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环境激励下时变系统模态参数分析方法研究

作　者: 赵玉波
导　师: 郑敏
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 环境激励时变系统模态分析信号处理参数辨识经验模态分解第二代小波分析
分类号: V267
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着传感技术、无线通讯技术、微处理技术、信号采集与处理、信息融合以及系统建模等技术的发展,基于结构振动信息的航空器运行状态和健康状态监测及诊断技术已经成为一个研究热点。本文主要针对结构出现损伤或机械系统出现故障时模态参数相应发生改变的特点,研究如何利用工作环境激励下采集到的系统振动响应信息进行信号处理和分析,继而对反映系统运行状态和故障特征的模态参数进行辨识,为航空器的安全保障提供重要信息。为此,本文进行了如下研究:(1)研究了基于第二代小波分析的参数辨识方法。通过对信号进行多级小波分解,得到各子带数据,然后根据相位信息提取各子带数据的小波脊线来描述原始信号的模态参数,通过对信号模态参数的识辨实现系统的模态分析。(2)研究了基于EMD与Hilbert变换的参数辨识方法。信号经EMD分解后各分量IMF都是平稳的,可以进一步进行Hilbert变换得到Hilbert谱,由此得到的Hilbert谱能准确的反应出物理过程中模态参数在各种频率尺度及时间上的分布。根据信号的局部时变特性进行自适应的时频分解,消除了人为因素,并具有较高的时频分辨率和良好的时频聚集性。(3)研究了基于第二代小波分析与Hilbert变换相结合的参数辨识方法。Hilbert变换法是最早出现的信号模态分析的时频方法,对信号经过第二代小波包分解得到的单尺度子带信号进行Hibert变换得到系统的模态参数,从而实现对系统的模态分析。(4)提出了基于EMD与第二代小波相结合的参数辨识方法。这种方法集EMD分解与第二代小波分析的优点于一身,首先对振动产生的信号进行奇异值分解去噪处理,克服了二代小波分析对噪声比较敏感的问题,然后应用相关系数法去除EMD分解过程中产生的虚假IMF分量,数字滤波消除模态混叠。在保证较高的时频分辨率的基础上减少了边缘效应的影响,提高了模态参数识辨结果的准确性。通过MATLAB对刚度线变和突变系统做了算例分析,利用ADAMS软件对一具有匀速移动质点的简支梁系统进行模拟实验,对以上几种方法进行了验证。结果表明,基于EMD分解与第二代小波分析相结合的系统模态分析方法比基于第二代小波变换的参数辨识方法和的误差要小,比基于EMD与Hilbert变换相结合的参数辨识方法受到的边缘效应要小的多,比第二代小波与Hilebrt变换相结合的参数辨识方法的辨识精度更高,是比其他辨识方法更有效的时变系统模态分析方法。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
图、表清单  9-11
注释表  11-13
第一章绪论  13-20
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-18
    1.2.1 时域辨识方法  14-16
    1.2.2 频域辨识方法  16-17
    1.2.3 时频辨识方法  17-18
  1.3 本文的主要工作和内容  18-20
    1.3.1 本文的主要工作  18
    1.3.2 本文的主要内容  18-20
第二章基于EMD 和第二代小波的信号处理技术  20-39
  2.1 信号处理技术概述  20
  2.2 EMD 方法  20-29
    2.2.1 内禀模态函数  21
    2.2.2 EMD 方法-“筛分”过程  21-23
    2.2.3 EMD 方法的特点  23-24
    2.2.4 EMD 存在的问题  24-25
    2.2.5 信号预处理去除模态混淆  25-28
    2.2.6 算例验证  28-29
  2.3 第二代小波分析  29-38
    2.3.1 小波分析简介  30-33
    2.3.2 小波分析的局限性  33-34
    2.3.3 第二代小波的基本理论和方法  34-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章模态参数辨识  39-49
  3.1 环境激励的测试分析  39
  3.2 基于第二代小波变换的参数辨识方法  39-43
    3.2.1 基于相位的迭代算法  40-41
    3.2.2 第二代小波参数辨识  41-42
    3.2.3 EMD 与第二代小波变换结合的参数辨识  42-43
  3.3 基于Hilbert 变换的参数辨识方法  43-47
    3.3.1 瞬时频率  44
    3.3.2 Hilbert 变换  44-45
    3.3.3 EMD 与Hilbert 变换相结合的参数辨识  45-47
    3.3.4 第二代小波与Hilbert 变换相结合的参数辨识  47
  3.4 本章小结  47-49
第四章数值仿真  49-65
  4.1 仿真模型  49-50
  4.2 响应信号分解  50-52
    4.2.1 基于第二代小波变换的信号分解  50-51
    4.2.2 基于EMD 的信号分解  51-52
  4.3 线变系统模态参数辨识  52-59
    4.3.1 基于第二代小波变换的参数辨识  52-55
    4.3.2 基于Hilbert 变换的参数辨识  55-59
  4.4 突变系统模态参数辨识  59-64
    4.4.1 基于第二代小波变换的参数辨识  60-61
    4.4.2 基于Hilbert 变换的参数辨识  61-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章简支梁实验  65-71
  5.1 模型简介  65
  5.2 响应信号的分解  65-67
  5.3 系统模态测试分析  67-70
    5.3.1 基于Hilbert 变换的测试分析  67-69
    5.3.2 基于第二代小波变换的测试分析  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章总结与展望  71-73
  6.1 论文工作总结  71-72
  6.2 研究展望  72-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
在学期间的研究成果及发表的学术论文  78

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