基于改进子空间算法的输电塔模态参数识别方法技术

本发明专利技术公开了基于改进子空间算法的输电塔模态参数识别方法对大跨越输电塔结构，在野外环境激励下，单独利用响应数据完成结构的模态参数识别。识别过程在随机子空间识别原理的基础之上，实现了将多组分组响应数据整合为同步的脉冲响应数据，整合后的数据避免了分组识别带来的拟合误差，实现了数据的同步整体识别，最后利用不同系统阶数下的模态参数识别结果构建稳定图，解决了环境激励下模态参数识别的定阶问题，避免了峰值法等传统方法的模态遗漏和重复现象，给出更加准确稳定的识别结果，并为后续的结构损伤检测和寿命估计奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大型结构试验模态分析技术，尤其是一种输电塔模态参数识别方法。
技术介绍
大型结构试验模态分析技术是新世纪开展起来的结构健康安全评估的有效方法之一。针对输电线路铁塔原型动力特性与动力响应现场实测是近年才开展起来的。由于试验人员在输电塔原型高压电场附近高空作业，测量工作条件十分困难；微风时振动信号微弱，对测量传感器及仪器的信噪比要求高；整塔模态试验为了获得较可靠的振形，需要较多的测点，对传感器及数采仪要求通道数很多。因此，目前有关输电塔原型的振动模态现场实测据甚少，整塔的试验模态分析工作几乎是空白，个别研究工作只做了一阶弯曲模态。对桥梁、建筑物、输电塔等大型结构进行模态试验，无论是正弦、随机或者脉冲方式的人为激励都是不可能或不允许的。但是任何大型结构物都存在一定的振动环境，例如风、水流冲击、大地脉动、移动的车辆引起的振动等，在这些自然环境的激励下，结构物都会产生微弱的振动。在强风作用，输电铁塔的环境振动还可能是很大的。虽然我们对这些激励特性无法精确定量，但并非一无所知，可合理的假定这些激励是近似的平稳随机信号，其频谱是具有一定带宽的连续谱，在带宽内基本覆盖了对结构物感兴趣的频带，从而在结构物的自然环境激励下的振动信号中包含了这些模态。对结构物振动信号中的振型、阻尼进行识别，可以为后续的有限元建模、损伤和安全寿命估计等提供可靠的模态参数识别结果。目前流行且在工程上比较有效地获得的自然环境激励下的振型的方法是将全部测点在环境激励下的振动响应和某一固定的参考点的振动响应分别作双通道频谱分析。首先在自功率谱图上识别出共振频率再将各测点与参考点在共振频率上的幅值谱之比Φ (fi)作为该点的振型的相对值，将它们的互功率谱的实部在此频率上的正负作为该点振型的相位。权利要求1.，其特征在于其包括以下步骤1)在输电塔上设置一个参考点和多个测量点，分步采集环境激励下参考点和测量点的振动响应信号，计算其自功率谱和互功率谱；2)由该互功率谱得到互相关序列组成hankel矩阵；3)计算该hankel矩阵的投影矩阵；4)对该投影矩阵加权处理；5)对步骤4)中加权处理后的投影矩阵进行奇异值分解；6)根据随机子空间理论计算输电塔系统的离散状态空间方程的卡尔曼滤波状态向量；7)根据输电塔系统离散状态空间方程求解系统状态矩阵和输出矩阵；8)根据系统状态矩阵和输出矩阵求解系统模态参数；9)重复步骤7)和8)，获得不同阶次的输电塔系统的模态参数，建立系统模态参数的稳定图。2.根据权利要求1所述的，其特征在于所述步骤2)中组成的hankel矩阵为该Hankel矩阵是由测量点的响应数据yk组成的2mi X j矩阵，yi表示i时刻所有测量点的响应，下标P表示过去，下标f表示将来，Yp = You-!为Hankel矩阵第一列中的下标起始为0，终点为i-Ι的元素对应的所有的行和列组成的Hankel矩阵的块，表示过去行空间， Yf = Yi-H2i-!为Hankel矩阵的后i行，表示将来行空间。3.根据权利要求2所述的，其特征在于所述步骤3)中求解hankel矩阵的投影矩阵的步骤为3. 1)求振动响应信号的将来行空间到过去行空间的投影Oi,求解公式为O1 =% =YfYTP(YPYTPnP式中，(·)+表示矩阵求广义逆，(·)τ表示矩阵求转置；3. 2)根据随机子空间理论，所识别输电塔系统的离散状态空间方程为vk+l=Axt+ ρYk = Cxk+ P V式中A，C分别表示nXn阶系统状态矩阵和mXn阶输出矩阵，该离散状态空间方程的阶次为n，P w，P v分别为过程噪音和测量噪音；Xk为k时刻的系统状态向量，yk为k时刻系统的振动响应向量；系统模态参数由系统状态矩阵A的特征值和特征向量，以及系统输出矩阵C表示；.3.3)根据随机子空间识别理论，投影矩阵Oi可以分解为可控可观矩阵Γ i和卡尔曼滤波状态向量t的乘积，即4.根据权利要求3所述的，其特征在于步骤4)中采用主分量PC方法对投影矩阵进行加权处理，其方法是首先，设加权矩阵为5.根据权利要求4所述的，其特征在于步骤幻对步骤4)中加权处理后的投影矩阵进行奇异值分解的步骤为5.1)对投影矩阵进行奇异分解，确定投影矩阵的系统阶数6.根据权利要求5所述的，其特征在于由7.根据权利要求6所述的，其特征在于由于卡尔曼滤波状态向量和振动响应数据已知，ρ ，Ρ ,和！；相互独立，利用数值计算领域广泛应用的最小二乘法求解输电塔系统离散状态空间方程，得到线性方程:8.根据权利要求7所述的，其特征在于所述步骤6)还包括以下步骤6. 1)对系统状态矩阵A进行特征值分解9.根据权利要求8所述的，其特征在于步骤9)中建立稳定图并识别系统稳定、正确模态参数的方法为设所识别输电塔系统的离散状态空间方程阶次为n，得到多个不同阶次的离散状态空间方程，对每个方程进行模态参数识别，将得到的所有模态参数绘制在二维坐标图中，坐标图的横坐标为频率值，纵坐标为输电塔系统离散状态空间方程的阶次，便可得到稳定图；稳定图把不同阶次方程的模态参数画在同一幅图上，在相应于系统某阶固有频率的轴上，高一阶状态空间方程识别的模态参数同低一阶状态空间方程识别的模态参数相比较， 如果固有频率、阻尼比和模态振型的差异小于预设的限定值，则这个点就称为稳定点，稳定点组成的轴为稳定轴，相应的模态参数即为系统的模态参数；限定值取固有频率< 1%，阻尼比< 5%，模态振型< 2%，即稳定轴要求为10.根据权利要求1所述的，其特征在于所述步骤2)中设参考点为j，响应点数为i，两点之间的互相关函数的表达式为全文摘要本专利技术公开了对大跨越输电塔结构，在野外环境激励下，单独利用响应数据完成结构的模态参数识别。识别过程在随机子空间识别原理的基础之上，实现了将多组分组响应数据整合为同步的脉冲响应数据，整合后的数据避免了分组识别带来的拟合误差，实现了数据的同步整体识别，最后利用不同系统阶数下的模态参数识别结果构建稳定图，解决了环境激励下模态参数识别的定阶问题，避免了峰值法等传统方法的模态遗漏和重复现象，给出更加准确稳定的识别结果，并为后续的结构损伤检测和寿命估计奠定了基础。文档编号G01N29/12GK102520071SQ201110428858公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日专利技术者刘晓锋, 卢修连, 孙和泰, 黄磊 申请人:江苏方天电力技术有限公司本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓锋，卢修连，黄磊，孙和泰，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：