专利名称：基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法
技术领域：
本发明属于模态参数识别领域，具体涉及到一种基于复小波连续变换的模态参数识别方法，通过冲击响应信号来进行模态频率和阻尼比的识别。
背景技术：
模态参数识别是从测试所得信号中准确估计振动系统的模态参数，包括模态固有频率、模态阻尼比等。传统的模态参数识别方法分为时域法和频域法，不能同时利用数据的时域和频域信息，因此参数识别的精度受到了限制。此外，传统的参数识别方法须同时测得激励信号和响应信号，但在实际工程应用中，特别是对于大型结构，在环境激励等情况下有时难以获得输入激励。因此，直接利用振动响应数据进行模态参数识别日趋重要。小波分析是傅立叶分析思想的发展与延拓，是一种信号的时频分析方法，它具有多分辨分析的特点，而且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力。小波既可以处理输入一输出信号，又可以单独处理响应信号，方便了试验信号的采集。传统的模态参数识别方法对噪声比较敏感，且只能处理稳态信号。小波分析各尺度的小波函数具有不同的频带范围和频率中心，相当于对信号进行带通滤波，这样不同尺度对应着不同的频率段。小波变换系数表示了小波与信号相似的程度，小波系数越大说明相似程度越高。对于参数识别，若某一尺度对应的系数最大，则表示该阶模态对小波系数的贡献最大。小波变换处理信号的优势，使之成为一种实现参数辨识的有效途径。P.Argoul等引入Cauchy小波用来识别模态频率、振型和阻尼比；T-P.Le等对系统的自由响应进行连续小波变换，识别结构模态参数；何正嘉等利用经验模式分解和Laplace小波相关滤波相结合的方法进行模态参数识别；张令弥等提出了基于改进Morlet小波的模态参数识别方法对识别密集模态具有良好的效果，并且在环境激励下以互相关函数代替系统的自由响应数据，给出了基于Morlet小波变换的频率、阻尼比的参数识别方法。然而，在连续小波进行参数辨识时，最佳模态尺度的选择对识别结果的准确性有重要的影响。本发明涉及了一种基于复小波连续变换的模态参数识别方法，能直接用结构的响应信号进行参数识别，将时间平均小波能量谱应用到尺度选择中，通过提取特定尺度下小波变换系数的幅值和相位分量来识别频率和阻尼比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数识别方法，其改进了最佳尺度选取的方法，将时间平均小波能量谱应用到识别中，从而对模型阶数及各阶模态对应尺度的选取进行量化，能精确找到进行参数识别的尺度。本发明的技术方案包括采集结构的振动响应信号、对信号进行连续小波变换、参数预识别、确定最佳尺度、提取瞬时幅值和瞬时相位、线性拟合计算模态参数等步骤。具体实现参数识别的步骤如下:
(I)采用锤击或扫频法进行结构激励，加速度传感器对结构进行测量，采集结构的脉冲响应信号作为待分析信号；(2)对信号进行连续小波变换，得到不同小波变换域(实、虚、模、相位)的小波系数分布特征。对于连续小波，某一尺度对应的是一个频域段，一般称为伪频率。
权利要求
1.一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (1)针对机械结构进行锤击或扫频激励，仅利用加速度传感器测量结构的振动响应，并保存脉冲响应信号用于后续分析； (2)对脉冲响应信号进行复小波连续变换，得到不同小波变换域的小波变换系数分布特征； (3)利用小波变换系数求取时间平均小波能量谱，并由尺度与频率的对应关系来实现丰吴态频率的预识别，进而确定最佳尺度； (4)采用小波截面法提取模态阶次对应尺度下的小波变换系数切片，根据其幅值、相位分量进行线性拟合来得到结构的固有频率和阻尼比。
2.根据权利要求1所述的一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中复小波连续变换中:首先确定参数带宽fb，小波中心频率f。，从而确定复小波连续变换的基函数，对于连续小波，某一尺度对应的是一个频域段，一般称为伪频率，其由下述公式得到，
3.根据权利要求1所述的一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，，其特征在于，所述步骤(3)中确定最佳尺度的方法为: (3.1)由复小波连续变换的实部或虚部或模值系数矩阵计算时间平均小波能量谱； (3.2)将各测点的时间平均小波能量谱进行集总显示，搜索能量谱中的局部峰值点，进而确定其对应的最佳尺度； (3.3)由尺度与伪频率的对应关系，对步骤(3.2)中的最佳尺度进行固有频率的预识另O，进而确定模态参数识别所需的尺度信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，其特征在于，所述步骤(3)中求取时间平均小波能量谱的公式为:
5.根据权利要求1所述的一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，其特征在于，所述步骤(4)中实现参数辨识的具体方法如下: 提取模态阶次对应尺度下的小波变换系数切片，对其瞬时幅值求对数，再求微分得到系数= - ζ ωη，并对瞬时相位求微分得到系数k2 = ^再由吟二吨^/^的关系获得对应阶次的固有频率和阻尼比。
全文摘要
本发明涉及一种基于响应信号时频联合分布特征的模态参数辨识方法，直接利用结构的振动响应进行信号分析和结构的模态参数辨识。首先对结构的响应信号进行复小波连续变换，得到不同小波变换域(实、虚、模、相位)的能量分布特征；利用小波变换系数求取时间平均小波能量谱，从而对模型阶数及各阶模态对应尺度的选取进行量化；在此基础上，获得参数辨识所需的最佳尺度，由尺度与频率的对应关系实现模态频率的预识别；最后提取特定尺度下的小波变换系数切片，利用幅值和相位分量进行线性拟合实现结构的固有频率和阻尼比的辨识。仿真与实验结果均表明，即便不计入外界激励作用，利用本发明所涉方法仍能实现结构模态参数的精确辨识。
文档编号G01H17/00GK103217213SQ20131005540
公开日2013年7月24日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者张建宇, 杨洋, 马金宝, 胥永刚, 张随征, 刘鑫博 申请人:北京工业大学