时变结构模态参数的时域辨识方法及在线辨识技术研究

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1、时变结构模态参数的时域辨识方法及在线辨识技术研究杨武2015年1月中图分类号：V414UDC分类号：629.7时变结构模态参数的时域辨识方法及在线辨识技术研究作者姓名杨武学院名称宇航学院指导教师刘莉教授答辩委员会主席任革学教授申请学位级别工学博士学科专业飞行器设计学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015.1.18StudyonModalParameterEstimationandOn-LineIdentificationTechnologyforLinearTime-VaryingStructuresinTime-domainCa

2、ndidate:YANGWuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringSupervisor:Prof.LIULiChair,ThesisCommittee:Prof.RENGe-XueDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:FlightVehicleDesignDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyDateofDefence:Jan.18,2015北京理工大学博士学位论文摘要随着航空航天器应用领域的不断拓展，为适

3、应飞行器结构分析与设计更为严苛和极限的要求，结构的时变特性不容忽视。由于时变结构的模态参数能用于结构动力学性能的评价、载荷辨识、模型修正、结构健康监测、结构故障诊断、结构振动控制等方面的应用。因此，近年来针对航空航天器时变结构的模态参数辨识研究逐渐成为航空航天结构动力学研究领域的热点，具有很高的研究价值。本文对时变结构模态参数辨识方法及在线辨识技术展开研究。从时域着手，针对时域辨识模型和方法的三个核心问题：预测方向问题、模型结构选择问题和在线辨识问题，开展深入研究，主要包括以下几个方面：（一）对航空航天器结构的时变特性、时变结构模态参

4、数辨识研究的意义和国内外研究现状进行了完整的总结和论述，为进行时变结构模态参数辨识理论和实验研究提供必要参考，并详细阐述了时域辨识模型和方法中三个核心问题，为本文的后续研究提供支持。（二）总结了线性时变系统的基本理论，介绍了线性时变系统的定义、模型表示、系统极点的定义和性质等，分别从时域和频域上介绍了时变系统快慢的定性判定准则，介绍了线性时变结构的辨识模型及其特性，并探讨了时变结构模态参数的存在性、适用性等，为时变结构模态参数辨识提供了理论依据和前提假设。（三）针对预测方向问题，提出了一种前后向线性预测的时变结构模态参数辨识方法。该方

5、法将辨识模型从单输出形式拓展为多输出形式，建立前后向线性预测模型，并发展了相应的参数估计算法。仿真结果表明该辨识方法抗噪声能力更强，消除低采样率情况下的时移误差，并可进一步地运用于工作参考向量和反共振点的辨识。（四）针对模型结构选择问题，提出了基于无网格形函数的时变结构模态参数辨识方法。借鉴无网格法中构造形函数进行局部近似的思想，建立并发展了能自适应响应特征的辨识模型及相应的参数估计算法：一方面，为解决传统的移动最小二乘形函数的数值问题，引入带权正交基函数，提出了一种改进的移动最小二乘时变结构模态参数辨识方法，仿真结果表明该方法无数值

6、问题、辨识过程稳定且精度高；另一方面，为进一步提高局部时变特征跟踪能力，提出了一种基于移动Kriging形函数的时变结构模态参数辨识方法，建立了基于优化的模型估计框架，将辨识问题分解成两个子问I北京理工大学博士学位论文题：模型参数的两步最小二乘估计和形状参数的离散连续混合优化，仿真结果表明对局部时变特征的估计精度更高。（五）针对在线辨识问题，提出了一种核自适应滤波的时变结构模态参数在线辨识方法。为解决基函数的在线递推问题，该方法从紧支的基函数着手利用核函数在线递推更新思想，建立并发展了基于核函数的辨识模型以及相应的滑动窗核递推最小二乘

7、和改进的滑动窗核递推最小二乘的在线估计算法。仿真结果表明此方法相比于传统递推方法精度更高、对多通道信号辨识更高效，为工程时变结构的在线辨识提供递推算法支持。（六）搭建了一个基于可移动质量块两端简支梁的时变结构，分别进行了“特征冻结”结构的参考实验和质量块连续移动的时变结构动力学实验。通过实验验证了本文以上所提出的时变结构模态参数辨识方法的有效性。关键词：时变结构；模态参数辨识；时域；参数化；时变时间序列模型；前后向线性预测；两步最小二乘；无网格形函数；移动最小二乘法；移动Kriging；在线辨识；核自适应滤波；模态实验II北京理工大学

8、博士学位论文AbstractWiththecontinualexpansionofapplicationsinthefieldofaerospacestructures,itisnecessarytoresearchfu