基于卡尔曼滤波和部分观测的结构非线性行为识别研究

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1、学校代号10532学号S150100131分类号TU03密级公开硕士学位论文基于卡尔曼滤波和部分观测的结构非线性行为识别研究学位申请人姓名程骄阳培养单位土木工程学院导师姓名及职称许斌教授学科专业土木工程研究方向结构非线性行为识别论文提交日期2018年5月28日学校代号：10532学号：S150100131密级：公开湖南大学硕士学位论文基于卡尔曼滤波和部分观测的结构非线性行为识别研究学位申请人姓名：程骄阳导师姓名及职称：许斌教授培养单位：土木工程学院专业名称：土木工程论文提交日期：2018年5月28日论文答辩日期：2018年5月31日答辩委员会主席：李正农教授Stru

2、cturalnonlinearbehavioridentificationbasedonKalmanFilterandpartialmeasurementsbyCHENGJiaoyangB.E.(WuhanUniversityofScienceandTechnology)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinCivilEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySuper

3、visorProfessorXUBinMay,2018湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部

4、或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I基于卡尔曼滤波和部分观测的结构非线性行为识别研究摘要基于结构动力响应的损伤识别和性能评估是结构健康监测的重要部分。非线性行为广泛存在于土木工程结构之中，尤其在结构出现损伤之后。对结构的非线性行为进行识别，有助于直观描述结构损伤的发生发展过程，并对结构耗能进行定量评估，对结构进行损伤识别具有重要意义。由于实际工程结构的非线性行为的

5、参数化模型难以事先准确预知，结构质量不确定，动力响应观测量不完备，研究结构动力响应观测不完备情况下结构非线性行为的免模型识别方法具有重要意义。本文以卡尔曼滤波类算法为基础，结合其他算法理论，提出了仅利用部分观测信息，在结构质量与非线性恢复力模型未知情况下结构非线性行为识别方法，并通过数值模拟和实验验证该方法的可行性和非线性行为识别效果。主要研究内容如下：（1）在算法推演中介绍了卡尔曼滤波算法、最小二乘估计（Leastsquareestimation,LSE）的参数识别法和基于二重切比雪夫多项式（DoubleChebyshevPolynomials,DCP）模型的非线

6、性恢复力表示方法，分析了各自的优势和局限，为后续非线性行为识别研究提供理论基础。（2）结合扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalmanFilter,EKF)和LSE，提出了部分观测和质量未知情况下的结构非线性行为识别方法。在数值模拟中，分别在4自由度的链式结构中引入Duffing振荡器和Bouc-Wen磁流变阻尼器形成非线性系统，考虑不同质量初始误差和环境噪声的影响，验证了该算法的有效性和鲁棒性。（3）以适用于强非线性问题的无迹卡尔曼滤波算法(UnscentedKalmanFilter,UKF)为基础，引入等价线性理论和DCP模型，提出基于部分观测的结构质量和非线性

7、恢复力的免模型识别算法。以一个含有Bingham磁流变阻尼器的非线性数值模型为例，考虑不同激励位置，不同动力响应观测位置以及测量噪声影响，验证了该算法的识别效果。（4）在一个4层钢框架模型中安装形状记忆合金（Shapememoryalloy,SMA）阻尼器模拟非线性结构，基于部分动力响应测量验证所提出的免模型结构非线性行为识别算法对阻尼器阻尼力的识别效果。分析对比结构未知动力响应与阻尼力识别结果与实测值，验证了所提出算法的识别效果。关键词：损伤识别；非线性行为识别；卡尔曼滤波；部分观测；免模型；质量分布；磁流变阻尼器II硕士学位论文AbstractStructu