模态参数辨识方法33-36
• 1.6 时域时变动力学模型和辨识方法中的一些问题36-43
• 1.6.1 预测方向问题37-38
• 1.6.2 模型结构选择问题38-40
• 1.6.3 在线辨识问题40-43
• 1.7 本文的研究工作与内容安排43-46
• 第2章 线性时变系统基本理论46-67
• 2.1 引言46
• 2.2 线性时变系统46-51
• 2.2.1 线性时变系统定义、分类47
• 2.2.2 线性时变系统特性描述47-49
• 2.2.3 时变系统性质49-50
• 2.2.4 时变系统稳定性50-51
• 2.3 离散时间线性时变系统51-57
• 2.3.1 二阶离散时间线性时变系统51-55
• 2.3.2 n 阶离散时间线性时变系统55-57
• 2.4 线性慢时变系统57-60
• 2.4.1 时域的快慢定性判定准则57-58
• 2.4.2 频域的快慢定性判定准则58-60
• 2.5 线性时变结构建模60-66
• 2.5.1 线性时变结构模型60-61
• 2.5.2 TARMA 模型特性描述61-64
• 2.5.3 时变结构模态参数的存在性和适用性讨论64-66
• 2.6 本章小结66-67
• 第3章 前后向线性预测的时变结构模态参数辨识方法67-89
• 3.1 引言67
• 3.2 前向和后向 FS-VTARMA 模型的建立67-70
• 3.3 前后向模型联合估计70-74
• 3.3.1 联合估计的费用函数70-71
• 3.3.2 两步最小二乘估计71-74
• 3.4 模型结构问题的讨论74-76
• 3.4.1 模型结构选择74-75
• 3.4.2 半参数化模型75-76
• 3.5 精度和抗噪声能力对比76-82
• 3.5.1 模型描述76
• 3.5.2 采样频率76-78
• 3.5.3 信噪比78-80
• 3.5.4 预测格式80-82
• 3.6 数值算例：非平稳振动的时变刚度系统82-87
• 3.6.1 模型描述82-84
• 3.6.2 采样频率84-86
• 3.6.3 信噪比86-87
• 3.7 本章小结87-89
• 第4章 基于无网格形函数的时变结构模态参数辨识方法89-118
• 4.1 引言89
• 4.2 无网格法：形函数89-96
• 4.2.1 多项式 PIM 形函数90-91
• 4.2.2 径向 PIM 形函数91
• 4.2.3 径向-多项式 PIM 形函数91-93
• 4.2.4 移动最小二乘形函数93
• 4.2.5 移动 Kriging 形函数93-96
• 4.3 改进的移动最小二乘时变结构模态参数辨识方法96-103
• 4.3.1 时变系数的移动最小二乘形函数展开97-98
• 4.3.2 引入带权正交基函数98
• 4.3.3 时变模型最小二乘估计98-99
• 4.3.4 模型结构选择99-100
• 4.3.5 数值算例：非平稳振动的时变刚度系统100-103
• 4.4 基于移动 Kriging 形函数的时变结构模态参数辨识103-116
• 4.4.1 移动 Kriging 形函数的特殊假定104
• 4.4.2 建立移动 Kriging 形函数 VTARMA 模型104-105
• 4.4.3 基于优化的模型估计框架105-109
• 4.4.4 模型阶数的选择109
• 4.4.5 数值算例：突变刚度系统109-116
• 4.5 本章小结116-118
• 第5章 核自适应滤波的时变结构模态参数在线辨识方法118-134
• 5.1 引言118
• 5.2 核自适应滤波118-121
• 5.2.1 核方法118-120
• 5.2.2 时变跟踪的特殊要求120-121
• 5.3 核函数时变时间序列模型121-122
• 5.4 滑动窗 KRLS 估计122-125
• 5.4.1 核脊回归123
• 5.4.2 滑动窗方法123-125
• 5.5 滑动窗 KRLS-T 估计125-128
• 5.5.1 标准 KRLS 估计125-126
• 5.5.2 贝叶斯递推格式126-128
• 5.5.3 滑动窗方法128
• 5.6 模型结构问题的讨论128-129
• 5.7 数值算例：非平稳振动的时变刚度系统129-133
• 5.8 本章小结133-134
• 第6章 时变结构模态参数辨识的实验研究134-150
• 6.1 引言134
• 6.2 实验结构及测试系统134-136
• 6.3 参考模态实验及模态参数辨识结果136-138
• 6.4 时变结构动力学实验138
• 6.5 前后向线性预测的时变结构模态参数辨识138-141
• 6.6 基于无网格形函数的时变结构模态参数辨识141-144
• 6.6.1 改进的移动最小二乘法的辨识结果141-142
• 6.6.2 移动 Kriging 形函数的辨识结果142-144
• 6.7 核自适应滤波的时变结构模态参数在线辨识144-148
• 6.8 本章小结148-150
• 第7章 总结与展望150-154
• 7.1 本文总结150-151
• 7.2 本文的创新之处151-152
• 7.3 有待进一步研究的问题152-154
• 附录 A 矩阵的基本运算公式154-156
• 参考文献156-178
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单178-180
• 致谢180-181
• 作者简介181

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1096844