基于联邦扩展卡尔曼滤波的结构损伤识别方法

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1、分类号：密级：UDC：学号：406027012050南昌大学硕士研究生学位论文基于联邦扩展卡尔曼滤波的结构损伤识别方法StructuralDamageIdentificationBasedonFederalExtendedKalmanFilter徐昌宏培养单位（院、系）：建筑工程学院指导教师姓名、职称：宋固全教授指导教师姓名、职称：张纯副教授申请学位的学科门类：工学学科专业名称：土木工程论文答辩日期：2015年5月28日答辩委员会主席:ij;1狀评阅人:磁I2015年广月一、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据

2、我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谓丨意。学位论文作者签名（手写）：签字日期:y/」年r月日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学

3、位论文。同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电卞杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按“章程”规定享受相关权益。学位论文作者签名（手写导师签名（手写）：签字曰期：年了月4曰签字日期：义//年j月论文题目论文级别博士□硕士■姓名M学号州1糖院/系/所专业M感Email备注：〇公开□保密C向校学位办申请获批准为“保密”，---------年——月后公开)摘要摘要在桥梁的健康监测系统中，桥梁结构的损伤识别工作至关重要。目前，基于时域振动信号的结构损伤识别

4、方法发展十分迅速。基于时域法的损伤识别方法包括扩展卡尔曼滤波和最小二乘法等。扩展卡尔曼滤波方法（ExtendedKalmanFilteringMethod,EKF）是一种能适用于非线性系统结构并对结构物理参数进行识别的实时递推算法，该方法能够准确的识别出结构参数变化的位置和变化程度。然而传统的扩展卡尔曼滤波方法存在两个局限：（1）增广的状态向量包括结构的物理参数，当结构复杂时，状态向量较大的维数将导致计算效率低下；（2）EKF属于一种集中式的滤波结构，其容错性差，当振动信号存在故障将影响识别结果。为了改进EKF方法的局限性，本文应用联邦扩展卡尔曼滤波方法（Federa

5、lExtendedKalmanFilteringMethod,FEKF）对结构进行损伤识别。FEKF结构灵活，计算量小且具有很好的容错性，能够准确的识别出故障信号，避免故障信号导致的识别结果发生错误。通过模态坐标变换，以模态坐标代替结构位移响应来扩展状态向量，并采用模态截断方法，起到对状态向量降维的作用，减少计算量，提高识别结果的稳定性。本文的主要研究内容如下：（1）把导航中应用广泛的FEKF用于桥梁结构的损伤识别。推导基于结构自由振动响应的FEKF损伤识别递推公式，构造简支梁结构自由振动的算例，在不同的噪声情况下采用FEKF对不同的损伤工况进行损伤识别。结果表明，采

6、用FEKF对自由振动的桥梁结构损伤识别有良好的适用性和有效性，并且损伤参数的识别结果精度高，稳定性好。（2）目前，采用扩展卡尔曼滤波这类递推方法对移动荷载下的桥梁结构进行损伤识别工作非常少见。然而实际工程中，桥梁结构都处于服役阶段，很难测出其自由振动信号。为了满足桥梁在服役阶段进行在线损伤识别的要求，本文提出用FEKF对移动荷载下的桥梁结构进行损伤识别的方法。首先推导基于移动荷载下的桥梁结构振动响应的FEKF损伤识别递推公式。再构造移动荷载下的简支梁算例，在不同噪声以及不同工况的情况下采用FEKF对结构损伤进行识别。识别结果表明，FEKF能利用移动荷载作用下的桥梁结构

7、的强迫振动响应信号，有效识别结构的损伤位置和损伤程度。（3）目前，桥梁结构的损伤识别工作中通常基于传感器测量信号完全正确I摘要的假设。然而当传感器发生故障时，通过传感器得到的振动信号也会因传感器的故障发生错误，从而导致结构损伤识别结果出现错误。本文结合FEKF提出采2用残差检验法对信号是否存在故障进行检测。采用移动荷载下的简支梁算例2进行验证并对振动信号施加不同的故障类型。结果表明，残差检验法能够很准确的识别出故障信号，并且可以对故障类型进行判别。识别出故障信号后，通过对故障信号进行排除，从而保证识别结果的正确性和稳定性。通过故障检测功能的应用，