專利名稱：一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，屬于結(jié)構(gòu)動力學模態(tài)參數(shù)辨識技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工程實際中，結(jié)構(gòu)的特性都是隨時間變化的，時不變(time-1nvariant)假設(shè)只是時變(time-varying)結(jié)構(gòu)在給定條件下的一種簡化處理方法。隨著研究者所關(guān)心的結(jié)構(gòu)特性和利用這些特性所開展的應用不斷增加，特別是在航空航天、機械、橋梁等應用領(lǐng)域，越來越多的結(jié)構(gòu)其隨時間變化的特性不能被忽略。例如，飛行中的運載火箭，由于燃料不斷消耗使其總質(zhì)量和質(zhì)量分布特性隨時間變化；飛行器以超高速飛行時，氣動加熱會引起材料的剛度和阻尼隨時間變化；在軌航天器的帆板等部件的展開過程會引起結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度特性發(fā)生變化；制造業(yè)中的機械臂，在操作過程中的幾何變形會導致其結(jié)構(gòu)動力學特性發(fā)生變化；火車通過鐵路橋時，車-橋組合系統(tǒng)的質(zhì)量分布會隨著火車的移動不斷地發(fā)生變化。在時不變假設(shè)下對時變結(jié)構(gòu)進行的分析存在無法避免的誤差，對時變結(jié)構(gòu)的設(shè)計也難以實現(xiàn)優(yōu)化，因此，時變結(jié)構(gòu)的動力學特性分析已成為該領(lǐng)域的研究重點。時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識是時變結(jié)構(gòu)動力學特性分析的重要方法，能夠獲取時變結(jié)構(gòu)在真實條件下的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型)，可以為時變結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、健康監(jiān)測、故障診斷以及結(jié)構(gòu)振動控制提供依據(jù)。時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法可分為兩大類:時域模態(tài)參數(shù)辨識方法和頻域模態(tài)參數(shù)辨識方法。其中，時域模態(tài)參數(shù)辨識方法以時間序列法和隨機子空間法為主，頻域模態(tài)參數(shù)辨識方法多為基于時頻分析、Hilbert-Huang變換的非參數(shù)化辨識方法。隨著時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識領(lǐng)域研究的不斷深入，用于時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的方法不斷出現(xiàn)，因此，對用于 驗證這些方法可行性、準確性和魯棒性的技術(shù)途徑進行研究意義重大。目前，時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法多以數(shù)值仿真的方式進行驗證，而在數(shù)值仿真中很難模擬出信號的量測噪聲，與時變結(jié)構(gòu)真實工作條件下測量得到的結(jié)構(gòu)動力學響應信號存在較大差別，因此，通過實驗的方式對時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法進行驗證具有更強的實際意義。為驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的可行性，需設(shè)計并搭建一個物理意義明確且結(jié)構(gòu)特性隨時間變化規(guī)律精確可控的實驗系統(tǒng)；為驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的準確性，該實驗系統(tǒng)需能夠提供各種實驗條件下模態(tài)參數(shù)的參考基準，以用于同待驗證方法所得到的辨識結(jié)果進行對比；為驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的魯棒性，該實驗系統(tǒng)需具備多種結(jié)構(gòu)特性隨時間的變化方式，為時變結(jié)構(gòu)動力學實驗提供多種實驗條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對缺乏用于驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗途徑，提出一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法。本發(fā)明特別適用于變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗驗證，能對辨識方法的可行性、準確性和魯棒性進行驗證。本發(fā)明方法的基本思路為:設(shè)計并搭建一種質(zhì)量大小與質(zhì)量分布隨時間變化規(guī)律精確可控的時變結(jié)構(gòu)；在短時時不變假設(shè)下對時變結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行辨識，得到其模態(tài)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律作為參考基準；進行時變結(jié)構(gòu)動力學實驗，測量該時變結(jié)構(gòu)在指定激勵下的結(jié)構(gòu)動力學響應信號；用待驗證方法對測量數(shù)據(jù)進行辨識，并將辨識結(jié)果與參考基準進行比較，驗證該方法的可行性與準確性；在不同的實驗條件下對比待驗證方法的辨識結(jié)果與參考基準，驗證該方法的魯棒性。本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下:步驟1，設(shè)計并搭建實驗系統(tǒng)。用于驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗系統(tǒng)包括時變結(jié)構(gòu)、激勵系統(tǒng)、力和運動傳感器、測量與分析系統(tǒng)、電機系統(tǒng)和支撐臺體。時變結(jié)構(gòu)包括簡支梁和滑動質(zhì)量塊，通過質(zhì)量塊在簡支梁上的滑動來模擬質(zhì)量分布隨時間變化的時變結(jié)構(gòu)，通過改變質(zhì)量塊的質(zhì)量大小、運動形式(位置、速度和加速度)等方式來模擬不同時變特性的時變結(jié)構(gòu)。激勵系統(tǒng)包括激振器和功率放 大器，激振器用于輸出不同類型的帶寬信號或者單頻信號，功率放大器用于對輸出信號的幅值進行調(diào)節(jié)。通過設(shè)置輸出信號的類型與幅值來模擬時變結(jié)構(gòu)真實條件下受到的外部激勵。力和運動傳感器包括力傳感器、運動傳感器，分別用來測量時變結(jié)構(gòu)所受到的激勵信號和該激勵下的結(jié)構(gòu)動力學響應信號。力傳感器可選用能同時測量力和加速度的機械阻抗傳感器；運動傳感器可選用位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器中的一種，其中，加速度傳感器在結(jié)構(gòu)動力學實驗中應用最為廣泛。測量與分析系統(tǒng)用于預設(shè)力和運動傳感器的采樣頻率和采樣時間，并對傳感器采集到的激勵信號和結(jié)構(gòu)動力學響應信號進行處理，為后續(xù)的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識提供可用數(shù)據(jù)。測量與分析系統(tǒng)需配置一臺計算機用于數(shù)據(jù)的處理及存儲。電機系統(tǒng)包括電機、編碼器、運動控制器和同步繞線器。其中，編碼器和運動控制器用來控制電機輸出端的運動形式(位置、速度和加速度)，電機輸出端直接與同步繞線器固連，以繞線的方式驅(qū)動質(zhì)量塊在簡支梁上滑動。編碼器為安裝在電機軸上的多極永久磁環(huán)，與電機集成為一體，運動控制器通過傳輸電纜與編碼器信號輸入端連接，電機、編碼器和運動控制器構(gòu)成閉合回路，能夠?qū)﹄姍C輸出端的運動形式(位置、速度和加速度)進行精確控制，實現(xiàn)對質(zhì)量塊運動形式(位置、速度和加速度)的精確控制。通過電機系統(tǒng)預設(shè)力和運動傳感器采樣開始時刻質(zhì)量塊所需滿足的運動信息標準，滑動過程中，當質(zhì)量塊的位置或者速度或者加速度信息滿足該預設(shè)運動信息標準時，電機系統(tǒng)中的運動控制器立即通過傳輸電纜向測量與分析系統(tǒng)發(fā)送一個電壓階躍信號，測量與分析系統(tǒng)接收到該電壓階躍信號后立即啟動力和運動傳感器開始采樣，采樣終止時刻則通過測量與分析系統(tǒng)預設(shè)。支撐臺體用于支撐時變結(jié)構(gòu)，提供時變結(jié)構(gòu)所需的邊界條件。上述組成的連接關(guān)系為:將時變結(jié)構(gòu)中的簡支梁安裝在支撐臺體上，質(zhì)量塊安裝在簡支梁上；質(zhì)量塊與同步繞線器通過細線相連；將力傳感器和運動傳感器粘接到簡支梁下表面，并分別通過傳輸電纜同測量與分析系統(tǒng)連接，此外，力傳感器與激振器相連，激振器則通過功率放大器間接地同測量與分析系統(tǒng)相連；電機系統(tǒng)中的運動控制器通過傳輸電纜同測量與分析系統(tǒng)相連，且運動控制器、測量與分析系統(tǒng)均通過傳輸電纜與計算機相連。步驟2，獲取時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準?；诙虝r時不變假設(shè)，將步驟I中質(zhì)量塊在簡支梁上的滑動過程劃分為多個微小時間段，每一個時間段的結(jié)構(gòu)特性設(shè)為時不變，采用現(xiàn)有的時不變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法對每一個時間段進行辨識，將得到的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型)作為該時間段內(nèi)質(zhì)量塊通過對應位置時的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準。所述現(xiàn)有的時不變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法為模態(tài)參數(shù)辨識領(lǐng)域內(nèi)已受到廣泛認可的辨識方法。例如，時域方法中的最小二乘復指數(shù)法，頻域方法中的最小二乘頻域法等。步驟3，進行時變結(jié)構(gòu)動力學實驗。在實驗開始前，通過電機系統(tǒng)預設(shè)質(zhì)量塊的具體運動形式(位置、速度和加速度的數(shù)值)、預設(shè)力和運動傳感器采樣開始時刻質(zhì)量塊的運動信息標準，通過測量與分析系統(tǒng)預設(shè)力和運動傳感器的采樣終止時刻和采樣頻率。時變結(jié)構(gòu)動力學實驗具體操作過程如下:步驟3.1，啟動激勵系統(tǒng)，使時變結(jié)構(gòu)處于激勵系統(tǒng)的持續(xù)激勵下。步驟3.2，啟動電機系統(tǒng)，使質(zhì)量塊按預設(shè)的運動形式在簡支梁上滑動。步驟3.3，質(zhì)量塊在簡支梁上滑動的過程中，當質(zhì)量塊的位置或者速度或者加速度運動信息滿足實驗前對采樣開始時刻質(zhì)量塊運動信息的預設(shè)標準時，電機系統(tǒng)中的運動控制器立即通過傳輸電纜向測量與分析系統(tǒng)發(fā)送一個電壓階躍信號，測量與分析系統(tǒng)接收到該電壓階躍信號的同時啟動力和運動傳感器，使其按照預設(shè)的采樣頻率開始采樣。步驟3.4，當采樣時間達到測量與分析系統(tǒng)預設(shè)的終止時刻后，采樣結(jié)束。測量與分析系統(tǒng)把力傳感器采集到的結(jié)構(gòu)所受的激勵信號、運動傳感器采集到的結(jié)構(gòu)動力學響應信號分別存儲，并作為后續(xù)時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的可用數(shù)據(jù)。步驟4，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的可行性與準確性。采用待驗證的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法對步驟3所獲取的可用數(shù)據(jù)進行辨識，并將該方法的辨識結(jié)果與步驟2獲取的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準進行對比，通過比較兩者的誤差來檢驗待驗證辨識方法的可行性與準確性。步驟5，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的魯棒性。改變步驟3中時變結(jié)構(gòu)動力學實驗的實驗條件，如質(zhì)量塊質(zhì)量、質(zhì)量塊運動形式(位置、速度和加速度)、激勵信號類型等，并依次重復步驟3和步驟4的過程，在不同實驗條件下，將待驗證辨識方法所得的辨識結(jié)果與參考基準進行比較，檢驗待驗證辨識方法的魯棒性。有益效果1.本發(fā)明能夠較好地反映時變結(jié)構(gòu)質(zhì)量大小與質(zhì)量分布隨時間變化的不同過程。質(zhì)量塊的質(zhì)量可調(diào)、運動形式精確可控，激勵信號種類豐富，能夠提供多種用于時變結(jié)構(gòu)動力學實驗的實驗條件，有利于對時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的魯棒性進行檢驗。2.本發(fā)明實現(xiàn)了電機系統(tǒng)同測量與分析系統(tǒng)之間的通訊。力和運動傳感器的采樣開始時刻間接地受控于質(zhì)量塊的運動信息，質(zhì)量塊的 運動形式(位置、速度和加速度)則完全受控于電機系統(tǒng)，因此，通過對電機系統(tǒng)內(nèi)部程序進行預設(shè)，可在質(zhì)量塊任意運動過程中的任意時刻開始采樣，采樣終止時刻則通過測量與分析系統(tǒng)加以預設(shè)，實現(xiàn)了在質(zhì)量塊任意運動形式下任意時間段內(nèi)激勵信號和結(jié)構(gòu)動力學響應信號的采集。3.基于對時變結(jié)構(gòu)時變特性的分析，采用時不變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法得到短時時不變假設(shè)下的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，并將其作為檢驗待驗證方法辨識結(jié)果的參考基準，簡
單可靠。


圖1為本發(fā)明中時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識實驗驗證方法的流程圖；圖2為具體實施方式
中時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識實驗驗證方法的實驗系統(tǒng)；圖3為結(jié)構(gòu)固有頻率隨質(zhì)量塊位置的變化規(guī)律；圖4為激勵信號與加速度響應信號的時域表示，其中(a)為力傳感器采集到的激勵信號的時域表示，(b)、(C)、(d)、(e)和(f )依次為該激勵信號下圖1中所示自左向右的五個運動傳感器采集到加速度響應信號的時域表示；圖5為加速度響應信號的時頻分布圖；圖6為基于時頻分布圖的時變結(jié)構(gòu)固有頻率辨識結(jié)果；圖中標號:1-簡支梁、2-滑動質(zhì)量塊、3-激振器、4-功率放大器、5-力傳感器、6-運動傳感器、7-測量與分析系統(tǒng)、8-計算機、9-電機、10-編碼器、11-運動控制器、12-同步繞線器、13-支撐臺體。
具體實施例方式本發(fā)明提出并實現(xiàn)了一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，該實驗驗證方法可用于對時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法進行實驗驗證，特別適用于變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗驗證，能對辨識方法的可行性、準確性和魯棒性進行驗證。為了更好的說明本發(fā)明的目的與優(yōu)點，下面通過具體實例并結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實施方式
。步驟1，設(shè)計并搭建實驗系統(tǒng)。本發(fā)明中時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證的流程圖如圖1所示，基于上述流程圖，設(shè)計并搭建的變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識實驗驗證方法的實驗系統(tǒng)如圖2所示。時變結(jié)構(gòu)中的簡支梁為2000 X 60 X IOmm (長X寬X高)的鋼質(zhì)梁；滑動質(zhì)量塊由多個不同質(zhì)量的金屬片疊加而成，通過增減金屬片的數(shù)量可改變質(zhì)量塊的實際質(zhì)量，其質(zhì)量的可變范圍為2080.0-4865.8g。激勵系統(tǒng)中的激振器選用ModalShop2025E輕型模態(tài)激振器，功率放大器選用Smart Amp 的 2100E21-400 功率放大器。力傳感器選用PCB 的288D01機械阻抗傳感器，運動傳感器選用PCB 的333B30加速度傳感器，沿簡支梁軸向共布置14個加速度傳感器。測量與分析系統(tǒng)選用LMS 的SCADASIII系統(tǒng)，并配置一臺個人計算機用于數(shù)據(jù)的處理及存儲。 電機系統(tǒng)由Faulhaber 的2642W024CR直流微電機，IE2-512電磁編碼器，MCDC3003S運動控制器和同步繞線器組成。電機驅(qū)動同步繞線器轉(zhuǎn)動并以繞線的方式帶動質(zhì)量塊在簡支梁上滑動，通過編碼器和運動控制器對質(zhì)量塊的運動形式(位置、速度和加速度)進行精確控制。用傳輸電纜將運動控制器同測量與分析系統(tǒng)連接，通過質(zhì)量塊的實時運動信息控制力和運動傳感器的采樣開始時刻。支撐臺體由鋁型材搭建而成，為時變結(jié)構(gòu)中的簡支梁提供兩端簡支的邊界條件。步驟2，獲取時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準。把從簡支梁中點到其右側(cè)與中點相距800mm的區(qū)間做80等分，自左向右分別將質(zhì)量塊放置于等分點處，在短時時不變假設(shè)下依次進行81組時不變結(jié)構(gòu)動力學實驗，采用最小二乘頻域法辨識得到結(jié)構(gòu)前5階模態(tài)參數(shù)隨質(zhì)量塊位置的變化規(guī)律。其中，結(jié)構(gòu)固有頻率隨質(zhì)量塊位置的變化規(guī)律如圖3所示，將其作為檢驗待驗證辨識方法的參考基準。步驟3，進行時變結(jié)構(gòu)動力學實驗。時變結(jié)構(gòu)動力學實驗開始前，預設(shè)質(zhì)量塊的質(zhì)量為4865.8g ;通過電機系統(tǒng)預設(shè)質(zhì)量塊的運動形式為50mm/s的勻速直線運動，預設(shè)力和運動傳感器的采樣開始時刻為質(zhì)量塊通過簡支梁中心的時刻；通過測量與分析系統(tǒng)預設(shè)時變結(jié)構(gòu)動力學實驗的采樣時間為16s，采樣頻率為512Hz。時變結(jié)構(gòu)動力學實驗具體操作過程如下:步驟3.1，啟動激勵 系統(tǒng)，激振器持續(xù)輸出帶寬為0-256HZ的隨機激勵，使時變結(jié)構(gòu)處于激勵系統(tǒng)的持續(xù)激勵下。步驟3.2，啟動電機系統(tǒng)，使質(zhì)量塊以50mm/s的速度勻速地從簡支梁左端向右端滑動。步驟3.3，質(zhì)量塊在簡支梁上的滑動過程中，當質(zhì)量塊通過簡支梁中心的瞬間，電機系統(tǒng)中的運動控制器立即通過傳輸電纜向測量與分析系統(tǒng)發(fā)送一個電壓階躍信號，測量與分析系統(tǒng)接收到該電壓階躍信號后立即啟動力和運動傳感器，使其按照512Hz的采樣頻率開始采樣。步驟3.4，當質(zhì)量塊滑動到距離簡支梁中心800mm的位置時，采樣時間達到16s，采樣結(jié)束。測量與分析系統(tǒng)把力傳感器采集到的結(jié)構(gòu)所受的激勵信號、運動傳感器采集到的結(jié)構(gòu)動力學響應信號分別存儲，并作為后續(xù)時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的可用數(shù)據(jù)。其中，激勵信號的時域表示如圖4中(a)所示，圖1中所示自左向右的五個運動傳感器采集到加速度響應信號的時域表示依次如圖4中(b)、(C)、(d)、(e)和(f)所示。步驟4，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的可行性與準確性。以基于時頻分布圖的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法為例，將其作為待驗證辨識方法，并用本發(fā)明中的實驗驗證方法對其進行驗證。對步驟3中獲取的加速度響應信號進行時頻分析，得到平滑偽Wigner-Ville分布的時頻分布系數(shù)，并繪制時頻分布圖，如圖5所示?；谏鲜鰰r頻分布圖，通過加權(quán)最小二乘法辨識得到時變結(jié)構(gòu)固有頻率隨時間的變化規(guī)律，辨識結(jié)果如圖6中實線所示。圖6中圓圈為短時時不變假設(shè)下時變結(jié)構(gòu)固有頻率的參考基準，通過對比辨識結(jié)果(實線)與參考基準(圓圈)可知，基于時頻分布圖的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法能夠較好地對時變結(jié)構(gòu)的低階固有頻率進行辨識。步驟5，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的魯棒性。改變步驟3中時變結(jié)構(gòu)動力學實驗的實驗條件，如質(zhì)量塊質(zhì)量、質(zhì)量塊運動形式(位置、速度和加速度)、激勵信號類型等，并依次重復步驟3和步驟4的過程，在不同實驗條件下用基于時頻分布圖的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法對時變結(jié)構(gòu)的固有頻率進行辨識，并將所得辨識結(jié)果與參考基準進行比較，檢驗該方法的魯棒性。本發(fā)明以變質(zhì)量結(jié)構(gòu)為研究對象，時變特征明顯，且具有明確的物理意義。本發(fā)明可提供多種實驗條件，完成了電機系統(tǒng)同測量與分析系統(tǒng)之間的通訊，實現(xiàn)了在質(zhì)量塊任意運動形式下任意時間段內(nèi)激勵信號和結(jié)構(gòu)動力學響應信號的采集。本發(fā)明基于對時變結(jié)構(gòu)時變特性的分析，采用最小二乘頻域法辨識得到短時時不變假設(shè)下的時變結(jié)構(gòu)固有頻率，并將其作為待驗證方法辨識結(jié)果的參考基準，簡單可靠。通過上述實施方式，可完成對變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗驗證，由此可見，本發(fā)明所提供的變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，技術(shù)方案可行，實施途徑簡明，能對辨識方法的可行性、準確性和魯棒性進行驗證。以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護 范 圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟I，設(shè)計并搭建實驗系統(tǒng)； 用于驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的實驗系統(tǒng)包括時變結(jié)構(gòu)、激勵系統(tǒng)、力和運動傳感器、測量與分析系統(tǒng)、電機系統(tǒng)和支撐臺體； 時變結(jié)構(gòu)包括簡支梁和滑動質(zhì)量塊，通過質(zhì)量塊在簡支梁上的滑動來模擬質(zhì)量分布隨時間變化的時變結(jié)構(gòu)，通過改變質(zhì)量塊的質(zhì)量大小、運動形式來模擬不同時變特性的時變結(jié)構(gòu)； 激勵系統(tǒng)包括激振器和功率放大器，通過設(shè)置輸出信號的類型與幅值來模擬時變結(jié)構(gòu)真實條件下受到的外部激勵； 力和運動傳感器包括力傳感器、運動傳感器，分別用來測量時變結(jié)構(gòu)所受到的激勵信號和該激勵下的結(jié)構(gòu)動力學響應信號； 測量與分析系統(tǒng)用于預設(shè)力和運動傳感器的采樣頻率和采樣時間，并對傳感器采集到的激勵信號和結(jié)構(gòu)動力學響應信號進行處理，為后續(xù)的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識提供可用數(shù)據(jù)；測量與分析系統(tǒng)需配置一臺計算機用于數(shù)據(jù)的處理及存儲； 電機系統(tǒng)包括電機、編碼器、運動控制器和同步繞線器；其中，編碼器和運動控制器控制電機輸出端的運動形式，電機輸出端直接與同步繞線器固連，以繞線的方式驅(qū)動質(zhì)量塊在簡支梁上滑動；電機、編碼器和運動控制器構(gòu)成閉合回路，對電機輸出端和質(zhì)量塊的運動形式進行精確控制；通過電機系統(tǒng)預設(shè)力和運動傳感器采樣開始時刻質(zhì)量塊所需滿足的運動信息標準，滑動過程中，當質(zhì)量塊的位置或者速度或者加速度信息滿足該預設(shè)運動信息標準時，電機系統(tǒng)中的運動控制器立即通過傳輸電纜向測量與分析系統(tǒng)發(fā)送一個電壓階躍信號，測量與分析系統(tǒng)接收到該電壓階躍信號后立即啟動力和運動傳感器開始采樣，采樣終止時刻則通過測量與分析系統(tǒng)預設(shè)； 支撐臺體支撐時變結(jié)構(gòu)，提供時變結(jié)構(gòu)所需的邊界條件；` 上述組成的連接關(guān)系為:將時變結(jié)構(gòu)中的簡支梁安裝在支撐臺體上，質(zhì)量塊安裝在簡支梁上；質(zhì)量塊與同步繞線器通過細線相連；將力傳感器和運動傳感器粘接到簡支梁下表面，并分別通過傳輸電纜同測量與分析系統(tǒng)連接，力傳感器與激振器相連，激振器則通過功率放大器間接地同測量與分析系統(tǒng)相連；電機系統(tǒng)中的運動控制器通過傳輸電纜同測量與分析系統(tǒng)相連，且運動控制器、測量與分析系統(tǒng)均通過傳輸電纜與計算機相連； 步驟2，獲取時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準； 基于短時時不變假設(shè)，將步驟I中質(zhì)量塊在簡支梁上的滑動過程劃分為多個微小時間段，每一個時間段的結(jié)構(gòu)特性設(shè)為時不變，采用現(xiàn)有的時不變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法對每一個時間段進行辨識，將得到的模態(tài)參數(shù)作為該時間段內(nèi)質(zhì)量塊通過對應位置時的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準； 步驟3，進行時變結(jié)構(gòu)動力學實驗； 在實驗開始前，通過電機系統(tǒng)預設(shè)質(zhì)量塊的具體運動形式、預設(shè)力和運動傳感器采樣開始時刻質(zhì)量塊的運動信息標準，通過測量與分析系統(tǒng)預設(shè)力和運動傳感器的采樣終止時刻和采樣頻率； 時變結(jié)構(gòu)動力學實驗具體操作過程如下: 步驟3.1，啟動激勵系統(tǒng)，使時變結(jié)構(gòu)處于激勵系統(tǒng)的持續(xù)激勵下；步驟3.2，啟動電機系統(tǒng)，使質(zhì)量塊按預設(shè)的運動形式在簡支梁上滑動； 步驟3.3，質(zhì)量塊在簡支梁上滑動的過程中，當質(zhì)量塊的位置或者速度或者加速度運動信息滿足實驗前對采樣開始時刻質(zhì)量塊運動信息的預設(shè)標準時，電機系統(tǒng)中的運動控制器立即通過傳輸電纜向測量與分析系統(tǒng)發(fā)送一個電壓階躍信號，測量與分析系統(tǒng)接收到該電壓階躍信號的同時啟動力和運動傳感器，使其按照預設(shè)的采樣頻率開始采樣； 步驟3.4，當采樣時間達到測量與分析系統(tǒng)預設(shè)的終止時刻后，采樣結(jié)束；測量與分析系統(tǒng)把力傳感器采集到的結(jié)構(gòu)所受的激勵信號、運動傳感器采集到的結(jié)構(gòu)動力學響應信號分別存儲，并作為后續(xù)時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的可用數(shù)據(jù)； 步驟4，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的可行性與準確性； 采用待驗證的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法對步驟3所獲取的可用數(shù)據(jù)進行辨識，并將該方法的辨識結(jié)果與步驟2獲取的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的參考基準進行對比，通過比較兩者的誤差來檢驗待驗證辨識方法的可行性與準確性； 步驟5，驗證時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法的魯棒性； 改變步驟3中時變結(jié)構(gòu)動力學實驗的實驗條件，如質(zhì)量塊質(zhì)量、質(zhì)量塊運動形式、激勵信號類型等，并依次重復步驟3和步驟4的過程，在不同實驗條件下，將待驗證辨識方法所得的辨識結(jié)果與參考基準進行比較，檢驗待驗證辨識方法的魯棒性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:所述運動形式為位置、速度、加速度中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:激振器用于輸出不同類型的帶寬信 號或者單頻信號，功率放大器用于對輸出信號的幅值進行調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:力傳感器選用能同時測量力和加速度的機械阻抗傳感器；運動傳感器選用位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:編碼器為安裝在電機軸上的多極永久磁環(huán)，與電機集成為一體，運動控制器通過傳輸電纜與編碼器信號輸入端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，其特征在于:所述現(xiàn)有的時不變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法為模態(tài)參數(shù)辨識領(lǐng)域內(nèi)受到廣泛認可的辨識方法；包括時域方法中的最小二乘復指數(shù)法，頻域方法中的最小二乘頻域法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識的實驗驗證方法，屬于結(jié)構(gòu)動力學模態(tài)參數(shù)辨識技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計并搭建一種質(zhì)量大小與質(zhì)量分布隨時間變化規(guī)律精確可控的時變結(jié)構(gòu)；在短時時不變假設(shè)下對時變結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行辨識，得到其模態(tài)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律作為參考基準；進行時變結(jié)構(gòu)動力學實驗，測量該時變結(jié)構(gòu)在指定激勵下的結(jié)構(gòu)動力學響應信號；用待驗證方法對測量數(shù)據(jù)進行辨識，并將辨識結(jié)果與參考基準進行比較，驗證該方法的可行性與準確性；在不同的實驗條件下對比待驗證方法的辨識結(jié)果與參考基準，驗證該方法的魯棒性，方法簡單可靠。
文檔編號G01M7/02GK103226054SQ20131014930
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者劉莉, 馬志賽, 周思達, 楊武, 姜頔 申請人:北京理工大學