基于聯(lián)邦擴(kuò)展卡爾曼濾波的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法.pdf

1、在橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別工作至關(guān)重要。目前，基于時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法發(fā)展十分迅速?；跁r(shí)域法的損傷識(shí)別方法包括擴(kuò)展卡爾曼濾波和最小二乘法等。擴(kuò)展卡爾曼濾波方法（Extended Kalman Filtering Method，EKF）是一種能適用于非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對(duì)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的實(shí)時(shí)遞推算法，該方法能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的位置和變化程度。然而傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法存在兩個(gè)局限：（1）增廣的狀態(tài)

2、向量包括結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，狀態(tài)向量較大的維數(shù)將導(dǎo)致計(jì)算效率低下；（2）EKF屬于一種集中式的濾波結(jié)構(gòu)，其容錯(cuò)性差，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)存在故障將影響識(shí)別結(jié)果。
　　為了改進(jìn)EKF方法的局限性，本文應(yīng)用聯(lián)邦擴(kuò)展卡爾曼濾波方法（Federal Extended Kalman Filtering Method，F(xiàn)EKF）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。FEKF結(jié)構(gòu)靈活，計(jì)算量小且具有很好的容錯(cuò)性，能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出故障信號(hào)，避免故障信號(hào)導(dǎo)致的識(shí)別結(jié)

3、果發(fā)生錯(cuò)誤。通過(guò)模態(tài)坐標(biāo)變換，以模態(tài)坐標(biāo)代替結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)來(lái)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量，并采用模態(tài)截?cái)喾椒?，起到?duì)狀態(tài)向量降維的作用，減少計(jì)算量，提高識(shí)別結(jié)果的穩(wěn)定性。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）把導(dǎo)航中應(yīng)用廣泛的FEKF用于橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。推導(dǎo)基于結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)響應(yīng)的FEKF損傷識(shí)別遞推公式，構(gòu)造簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的算例，在不同的噪聲情況下采用FEKF對(duì)不同的損傷工況進(jìn)行損傷識(shí)別。結(jié)果表明，采用FEKF對(duì)自由振動(dòng)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別有良

4、好的適用性和有效性，并且損傷參數(shù)的識(shí)別結(jié)果精度高，穩(wěn)定性好。
　　（2）目前，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波這類遞推方法對(duì)移動(dòng)荷載下的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別工作非常少見。然而實(shí)際工程中，橋梁結(jié)構(gòu)都處于服役階段，很難測(cè)出其自由振動(dòng)信號(hào)。為了滿足橋梁在服役階段進(jìn)行在線損傷識(shí)別的要求，本文提出用FEKF對(duì)移動(dòng)荷載下的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別的方法。首先推導(dǎo)基于移動(dòng)荷載下的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的FEKF損傷識(shí)別遞推公式。再構(gòu)造移動(dòng)荷載下的簡(jiǎn)支梁算例，在不同噪聲

5、以及不同工況的情況下采用FEKF對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別結(jié)果表明，F(xiàn)EKF能利用移動(dòng)荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，有效識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。
　?。?）目前，橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別工作中通?；趥鞲衅鳒y(cè)量信號(hào)完全正確的假設(shè)。然而當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)傳感器得到的振動(dòng)信號(hào)也會(huì)因傳感器的故障發(fā)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。本文結(jié)合FEKF提出采用檢驗(yàn)法對(duì)信號(hào)是否存在故障進(jìn)行檢測(cè)。采用移動(dòng)荷載下的簡(jiǎn)支梁算例進(jìn)