專利名稱：基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法
技術領域：
本發明涉及一種大型結構試驗模態分析技術，尤其是一種輸電塔模態參數識別方法。
背景技術：
大型結構試驗模態分析技術是新世紀開展起來的結構健康安全評估的有效方法之一。針對輸電線路鐵塔原型動力特性與動力響應現場實測是近年才開展起來的。由于試驗人員在輸電塔原型高壓電場附近高空作業，測量工作條件十分困難；微風時振動信號微弱，對測量傳感器及儀器的信噪比要求高；整塔模態試驗為了獲得較可靠的振形，需要較多的測點，對傳感器及數采儀要求通道數很多。因此，目前有關輸電塔原型的振動模態現場實測據甚少，整塔的試驗模態分析工作幾乎是空白，個別研究工作只做了一階彎曲模態。對橋梁、建筑物、輸電塔等大型結構進行模態試驗，無論是正弦、隨機或者脈沖方式的人為激勵都是不可能或不允許的。但是任何大型結構物都存在一定的振動環境，例如風、水流沖擊、大地脈動、移動的車輛引起的振動等，在這些自然環境的激勵下，結構物都會產生微弱的振動。在強風作用，輸電鐵塔的環境振動還可能是很大的。雖然我們對這些激勵特性無法精確定量，但并非一無所知，可合理的假定這些激勵是近似的平穩隨機信號，其頻譜是具有一定帶寬的連續譜，在帶寬內基本覆蓋了對結構物感興趣的頻帶，從而在結構物的自然環境激勵下的振動信號中包含了這些模態。對結構物振動信號中的振型、阻尼進行識別，可以為后續的有限元建模、損傷和安全壽命估計等提供可靠的模態參數識別結果。目前流行且在工程上比較有效地獲得的自然環境激勵下的振型的方法是將全部測點在環境激勵下的振動響應和某一固定的參考點的振動響應分別作雙通道頻譜分析。首先在自功率譜圖上識別出共振頻率再將各測點與參考點在共振頻率上的幅值譜之比Φ (fi)作為該點的振型的相對值，將它們的互功率譜的實部在此頻率上的正負作為該點振型的相位。
權利要求
1.基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于其包括以下步驟1)在輸電塔上設置一個參考點和多個測量點，分步采集環境激勵下參考點和測量點的振動響應信號，計算其自功率譜和互功率譜；2)由該互功率譜得到互相關序列組成hankel矩陣；3)計算該hankel矩陣的投影矩陣；4)對該投影矩陣加權處理；5)對步驟4)中加權處理后的投影矩陣進行奇異值分解；6)根據隨機子空間理論計算輸電塔系統的離散狀態空間方程的卡爾曼濾波狀態向量；7)根據輸電塔系統離散狀態空間方程求解系統狀態矩陣和輸出矩陣；8)根據系統狀態矩陣和輸出矩陣求解系統模態參數；9)重復步驟7)和8)，獲得不同階次的輸電塔系統的模態參數，建立系統模態參數的穩定圖。
2.根據權利要求1所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于所述步驟2)中組成的hankel矩陣為該Hankel矩陣是由測量點的響應數據yk組成的2mi X j矩陣，yi表示i時刻所有測量點的響應，下標P表示過去，下標f表示將來，Yp = You-!為Hankel矩陣第一列中的下標起始為0，終點為i-Ι的元素對應的所有的行和列組成的Hankel矩陣的塊，表示過去行空間， Yf = Yi-H2i-!為Hankel矩陣的后i行，表示將來行空間。
3.根據權利要求2所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，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)求振動響應信號的將來行空間到過去行空間的投影Oi,求解公式為O1 =% =YfYTP(YPYTPnP式中，(·)+表示矩陣求廣義逆，(·)τ表示矩陣求轉置；3. 2)根據隨機子空間理論，所識別輸電塔系統的離散狀態空間方程為vk+l=Axt+ ρYk = Cxk+ P V式中A，C分別表示nXn階系統狀態矩陣和mXn階輸出矩陣，該離散狀態空間方程的階次為n，P w，P v分別為過程噪音和測量噪音；Xk為k時刻的系統狀態向量，yk為k時刻系統的振動響應向量；系統模態參數由系統狀態矩陣A的特征值和特征向量，以及系統輸出矩陣C表示；.3.3)根據隨機子空間識別理論，投影矩陣Oi可以分解為可控可觀矩陣Γ i和卡爾曼濾波狀態向量t的乘積，即
4.根據權利要求3所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于步驟4)中采用主分量PC方法對投影矩陣進行加權處理，其方法是首先，設加權矩陣為
5.根據權利要求4所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于步驟幻對步驟4)中加權處理后的投影矩陣進行奇異值分解的步驟為5.1)對投影矩陣進行奇異分解，確定投影矩陣的系統階數
6.根據權利要求5所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于由
7.根據權利要求6所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于由于卡爾曼濾波狀態向量和振動響應數據已知，ρ ，Ρ ,和！；相互獨立，利用數值計算領域廣泛應用的最小二乘法求解輸電塔系統離散狀態空間方程，得到線性方程:
8.根據權利要求7所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于所述步驟6)還包括以下步驟6. 1)對系統狀態矩陣A進行特征值分解
9.根據權利要求8所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于步驟9)中建立穩定圖并識別系統穩定、正確模態參數的方法為設所識別輸電塔系統的離散狀態空間方程階次為n，得到多個不同階次的離散狀態空間方程，對每個方程進行模態參數識別，將得到的所有模態參數繪制在二維坐標圖中，坐標圖的橫坐標為頻率值，縱坐標為輸電塔系統離散狀態空間方程的階次，便可得到穩定圖；穩定圖把不同階次方程的模態參數畫在同一幅圖上，在相應于系統某階固有頻率的軸上，高一階狀態空間方程識別的模態參數同低一階狀態空間方程識別的模態參數相比較， 如果固有頻率、阻尼比和模態振型的差異小于預設的限定值，則這個點就稱為穩定點，穩定點組成的軸為穩定軸，相應的模態參數即為系統的模態參數；限定值取固有頻率< 1%，阻尼比< 5%，模態振型< 2%，即穩定軸要求為
10.根據權利要求1所述的基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法，其特征在于所述步驟2)中設參考點為j，響應點數為i，兩點之間的互相關函數的表達式為
全文摘要
本發明公開了基于改進子空間算法的輸電塔模態參數識別方法對大跨越輸電塔結構，在野外環境激勵下，單獨利用響應數據完成結構的模態參數識別。識別過程在隨機子空間識別原理的基礎之上，實現了將多組分組響應數據整合為同步的脈沖響應數據，整合后的數據避免了分組識別帶來的擬合誤差，實現了數據的同步整體識別，最后利用不同系統階數下的模態參數識別結果構建穩定圖，解決了環境激勵下模態參數識別的定階問題，避免了峰值法等傳統方法的模態遺漏和重復現象，給出更加準確穩定的識別結果，并為后續的結構損傷檢測和壽命估計奠定了基礎。
文檔編號G01N29/12GK102520071SQ201110428858
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者劉曉鋒, 盧修連, 孫和泰, 黃磊 申請人:江蘇方天電力技術有限公司