基于調(diào)制函數(shù)的振動(dòng)力學(xué)模型全參數(shù)估計(jì)

陳宇寧， 吳建民， 田 楊

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620；2.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159)

應(yīng)用力學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)的力學(xué)特性分析，是揭示系統(tǒng)振動(dòng)規(guī)律從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的重要方法，而獲得精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)是建模過程的關(guān)鍵技術(shù)。為此，學(xué)者們針對(duì)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)估計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究?？琢钜愕萚1]應(yīng)用增廣最小二乘法完成了動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的無偏估計(jì)。王茜等[2]聯(lián)合全相位FFT和最小二乘法建立了電機(jī)葉片的振動(dòng)參數(shù)估計(jì)模型。吳超等[3]搭建了電磁軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并基于模態(tài)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)辨識(shí)。高軒等[4]采用分步辨識(shí)法建立系統(tǒng)力學(xué)蠶食辨識(shí)模型。魏青軒等[5]將離散頻譜校正和最小二乘聯(lián)立，推導(dǎo)了以加速度信息為輸入的系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)模型。李新廣等[6]結(jié)合了Fourier級(jí)數(shù)方法和最小二乘法辨識(shí)出非線性動(dòng)力學(xué)模型中的剛度與阻尼。商興蓮等[7]利用多體系統(tǒng)傳遞矩陣法識(shí)別出機(jī)床動(dòng)力學(xué)參數(shù)值。

上述方法通過實(shí)驗(yàn)或理論方法進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì)，然而上述方法沒有實(shí)現(xiàn)剛度、阻尼和力的全參數(shù)估計(jì)，課題組基于調(diào)制函數(shù)法提出了一種具有通用性的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，通過該方法可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)全參數(shù)的估計(jì)。

1 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)估計(jì)

振動(dòng)分析過程經(jīng)典力學(xué)將系統(tǒng)視為如圖1所示的力學(xué)模型。

圖1 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型Figure 1 Dynamic system model

上述動(dòng)力學(xué)模型可描述為[8-10]：

(1)

式中：m為質(zhì)量，c為阻尼，k為剛度系數(shù)，f為作用力。

由于加速度傳感器便于布置，且其為相對(duì)式儀器，基于加速度信息估計(jì)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，則有：

(2)

設(shè)T

(P1)∶g∈Cl([t-T,t]);
(P2)∶g(k)(t-T)=0;
(P3)∶g(k)(t)=0。

式中：t為時(shí)間，T為任意小于時(shí)間t的常量。

1.1 剛度和阻尼參數(shù)估計(jì)

(3)

式中：τ為在定義域內(nèi)的參數(shù)，pj為冪函數(shù)，ρj為對(duì)應(yīng)階次的常數(shù)。

然后將模型近似如下：

(4)

(5)

在式(5)中使用分部積分可得到：

(6)

(7)

根據(jù)調(diào)制函數(shù)gi的性質(zhì)，其未知邊界值可以被消除，因此，對(duì)于i=1,…,N，可以得到：

(8)

其中：

Aλ=b。

(9)

式中b為常向量。λ=(c,k)T，A∈RN×2和b∈RN如下：

式中i=1,…,N。

式(9)可以用最小二乘法求解，得：

λ=(ATA)-1ATb。

(10)

1.2 參數(shù)力f的估計(jì)

為了估計(jì)參數(shù)力f，課題組考慮雅克比正交基，定義在[0,1]上的雅克比正交多項(xiàng)式如下：

(11)

式中μ,κ∈[-1,+∞]。

令函數(shù)f和g是屬于C([0,1])的函數(shù)，然后是標(biāo)量積〈·,·〉μ,κ函數(shù)的定義如下：

(12)

式中ωμ,κ(τ)=(1-τ)μτκ是相關(guān)的權(quán)重函數(shù)，因此可以獲得：

(13)

如果f∈C([t-T,t])，其可以用下面的雅克比正交級(jí)數(shù)來表示：

(14)

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性，課題組應(yīng)用MATLAB編制了式(1)動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算程序，通過代入已知作用力，已知?jiǎng)恿W(xué)模型參數(shù)剛度k、阻尼c和作用力參數(shù)f，計(jì)算出在此作用力f下的位移、速度和加速度：

f=F0sinωt。

(15)

式中F0為常力。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中部分參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Mechanical model parameters

通過計(jì)算可獲得模型的位移、速度和加速度信息，而課題組提出的估計(jì)模型是以加速度信息作為輸入的，因?yàn)樵诓贾脗鞲衅鞯倪^程中，加速度傳感器更容易完成裝配，計(jì)算出的加速度信息如圖2所示。

圖2 加速度真實(shí)值Figure 2 True value of acceleration

在已知加速度的前提下，將模型真實(shí)參數(shù)剛度k、阻尼c和作用力參數(shù)f作為未知參數(shù)，應(yīng)用式(2)～(13)估計(jì)得到剛度k、阻尼c和作用力參數(shù)f，再將估計(jì)值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證參數(shù)辨識(shí)模型的正確性，具體驗(yàn)證過程如圖3所示。

圖3 估計(jì)方法驗(yàn)證流程Figure 3 Estimation method validation process

按照?qǐng)D3的流程通過仿真估計(jì)出參數(shù)：k=3.85×107N·m-1;c=4.59×104N·s·m-1;f=14 750 sinωt。仿真估算得到k,c,f，與表1中的真實(shí)值對(duì)比，誤差分別是1.3%，2.0%和1.7%。

為了進(jìn)一步直觀地對(duì)比課題組提出估計(jì)模型的準(zhǔn)確性，課題組將估計(jì)出的參數(shù)代入式(1)中重新計(jì)算出系統(tǒng)速度和位移的估計(jì)值，圖4所示為速度的真實(shí)值與估計(jì)值對(duì)比結(jié)果。

圖4 速度的真實(shí)值與估計(jì)值對(duì)比Figure 4 Comparison of real and estimated speed

圖5所示為位移的真實(shí)值與估計(jì)值對(duì)比結(jié)果。

圖5 位移的真實(shí)值與估計(jì)值對(duì)比Figure 5 Comparison of real and estimated displacement

通過對(duì)比可知：在應(yīng)用估計(jì)出的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力分析的估計(jì)值與真實(shí)值重合度較高，其趨勢(shì)重疊且振動(dòng)幅值誤差較低，因此證明課題組提出估計(jì)模型具有較高的精度。

4 結(jié)論

課題組以便于獲得的加速度信息為輸入數(shù)據(jù)，基于傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型通過調(diào)制函數(shù)法建立了振動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的全參數(shù)的估計(jì)模型，所提出的方法將微分問題轉(zhuǎn)換為積分問題，大大降低了求解的誤差，通過估計(jì)值和真實(shí)值得對(duì)比，其綜合平均誤差為1.67%，通過課題組提出的估計(jì)模型，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)力學(xué)參數(shù)無法測(cè)量前提下的系統(tǒng)建模，從而開展相關(guān)的力學(xué)狀態(tài)分析。