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1、由于工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命一般較長(zhǎng),在長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境侵蝕、振動(dòng)以及疲勞等隨機(jī)災(zāi)害作用下,不可避免地會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局域性的損傷??紤]到微小范圍內(nèi)的損傷并不能使結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞,但隨著損傷的積累,結(jié)構(gòu)的抗力和壽命下降,從而給結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性留有隱患,所以近年來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)引起了人們的廣泛關(guān)注。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的核心所在,尤其是實(shí)時(shí)的在線基于濾波技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法,其中包括擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(EKF)和粒子濾波算法(PF)
2、。
卡爾曼濾波自從20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái),就在航空航天領(lǐng)域獲得了非常成功的應(yīng)用。隨著研究的深入,卡爾曼濾波技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如導(dǎo)航制導(dǎo)、工業(yè)控制、目標(biāo)追蹤、大地測(cè)量和金融等。本文從傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法出發(fā),研究其在不同結(jié)構(gòu)(單自由度或多自由度、線性或非線性)、不同噪聲(高斯或非高斯)下的參數(shù)識(shí)別行為,全面了解該方法在土木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的參數(shù)識(shí)別行為和識(shí)別性能。仿真結(jié)果表明傳統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波方法在線性結(jié)構(gòu)高斯噪聲
3、系統(tǒng)中具有非常好的識(shí)別精度,但當(dāng)系統(tǒng)為非線性結(jié)構(gòu)高斯噪聲或線性結(jié)構(gòu)非高斯噪聲時(shí),用擴(kuò)展卡爾曼濾波仍可以進(jìn)行參數(shù)識(shí)別,但參數(shù)識(shí)別結(jié)果有所下降。特別的,對(duì)于非線性結(jié)構(gòu)非高斯噪聲系統(tǒng),擴(kuò)展卡爾曼濾波識(shí)別結(jié)果非常差。期間對(duì)于結(jié)構(gòu)非線性的研究,本文以匹配雙線性模型為例,驗(yàn)證了Bouc-Wen模型對(duì)于非線性模型的普遍適用性。本文將線性加速度理論引入到擴(kuò)展卡爾曼濾波過(guò)程中,提出了一種新的擴(kuò)展卡爾曼濾波,稱之為改進(jìn)擴(kuò)展卡爾曼濾波,然后基于該改進(jìn)算法進(jìn)行
4、了單自由度線性結(jié)構(gòu)高斯噪聲情況下結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別,研究表明該改進(jìn)算法具有與原算法相似的識(shí)別精度,但是可以避免狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的復(fù)雜求導(dǎo)運(yùn)算。針對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波在時(shí)變系統(tǒng)的局限性,本文介紹了衰減記憶擴(kuò)展卡爾曼濾波,并進(jìn)行了單自由度線性結(jié)構(gòu)高斯噪聲情況下的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別,驗(yàn)證了衰減記憶擴(kuò)展卡爾曼濾波在時(shí)變系統(tǒng)中的有效性。
考慮到擴(kuò)展卡爾曼濾波器在非高斯噪聲情況下識(shí)別效果不佳,本文又繼續(xù)研究了粒子濾波算法,在前人研究的基礎(chǔ)上引入穩(wěn)態(tài)分布似然值
5、來(lái)擴(kuò)展高斯似然值,然后進(jìn)行了單自由度線性結(jié)構(gòu)高斯噪聲系統(tǒng)中的參數(shù)識(shí)別,驗(yàn)證了穩(wěn)態(tài)分布似然值的有效性和適用性。同時(shí)研究了粒子濾波在不同結(jié)構(gòu)(單自由度或多自由度線性)、不同噪聲(高斯或非高斯)情況下的識(shí)別行為,并將識(shí)別結(jié)果與傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行對(duì)比分析,仿真結(jié)果表明粒子濾波算法在非高斯噪聲系統(tǒng)中具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。
最后,本文分別將擴(kuò)展卡爾曼濾波和粒子濾波方法應(yīng)用于一個(gè)五層鋼框架參數(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)中,從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了粒子濾波相較于
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