[發明專利]一種利用聚類自動提取結構模態參數的方法

在審

• 申請號: 201810159710.7
• 申請日: 2018-02-26
• 公開（公告）號: CN108388915A
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發明（設計）人: 楊小梅;伊廷華;曲春緒;李宏男
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于結構健康監測技術領域，提出了一種利用聚類自動提取結構模態參數的方法。首先，利用自然激勵技術結合特征系統實現算法獲取結構隨機響應在不同計算階次下的模態參數；然后，依據物理模態穩定和相似度高，而虛假模態不穩定和相似度低這一特性，以相鄰計算階次下兩個最相似模態的不相似度作為較低階次下模態的特征，進行模糊C均值聚類，自適應地獲取具有高相似度的穩定模態類；最后，對其進行層次聚類，將出現在不同計算階次且具有相同模態參數的模態劃分為一類，以此類推可獲取結構的每一個物理模態。該發明通過對模態不相似度而非模態參數本身進行聚類來獲取穩定模態，無需人工參與。

技術領域

本發明屬于結構健康監測領域，涉及工程結構模態參數自動提取方法。

背景技術

結構模態參數的變化可以反映工程結構的健康狀況，為了掌握結構的服役 性能，實時獲取結構的模態參數十分必要。在現有研究中，參數化模態識別方 法由于其具有明確的物理參數模型而被廣泛應用，如最小二乘復頻域法、隨機 子空間法和特征系統實現算法等。然而，這些方法在使用時大多需要主觀經驗， 以特征系統實現算法為例，環境噪聲的存在使算法的模型定階比較困難，階次 過低將造成模態遺漏，而階次過高造成虛假模態。要準確提取結構物理模態， 一般需要結合穩定圖來分析。穩定圖以頻率為X軸，計算階次為Y軸，將各個 階次下獲取的模態對應的頻率顯示出來。由于在各個計算階次下同一個物理模態具有基本一致的模態參數(頻率、振型、阻尼比)，而虛假模態間會具有較大 的偏差，因此可以通過設置模態參數偏差閾值來判斷模態的穩定性。對于相鄰 計算階次下模態參數偏差小于閾值的模態可認為是穩定模態，如果具有相同模 態參數的穩定模態在各個計算階次下均出現，則認為有更大的可能性為物理模 態。然而，模態參數偏差的閾值需要根據主觀經驗來確定；此外，從已經確定 為穩定模態的序列中選擇物理模態也需要手動執行，而對于復雜環境下的大型 結構，人工選取的工作量大且主觀性強。

為減少主觀經驗對選取穩定圖中物理模態的影響，基于聚類的方法得到大 量應用，但目前的聚類算法大多是對已經在穩定圖中通過設定閾值判別為穩定 的模態進行自動歸類，即穩定圖中閾值的設置仍然需要專業人員結合實際工程 結構的特性、環境干擾程度以及模態識別算法的穩定性等多種因素依靠經驗來 設定。因此，在穩定圖中不設閾值，自適應的區分穩定和不穩定模態具有十分 重要的工程意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種自動提取結構物理模態參數的方法，解決識別中 由于人工參與造成識別結果主觀性強和難以實時識別的問題。

本發明的技術方案是：提出一種結構物理模態自動提取方法，其特點是利 用自然激勵技術結合特征系統實現算法獲取結構隨機響應在不同計算階次下的 模態參數；對于指定計算階次下的每一個模態，在與其相鄰的計算階次下找到 與此模態最相似的模態，獲取兩者的不相似度(頻率、振型和阻尼比偏差)作 為此模態的特征，依據物理模態相對穩定和相似度高，而虛假模態不穩定和相 似度低這一特性，對獲取的每一個模態的特征進行模糊C均值聚類，自適應地 劃分具有高相似度的穩定模態類和低相似度的不穩定模態類；然后對獲取的穩 定模態類進行層次聚類，將出現在不同計算階次且具有相同模態參數的模態劃 分為一類，從而實現自動獲取結構的每一個物理模態。

本發明的技術方案：

一種利用聚類自動提取結構模態參數的方法，步驟如下：

步驟一：獲取不同計算階次下模態參數

(1)利用自然激勵方法處理結構響應Y(t)＝[y(t),y(t+1),…,y(t+N)]，其 中y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_z(t)]^T，N為樣本時程點數，z為傳感器個數；選定參 考響應，獲得各個時間延遲下的相關函數r(τ)；

(2)利用相關函數矩陣構造如下形式的Hankel矩陣H_ms(k-1)和H_ms(k)：