[發明專利]基于改進EMD和ARMA模型的結構響應分析方法

有效

• 申請號: 201010301210.6
• 申請日: 2010-02-04
• 公開（公告）號: CN101901209A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 姜紹飛;付春;吳兆旗
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F17/14
• 分類號: G06F17/14
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及一種利用結構振動響應進行信號分析與模態參數識別的技術，特別是一種基于改進EMD和ARMA模型的結構響應分析方法。

背景技術

近年來，隨著地震、颶風等自然災害的頻繁發生以及結構使用性能的下降，使得人們對結構的安全狀況愈加重視。基于振動的損傷識別方法由于簡單、快速、經濟得到了日見廣泛地應用。然而工程實踐中常常要對復雜的結構進行系統識別，這要求獲得完整的輸入激勵信息，而許多時候很難獲得輸入激勵。例如大跨度橋梁、海洋結構、高層建筑等結構無法施加激勵時，也就意味著激勵無法測到，僅能通過傳感器測到結構在風荷載、交通荷載、地脈動等作用下的環境激勵，利用頻域方法則無法對其進行有效的識別。因此，直接利用響應的時域信號進行參數識別無疑是很有意義的。近年來直接利用環境激勵下的振動響應數據進行模態參數識別在各個研究領域中引起了高度重視。

目前，常用的環境激勵下的模態參數識別方法有：頻域分解法、時間序列法、隨機減量法、NExT法和隨機子空間法等。這些方法都假定環境激勵為白噪聲，是對環境激勵的理想化和便于數學處理。但實際情況一般是非穩態激勵。對于非???????????????????穩態環境激勵下的模態參數識別問題，很多專家、學者一直在探索和研究。研究中所遇到的困難首先是數學上對非穩態環境激勵下結構的響應難以處理。HHT方法是新興的一種適合于處理非線性、非穩態信號的信號處理方法，其核心是EMD(經驗模態分解)，該法一經提出就在各個領域得到了廣泛應用。但由于EMD本身存在的一些缺陷，如模態混疊、端點效應及虛假模態、IMF判據等問題，嚴重阻礙了該方法的進一步應用和發展。將響應間互相關函數代替傳統時域模態分析法中的自由振動響應或脈沖響應函數的NExT法(自然激勵技術)是目前基于環境激勵的時域模態參數識別工作中較常用的一種方法。其基本思想是白噪聲環境激勵下結構兩點之間響應的互相關函數和脈沖響應函數有相似的表達式，求得兩點之間響應的互相關函數后，運用時域中模態識別方法進行模態參數識別。時間序列法ARMA模型(自回歸滑動平均模型)識別模態參數的原理是根據結構的脈沖響應數據利用ARMA法來建模，模擬結構的脈沖響應進而識別出結構的模態參數。具有無能量泄漏、抗噪性強、識別精度高的優點，缺點是模型的階次很難確定。

鑒于以上情況，本發明提出將改進EMD與NExT/ARMA相結合來進行非線性、非穩態信號模態參數的識別，以解決非穩態信號和無輸入激勵的實際難題。該法可以很好地解決EMD和ARMA模型階次難以確定的缺陷。通過該方法可以更準確地識別出結構的模態參數(頻率、阻尼比)。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于改進EMD和ARMA模型的結構響應分析方法，該方法不僅能夠很好地處理多自由度、非自由振動、非線性、非穩態的響應信號和進行模態參數識別，而且有利于提高數據的信噪比和抗干擾能力，增強模態參數識別準確性。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種基于改進EMD和ARMA模型的結構響應分析方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：應用改進EMD得到信號的IMFs組；

步驟二：利用NExT技術將IMFs轉化為呈自由衰減變化的單階互相關函數；

步驟三：將得到的單階互相關函數作為結構的自由振動響應，應用時間序列法ARMA模型識別結構的模態參數，所述模態參數包括頻率、阻尼比。

在步驟一中，應用改進EMD得到信號的IMFs組包括以下步驟：

(1)將信號根據快速傅立葉變換初步估計出每一個固有頻率的大致范圍，并使信號通過每一個指定頻帶的帶通濾波器，即從結構響應信號的傅立葉譜中，估計出每一個固有頻率的大致范圍：v_jL＜v_j＜v_jH(j＝1，2，？n)，之后使信號通過每一個以v_jL＜v_j＜v_jH作為頻率帶的帶通濾波器；需要注意的是頻率范圍的取值要盡可能的小；

(2)對通過第j個帶通濾波器過濾得到的信號進行經驗模態分解，可獲得一個本征模函數，對j＝1，2，…，n重復進行n次該過程，獲得n個所要求的模態響應，從而分離出模態響應并將指定頻帶范圍以外的所有噪聲全部去除；