稳定图方法在随机子空间识别模态参数中的应用

参数识别是结构健康监测领域研究中的重点。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。在随机子空间识别方法中,确定系统的阶数是该方法的关键工作。稳定图方法是一种比较新颖的确定系统阶次的方法,但该方法容易识别出虚假模态。针对这种情况对稳定图方法进行了改进,避免了虚假模态的出现,进而提高了随机子空间方法的识别精度。稳定图方法改进的重点是用模态置信因子来消除虚假模态。同时由于通常采用的阻尼理论与实际情况尚存在差距,影响了识别效果。在稳定图中将阻尼比的标准放松或取消,得到更加理想的识别效果。最后对此方法在一三跨连续梁的数值模型上进行了验证,结果表明,该方法具有良好的识别效果。     

环境激励下大型桥梁模态参数识别的一种方法

提出一种依据环境激励下结构振动响应的大型桥梁模态参数识别方法,该方法以限制带宽的经验模态分解（BREMD）和随机子空间识别（SSI）为基础,首先利用EMD将环境振动响应分解成一系列只含结构某一阶固有模态的本征模态函数（IMF）,然后利用SSI识别桥梁模态参数。针对大型桥梁自振频率低、模态密集的特点,引入屏蔽信号限制EMD过程中带宽以消除模态混叠;运用该法识别了赣龙铁路某特大桥的模态参数,并将其与峰值拾取法、SSI识别结果以及理论计算值进行对比,结果表明：该方法能有效的识别大型桥梁模态参数,屏蔽信号的引入解决了模态混叠问题,稳定图中的虚假模态得到抑制。     

基于粒子滤波的多模态振动信号在线跟踪

针对多模态振动信号的在线监测和跟踪,提出基于随机子空间（SSI）和粒子滤波（PF）算法的仿真振动信号在线监测和跟踪方法。通过SSI算法提取得到振动系统的模态主频和阻尼比,根据振动系统模型模态主频和阻尼比的计算公式,得到系统的状态矩阵和输出矩阵。将计算所得状态矩阵和输出矩阵代入状态方程,利用PF算法进行信号的在线监测和跟踪,实现信号的降噪处理和预测分析。对于大型机械、桥梁等建筑物,对其进行在线监测保障其正常营运对社会经济发展具有深远影响。文中利用SSI算法提取系统的模态参数,进一步构建振动系统的状态矩阵和输出矩阵,并利用PF算法进行信号滤波抑噪和预测,在此基础上可以对结构状态实施在线监测及预警控制,实际大桥斜拉索振动信号测试也表明本文算法可以提供稳定可靠的信号跟踪与预测技术。     

随机激励下基于ICA的结构模态参数识别

简要介绍独立分量分析(ICA)的基本原理,提出将ICA方法与随机减量法(RDT)结合起来用于随机激励下结构的模态参数识别。结合数值仿真算例和振动试验分析,验证所提出方法用于随机激励下结构模态参数识别的有效性。结果表明,ICA可以准确地从结构随机振动响应信号中分离出各源信号,并同时估计出各阶模态振型向量,源信号与结构模态坐标存在一一对应关系,再结合随机减量法和单模态识别法可识别各阶模态的频率和阻尼比。该方法仅利用振动系统的输出响应进行分析,适用于随机激励下结构的工作模态参数识别。     

结构损伤识别中噪声的模拟

在有限元仿真的结构振动信号上施加不同水平的噪声,采用随机子空间法,分别从各种噪声水平的信号中提取结构的模态参数。以无噪声信号得到的模态参数为标准值,计算了各信号噪声水平下模态参数的误差,得到了信号噪声水平与模态参数噪声水平的对应关系,给出了模拟模态参数噪声的方式。通过损伤识别算例,考察了识别效果对信号信噪比的要求。     

数据驱动随机子空间法矩阵维数选择与噪声问题研究

数据驱动随机子空间法作为一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构振动响应中获取模态参数。其中,Hankel矩阵维数的选择直接影响到数据驱动随机子空间法消噪能力。本文理论上分析了噪声与数据驱动随机子空间法Hankel矩阵维数之间的关系,并基于归一化奇异值（SVD）、稳定图以及有限元模态识别结果（FE）,提出了一种评估数据驱动随机子空间法矩阵维数选择优劣的方法,并通过数值算例和导管架平台振动台试验系统地验证了该方法的有效性,结果表明：非方阵的Hankel矩阵使数据驱动随机子空间法具备更强的消噪能力和更高的模态识别精度。     

随机子空间产生虚假模态及模态遗漏的原因分析

参数识别是结构健康监测领域研究中的重点。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。由于它具有只需给定系统的阶次一个参数,不存在不收敛的情况等优势,越来越受到国内外业内人士的广泛关注。但是该方法也不是十全十美的,容易产生虚假模态和模态遗漏现象,这些都严重影响了识别效果。因此将识别结果中的虚假模态剔除,是随机子空间方法进一步在理论和应用上拓展的关键。要做到这些,首先要分析虚假模态产生的原因。该文就对虚假模态的产生原因进行了分析。分析表明虚假模态产生的原因主要有两方面:一方面是由于随机子空间方法的基本计算过程而导致的;另一方面是由于实际应用中输入信号不满足白噪声的假定和/或输出信号受到环境的干扰而导致的。分析中采用了一数值模拟例子。     

基于改进确定-随机子空间算法的桥梁结构模态参数识别

为了实现桥梁结构模态参数的智能化在线跟踪识别,提出了一种基于滑窗技术、模糊C均值聚类算法与确定-随机子空间算法的时域识别(SC-CDSI)算法。对桥梁结构的输入信号和输出信号进行加窗划分处理,分析了窗函数、窗口大小及窗口步长的确定标准;将频率、阻尼比及模态振型作为模糊C均值聚类算法的聚类元素完成对稳定图中有效模态的智能化辨识;以某振动台试验桥为参数识别对象,并将所得结果与MIDAS有限元结果作对比分析。结果表明,所提SC-CDSI识别算法可以精确实现桥梁结构频率的在线跟踪智能化识别,且识别的结果具有可靠性。     

一种改进的随机子空间辨识方法的稳定图

为在模态参数辨识中更好地区分虚假模态与物理模态,对传统时域子空间方法的稳定图进行了改进。改进的稳定图利用了由输出信号的自相关函数重构的Hankel矩阵,认为系统阶次固定,模态特征的变化趋势随数据量的增加而体现。在稳定图中引入了可表征各阶估计模态贡献量大小的分量能量指标(CEI)作为判断模态特征稳定性的判据之一,以剔除虚假特征。通过对一个受噪声污染、具有密集模态的振动仿真系统进行辨识,从改进的稳定图中可以看到物理模态随数据量增加仍保持稳定,且对应于较大的CEI值,虚假模态的表现则明显相反,验证了该改进的子空间方法的稳定图的正确性和有效性。     

基于解析模式分解的密集工作模态参数识别

长大跨度的桥梁结构或者高层建筑的工作环境振动响应中经常包含密集的模态成分,并会出现模态叠混现象,而传统的信号分析方法往往难以识别结构的密集模态参数。提出一种基于解析模式分解理论与随机减量技术相结合的方法识别环境激励下的结构密集模态参数。对于工作环境激励下的结构振动响应,通过随机减量技术可以提取结构的自由振动响应,利用解析模式分解方法对具有密集模态的自由振动响应进行有效的分解,对每一阶自由振动响应利用最小二乘拟合方法识别出频率与阻尼比。通过两层框架的数值模拟以及对密集频率的密集程度指数和信号时程长度等参数分析,其结果表明通过随机减量技术提取的自由振动响应可以有效的减少模态叠混的影响,虽然提取的自由振动响应的时程长度比实际的信号时程要短,然而解析模式分解仍然能够十分有效的对短时程具有密集模态成分的信号进行有效的分解。最后,通过对一具有密集模态的36层框架的数值模拟,以及对一具有密集模态的3层框架的振动台实验,验证该方法可以有效的识别出环境激励下的结构密集模态参数。     

随机子空间识别在悬索桥实验模态分析中的应用

为了从大型悬索桥的脉动实验结果得出精确的结构动力特性,以便进行结构的抗风、抗震研究和实时监测,本文利用随机子空间系统识别方法对虎门悬索桥进行了模态分析。这种时域识别方法基于状态空间模型,仅利用结构输出反应,避免了传统的人工识别和迭代过程,但必须利用稳定图形确定模型阶数。同有限元数值计算结果作比较后可看出,该法能识别出10个频率在0.5Hz以下的自振频率,并且可得到较好的结构阻尼,说明随机子空间系统识别方法是分析大型桥梁脉动实验特征参数的有力工具。     

从响应信号辨识斜拉桥模型的模态参数

针对斜拉桥模型在平稳随机激励下的模态参数辨识问题，研究了提高子空间方法参数辨识精度和可信度的有效途径。在矩阵奇异值分解的基础上，文中使用信号特征分量的能量指标来估计模型阶次，同时给出一种特征频率随拟合数据变化的稳定图。在虚假特征显示能力以及降低数值运算量等方面，这种形式的稳定图与能量指标的结合具有正更大的优越性。在斜拉桥模型的模态参数辨识中，物理模态和寄生模态得到了很好的分离，而且斜拉桥模型在分析频带内的物理模态被全部识别出来。辨识结果的比较说明了给出的辨识方法是有效的。     

模糊聚类算法稳定图应用于桥梁结构参数识别

将模糊聚类算法应用于稳定图理论,并将该稳定图与协方差驱动的随机子空间法相结合,进行桥梁结构模态参数识别&;#61472;。提出不考虑阻尼的影响,以频率为横坐标,以模态保证准则MAC中任一列数据为纵坐标的模糊聚类算法稳定图。通过比较稳定图中各聚类圆大小的方法进行稳定图真假模态的判别,从而使模态判别不再需要人的主观参与而变得更加智能和准确。通过简支梁和连续梁仿真分析验证了模糊聚类算法稳定图用于桥梁结构参数识别的准确性和较强的抗干扰性。     

基于随机子空间法的海洋平台模态特征实时提取方法研究

海洋平台结构模态特征实时提取是其结构健康监测的一项重要手段。针对传统随机子空间算法在有限测点下无法反映结构整体特征的问题,提出了一种改进的协方差驱动随机子空间模态实时提取方法。该方法基于一种新的Hankel元素重构方式,构建了结构实际空间信息与算法的相关性,并有效降低了计算矩阵的维度,从而显著提高了平台模态识别的准确度和计算效率。在此基础上,进一步建立了基于信号累积特征的虚假模态辨识方法与剔除准则,解决了传统随机子空间方法在计算大型复杂结构时存在虚假模态过多的问题。以渤海某海洋平台为例,采用所建立的方法对该平台响应信号进行计算,并与传统随机子空间方法进行对比分析,验证了所提方法的优良适用性和鲁棒性。     

压电结构系统辨识中的幂迭代子空间跟踪方法

针对子空间辨识压电结构系统模型,利用广义能观矩阵列空间与观测矢量相关矩阵信号子空间一致的特征,提出采用幂迭代子空间跟踪方法,保证全局且按指数收敛到主子空间。为避免跟踪过程中与主子空间偏离误差的传递,采用多级分解,形成多级幂迭代子空间跟踪方法。将其与投影逼近子空间方法比较,仿真结果表明,能观矩阵夹角小,输出均方根误差小,能提高跟踪精度。并运用于实际模型中,验证其有效性。