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Dynamic Stability Analysis of Linear Time-varying Systems via an Extended Modal Identification Approach

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2017年第2期30卷 459-471页

作者： zhisai ma Li LIU Sida ZHOU Frank NAETS Ward HEYLEN Wim DESMET School of Aerospace Engineering Beijing Institute of Technology Department of Mechanical Engineering KU Leuven

The problem of linear time-varying（LTV） system modal analysis is considered based on time-dependent state space representations, as classical modal analysis of linear time-invariant systems and current LTV system modal analysis under the ＂frozen-time＂ assumption are not able to determine the dynamic stability of LTV systems. Time-dependent state space representations of LTV systems are first introduced, and the corresponding modal analysis theories are subsequently presented via a stabilitypreserving state transformation. The time-varying modes of LTV systems are extended in terms of uniqueness, and are further interpreted to determine the system＇s stability. An extended modal identification is proposed to estimate the time-varying modes, consisting of the estimation of the state transition matrix via a subspace-based method and the extraction of the time-varying modes by the QR decomposition. The proposed approach is numerically validated by three numerical cases, and is experimentally validated by a coupled moving-mass simply supported beam exper- imental case. The proposed approach is capable of accurately estimating the time-varying modes, and provides anew way to determine the dynamic stability of LTV systems by using the estimated time-varying modes.

关键词： Linear time·varying systems · Extended modal identification · Dynamic stability analysis · Time·varying modes

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运载火箭的飞行模态辨识技术研究

强度与环境 2024年第4期51卷 1-9页

作者：马志赛丁千范霆威阚镭祁峰潘忠文天津大学机械工程学院天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350 北京宇航系统工程研究所北京100076

模态参数是表征运载火箭动态特性的重要指标,对姿控系统设计、动载荷设计、天地差异研究和系统优化设计等具有重要意义。燃料快速消耗和结构分离导致飞行状态下的运载火箭表现出显著时变特征,通过有限元分析或地面振动试验难以获得真实... 详细信息

模态参数是表征运载火箭动态特性的重要指标,对姿控系统设计、动载荷设计、天地差异研究和系统优化设计等具有重要意义。燃料快速消耗和结构分离导致飞行状态下的运载火箭表现出显著时变特征,通过有限元分析或地面振动试验难以获得真实飞行状态下运载火箭的时变参数,开展飞行模态辨识前沿理论研究和关键技术攻关尤为重要。面向工程实际需求,分别发展了基于时间序列分析和动态模式分解的两类时变模态输出递推辨识方法,应用于液体火箭的遥测数据快速处理,准确辨识得到模态参数随时间的变化规律,并展望了运载火箭飞行模态辨识技术的未来应用前景。

关键词：运载火箭时变模态参数飞行模态辨识

基于多维振动响应GSC-TARma模型的时变结构模态参数辨识

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机械工程学报 2019年第15期55卷 183-192页

作者：余磊刘莉马志赛康杰北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081 天津大学机械工程学院天津300350 天津大学非线性动力学与控制重点实验室天津300350

针对多维振动响应测量信号下的仅输出时变结构模态参数辨识问题,基于广义随机约束时变自回归滑动平均模型(Generalized stochastic constraints time-dependent auto-regressive moving average,GSC-TARma),拓展出广义随机约束向量时变... 详细信息

针对多维振动响应测量信号下的仅输出时变结构模态参数辨识问题,基于广义随机约束时变自回归滑动平均模型(Generalized stochastic constraints time-dependent auto-regressive moving average,GSC-TARma),拓展出广义随机约束向量时变自回归滑动平均模型(Generalized stochastic constraints vector time-dependent auto-regressive moving average,GSC-VTARma)。为降低计算复杂度,进一步提出改进的GSC-VTARma模型(GSC-VTARma~*),并利用时变刚度数值系统与移动质量简支梁时变结构实验系统的非平稳振动响应信号对所提模型进行了验证。通过与单维GSC-TARma模型和传统的泛函序列向量时变自回归滑动平均(Functional series vector time-dependent auto-regressive moving average,FS-VTARma)模型进行对比,辨识结果表明:相较于GSC-VTARma模型,GSC-VTARma~*模型在保持辨识精度相同的前提下降低了计算复杂度;相较于单维GSC-TARma模型, GSC-VTARma~*模型具有更高的数据利用率与辨识鲁棒性;GSC-VTARma~*模型具有与传统的FS-VTARma模型相近的辨识精度,但由于采用了递推算法,该模型计算效率更高,在线辨识能力更强。

关键词：时变结构模态参数辨识多维振动响应广义随机约束

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移动最小二乘法的时变结构模态参数辨识

机械工程学报 2016年第3期52卷 79-85页

作者：杨武刘莉周思达马志赛北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

研究时变结构模态参数辨识,基于泛函矢量时变自回归模型(Functional series vector time-dependent AR model,FS-VTAR)提出一种改进的移动最小二乘法的时变结构模态参数辨识方法。该方法源于无网格法中构造形函数进行局部近似的思想,引... 详细信息

研究时变结构模态参数辨识,基于泛函矢量时变自回归模型(Functional series vector time-dependent AR model,FS-VTAR)提出一种改进的移动最小二乘法的时变结构模态参数辨识方法。该方法源于无网格法中构造形函数进行局部近似的思想,引入带权正交基函数对移动最小二乘(Moving least square,MLS)的基函数进行改进,使得在辨识时间域内构造形函数矩阵过程中不再出现数值条件问题,从而提高了计算精度。把时变系数在形函数上线性展开,利用最小二乘法得到形函数的系数,从而得到时变系数。把时变模型特征方程转换为广义特征值问题提取出模态参数。利用时变刚度系统非平稳振动信号验证该方法,结果表明:改进的移动最小二乘法相比于传统的FS-VTAR模型能有效地避免基函数形式的选择和很高的基函数阶数且更加高效,相比于移动最小二乘法能有效地避免辨识过程中的数值问题,具有更高的模态参数辨识精度。

关键词：时变结构模态参数辨识移动最小二乘法带权正交基函数时变AR模型

基于Kriging形函数的线性时变结构模态参数辨识

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航空学报 2015年第4期36卷 1169-1176页

作者：杨武刘莉周思达马志赛北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

近年来,对航空航天飞行器随时间变化的动力学特性研究需求越来越迫切。仅输出参数化时域的时变时间序列模型以其结构简约、精度高且跟踪能力强而成为研究热点,尤其是泛函向量时变自回归(FS-VTAR)模型已经得到了广泛应用。然而传统的FS-V... 详细信息

近年来,对航空航天飞行器随时间变化的动力学特性研究需求越来越迫切。仅输出参数化时域的时变时间序列模型以其结构简约、精度高且跟踪能力强而成为研究热点,尤其是泛函向量时变自回归(FS-VTAR)模型已经得到了广泛应用。然而传统的FS-VTAR模型在保证其辨识优势的同时却需要针对不同时变结构选择合适的基函数形式及较高的基函数阶数,该过程相当复杂且耗时。本文借鉴无网格法中移动最小二乘(MLS)法构造形函数的思想,提出一种基于Kriging形函数的线性时变结构模态参数辨识方法。该方法首先引入自适应于辨识信号的Kriging形函数;再把时变系数在形函数上线性展开,利用最小二乘(LS)法得到形函数的展开系数;最后把时变模型特征方程转换为广义特征值问题提取出模态参数。利用时变刚度系统非平稳振动信号验证该方法,结果表明:基于Kriging形函数的FS-VTAR模型相比于传统的FS-VTAR模型能有效地避免基函数形式的选择和较高的基函数阶数,且精度相当;相比于移动最小二乘法能有效地解决其数值条件问题且具有更高的模态参数辨识精度。

关键词：时变结构模态参数辨识 Kriging 形函数时变AR模型

线性时变结构模态参数时域辨识方法的研究进展

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机械工程学报 2018年第23期54卷 137-159页

作者：马志赛丁千刘莉周思达天津大学机械工程学院天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350 北京理工大学宇航学院北京100081 飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

随着工程领域的不断拓展,越来越多具有显著时变特性的工程结构进入应用,时变结构动力学问题日渐凸显。从反问题的角度出发,介绍了时变结构动力学问题的研究背景与时变结构模态参数辨识的意义。在对时变结构模态参数辨识方法进行分类的... 详细信息

随着工程领域的不断拓展,越来越多具有显著时变特性的工程结构进入应用,时变结构动力学问题日渐凸显。从反问题的角度出发,介绍了时变结构动力学问题的研究背景与时变结构模态参数辨识的意义。在对时变结构模态参数辨识方法进行分类的基础上,给出了从参数化时域辨识模型中提取“时间冻结”模态参数的过程。系统全面地总结了时变结构模态参数时域辨识方法的研究进展,归纳了现阶段可用于辨识方法验证的实验系统,指出了该领域目前存在的一些问题以及今后需要进一步研究的主要方向。

关键词：线性时变结构模态参数辨识时域

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基础激励下含间隙折叠舵面非线性系统辨识

振动与冲击 2020年第4期39卷 122-128,135页

作者：王博马志赛丁千张欣杨宁天津大学力学系天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350 北京电子工程总体研究所北京100854

间隙在飞行器折叠舵面中普遍存在且不易准确描述,通过辨识方法获得间隙的真实非线性特性具有重要意义。基于直接参数估计方法建立基础激励下含间隙非线性系统辨识模型,利用相对速度和相对位移的多项式表征非线性系统的恢复力;引入显著... 详细信息

间隙在飞行器折叠舵面中普遍存在且不易准确描述,通过辨识方法获得间隙的真实非线性特性具有重要意义。基于直接参数估计方法建立基础激励下含间隙非线性系统辨识模型,利用相对速度和相对位移的多项式表征非线性系统的恢复力;引入显著因子剔除多项式中影响度较低的基函数,采用最小二乘求解得出恢复力多项式中各项系数,由不同自由度之间的相对关系组装出整个系统的辨识模型;通过比较基于辨识模型的系统响应和实测系统响应之间的均方误差来评价辨识精度。基础激励下含间隙三自由度结构系统数值算例的辨识结果表明:含间隙非线性系统的恢复力可通过增加刚度立方项进行准确逼近;选取折叠舵面上两处测点分别在无间隙和有间隙的工况下进行辨识,辨识所得运动方程均能较好地描述两测点的动力学特性,对含间隙折叠舵面非线性系统的离散化建模与动力学分析具有重要工程意义。

关键词：折叠舵面基础激励间隙非线性系统辨识

基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

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航空学报 2020年第5期41卷 197-205页

作者：王强马志赛张欣刘艳丁千天津大学机械工程学院天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350 北京电子工程总体研究所北京100854

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型,并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验,... 详细信息

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型,并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验,检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度,并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合,得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度,完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频,计算结果与实验扫频结果吻合良好,验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。

关键词：折叠舵面间隙非线性模态综合法有限元建模动态特性

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基于神经网络和子空间的非线性系统载荷识别

振动．测试与诊断 2022年第5期42卷 877-885,1031页

作者：庞志雅马志赛丁千天津大学机械工程学院天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350

由于非线性描述函数选定困难,在不同激励水平下会导致时域非线性子空间辨识过程重复繁琐。针对此问题,基于不同激励水平下时域非线性子空间方法重构的非线性恢复力数据和测量的非线性位置响应数据训练神经网络模型,等效代替响应-非线性... 详细信息

由于非线性描述函数选定困难,在不同激励水平下会导致时域非线性子空间辨识过程重复繁琐。针对此问题,基于不同激励水平下时域非线性子空间方法重构的非线性恢复力数据和测量的非线性位置响应数据训练神经网络模型,等效代替响应-非线性恢复力映射关系,使得辨识过程不再依赖系统模型,只需已知非线性位置的响应即可获取非线性恢复力,计算效率得以提高。针对非线性系统外载荷难以测量的问题,利用响应-非线性恢复力映射关系的神经网络模型预测非线性恢复力,进一步提出基于神经网络和子空间法的载荷识别方法,并通过间隙非线性结构的数值与实验研究验证了所提载荷识别方法的有效性和可行性。

关键词：子空间辨识神经网络载荷识别间隙非线性

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