專利名稱：基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)，尤其是一種輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是新世紀(jì)開(kāi)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)估的有效方法之一。針對(duì)輸電線路鐵塔原型動(dòng)力特性與動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是近年才開(kāi)展起來(lái)的。由于試驗(yàn)人員在輸電塔原型高壓電場(chǎng)附近高空作業(yè)，測(cè)量工作條件十分困難；微風(fēng)時(shí)振動(dòng)信號(hào)微弱，對(duì)測(cè)量傳感器及儀器的信噪比要求高；整塔模態(tài)試驗(yàn)為了獲得較可靠的振形，需要較多的測(cè)點(diǎn)，對(duì)傳感器及數(shù)采儀要求通道數(shù)很多。因此，目前有關(guān)輸電塔原型的振動(dòng)模態(tài)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)據(jù)甚少，整塔的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析工作幾乎是空白，個(gè)別研究工作只做了一階彎曲模態(tài)。對(duì)橋梁、建筑物、輸電塔等大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，無(wú)論是正弦、隨機(jī)或者脈沖方式的人為激勵(lì)都是不可能或不允許的。但是任何大型結(jié)構(gòu)物都存在一定的振動(dòng)環(huán)境，例如風(fēng)、水流沖擊、大地脈動(dòng)、移動(dòng)的車輛引起的振動(dòng)等，在這些自然環(huán)境的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)物都會(huì)產(chǎn)生微弱的振動(dòng)。在強(qiáng)風(fēng)作用，輸電鐵塔的環(huán)境振動(dòng)還可能是很大的。雖然我們對(duì)這些激勵(lì)特性無(wú)法精確定量，但并非一無(wú)所知，可合理的假定這些激勵(lì)是近似的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，其頻譜是具有一定帶寬的連續(xù)譜，在帶寬內(nèi)基本覆蓋了對(duì)結(jié)構(gòu)物感興趣的頻帶，從而在結(jié)構(gòu)物的自然環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)中包含了這些模態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)信號(hào)中的振型、阻尼進(jìn)行識(shí)別，可以為后續(xù)的有限元建模、損傷和安全壽命估計(jì)等提供可靠的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果。目前流行且在工程上比較有效地獲得的自然環(huán)境激勵(lì)下的振型的方法是將全部測(cè)點(diǎn)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)和某一固定的參考點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)分別作雙通道頻譜分析。首先在自功率譜圖上識(shí)別出共振頻率再將各測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)在共振頻率上的幅值譜之比Φ (fi)作為該點(diǎn)的振型的相對(duì)值，將它們的互功率譜的實(shí)部在此頻率上的正負(fù)作為該點(diǎn)振型的相位。
權(quán)利要求
1.基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于其包括以下步驟1)在輸電塔上設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)和多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分步采集環(huán)境激勵(lì)下參考點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算其自功率譜和互功率譜；2)由該互功率譜得到互相關(guān)序列組成hankel矩陣；3)計(jì)算該hankel矩陣的投影矩陣；4)對(duì)該投影矩陣加權(quán)處理；5)對(duì)步驟4)中加權(quán)處理后的投影矩陣進(jìn)行奇異值分解；6)根據(jù)隨機(jī)子空間理論計(jì)算輸電塔系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間方程的卡爾曼濾波狀態(tài)向量；7)根據(jù)輸電塔系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和輸出矩陣；8)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和輸出矩陣求解系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)；9)重復(fù)步驟7)和8)，獲得不同階次的輸電塔系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建立系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的穩(wěn)定圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于所述步驟2)中組成的hankel矩陣為該Hankel矩陣是由測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)yk組成的2mi X j矩陣，yi表示i時(shí)刻所有測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)，下標(biāo)P表示過(guò)去，下標(biāo)f表示將來(lái)，Yp = You-!為Hankel矩陣第一列中的下標(biāo)起始為0，終點(diǎn)為i-Ι的元素對(duì)應(yīng)的所有的行和列組成的Hankel矩陣的塊，表示過(guò)去行空間， Yf = Yi-H2i-!為Hankel矩陣的后i行，表示將來(lái)行空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于所述步驟3)中求解hankel矩陣的投影矩陣的步驟為3. 1)求振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的將來(lái)行空間到過(guò)去行空間的投影Oi,求解公式為O1 =% =YfYTP(YPYTPnP式中，(·)+表示矩陣求廣義逆，(·)τ表示矩陣求轉(zhuǎn)置；3. 2)根據(jù)隨機(jī)子空間理論，所識(shí)別輸電塔系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間方程為vk+l=Axt+ ρYk = Cxk+ P V式中A，C分別表示nXn階系統(tǒng)狀態(tài)矩陣和mXn階輸出矩陣，該離散狀態(tài)空間方程的階次為n，P w，P v分別為過(guò)程噪音和測(cè)量噪音；Xk為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量，yk為k時(shí)刻系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)向量；系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)由系統(tǒng)狀態(tài)矩陣A的特征值和特征向量，以及系統(tǒng)輸出矩陣C表示；.3.3)根據(jù)隨機(jī)子空間識(shí)別理論，投影矩陣Oi可以分解為可控可觀矩陣Γ i和卡爾曼濾波狀態(tài)向量t的乘積，即
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于步驟4)中采用主分量PC方法對(duì)投影矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，其方法是首先，設(shè)加權(quán)矩陣為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于步驟幻對(duì)步驟4)中加權(quán)處理后的投影矩陣進(jìn)行奇異值分解的步驟為5.1)對(duì)投影矩陣進(jìn)行奇異分解，確定投影矩陣的系統(tǒng)階數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于由
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于由于卡爾曼濾波狀態(tài)向量和振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)已知，ρ ，Ρ ,和！；相互獨(dú)立，利用數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的最小二乘法求解輸電塔系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程，得到線性方程:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于所述步驟6)還包括以下步驟6. 1)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)矩陣A進(jìn)行特征值分解
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于步驟9)中建立穩(wěn)定圖并識(shí)別系統(tǒng)穩(wěn)定、正確模態(tài)參數(shù)的方法為設(shè)所識(shí)別輸電塔系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間方程階次為n，得到多個(gè)不同階次的離散狀態(tài)空間方程，對(duì)每個(gè)方程進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，將得到的所有模態(tài)參數(shù)繪制在二維坐標(biāo)圖中，坐標(biāo)圖的橫坐標(biāo)為頻率值，縱坐標(biāo)為輸電塔系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程的階次，便可得到穩(wěn)定圖；穩(wěn)定圖把不同階次方程的模態(tài)參數(shù)畫在同一幅圖上，在相應(yīng)于系統(tǒng)某階固有頻率的軸上，高一階狀態(tài)空間方程識(shí)別的模態(tài)參數(shù)同低一階狀態(tài)空間方程識(shí)別的模態(tài)參數(shù)相比較， 如果固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型的差異小于預(yù)設(shè)的限定值，則這個(gè)點(diǎn)就稱為穩(wěn)定點(diǎn)，穩(wěn)定點(diǎn)組成的軸為穩(wěn)定軸，相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)即為系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)；限定值取固有頻率< 1%，阻尼比< 5%，模態(tài)振型< 2%，即穩(wěn)定軸要求為
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于所述步驟2)中設(shè)參考點(diǎn)為j，響應(yīng)點(diǎn)數(shù)為i，兩點(diǎn)之間的互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于改進(jìn)子空間算法的輸電塔模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法對(duì)大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)，在野外環(huán)境激勵(lì)下，單獨(dú)利用響應(yīng)數(shù)據(jù)完成結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別。識(shí)別過(guò)程在隨機(jī)子空間識(shí)別原理的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了將多組分組響應(yīng)數(shù)據(jù)整合為同步的脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，整合后的數(shù)據(jù)避免了分組識(shí)別帶來(lái)的擬合誤差，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同步整體識(shí)別，最后利用不同系統(tǒng)階數(shù)下的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果構(gòu)建穩(wěn)定圖，解決了環(huán)境激勵(lì)下模態(tài)參數(shù)識(shí)別的定階問(wèn)題，避免了峰值法等傳統(tǒng)方法的模態(tài)遺漏和重復(fù)現(xiàn)象，給出更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的識(shí)別結(jié)果，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和壽命估計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01N29/12GK102520071SQ201110428858
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者劉曉鋒, 盧修連, 孫和泰, 黃磊 申請(qǐng)人:江蘇方天電力技術(shù)有限公司