黃東梅, 周 實(shí), 任偉新,3
(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075;2. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410075;3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)
非線性振動(dòng)現(xiàn)象在控制工程、機(jī)械工程、土木工程等領(lǐng)域廣泛存在,非線性振動(dòng)系統(tǒng)的識(shí)別是現(xiàn)代振動(dòng)分析領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō),非線性振動(dòng)系統(tǒng)的識(shí)別方法可以分為基于信號(hào)處理技術(shù)的方法、時(shí)間序列分析類方法、子空間類方法等[1-9]。近年來(lái),時(shí)頻聯(lián)合分析被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法中,同時(shí)也為弱非線性系統(tǒng)的辨識(shí)提供了新途徑。由于非線性振動(dòng)的一個(gè)主要特征是系統(tǒng)的固有頻率和振幅有關(guān),因此通過(guò)測(cè)量隨時(shí)間變化的信號(hào)頻率成分的變化情況可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中非線性參數(shù)的識(shí)別。小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間-尺度(與信號(hào)頻率相對(duì)應(yīng))分析方法,在時(shí)域和頻域同時(shí)具有表征信號(hào)局部特性的能力,非常適合進(jìn)行時(shí)變和非線性振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別,因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)基于小波變換的非線性系統(tǒng)識(shí)別方法進(jìn)行了一系列的研究:Staszewski[5]用Morlet小波變換對(duì)一個(gè)包含庫(kù)侖阻尼和三次方剛度的系統(tǒng)進(jìn)行了辨識(shí)。Ta等[6]利用平均法推導(dǎo)了單自由度弱非線性自由振動(dòng)系統(tǒng)的的瞬時(shí)頻率、解析幅度和解析幅度導(dǎo)數(shù)之間的理論函數(shù)關(guān)系,信號(hào)經(jīng)Morlet小波變換后通過(guò)提取脊可以得到這三者的實(shí)際關(guān)系曲線,最后通過(guò)最小二乘曲線擬合即可估計(jì)系統(tǒng)的非線性阻尼和剛度系數(shù),數(shù)值仿真表明該方法可以從弱非線性系統(tǒng)的自由振動(dòng)響應(yīng)中準(zhǔn)確地辨識(shí)出庫(kù)侖阻尼、平方阻尼和三次方剛度。任宜春等[7]用Morlet復(fù)小波函數(shù)對(duì)弱Duffing系統(tǒng)的有阻尼自由振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了辨識(shí),得到系統(tǒng)的固有頻率、阻尼系數(shù)和非線性系數(shù)。王超等[8]用連續(xù)小波變化的方法識(shí)別結(jié)構(gòu)的非線性,基于Feldman提出的非線性結(jié)構(gòu)骨架曲線概念,通過(guò)提取結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)的小波脊和小波骨架,識(shí)別出結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值,得到非線性結(jié)構(gòu)的骨架曲線,從而識(shí)別結(jié)構(gòu)的非線性。Kitad[9]對(duì)具有非線性恢復(fù)力系統(tǒng)的剪切型結(jié)構(gòu)的方程進(jìn)行離散,利用小波的時(shí)間局部性將切線剛度用離散小波尺度函數(shù)表示,阻尼系數(shù)分段線性化,使振動(dòng)微分方程變?yōu)橐宰枘嵯禂?shù)和小波尺度函數(shù)為變量的代數(shù)方程組,采用最小二乘法計(jì)算得到未知向量,進(jìn)而確定阻尼系數(shù)和切線剛度,進(jìn)一步識(shí)別了結(jié)構(gòu)的滯回曲線,最終通過(guò)對(duì)一個(gè)多自由度系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
時(shí)變阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程可以寫為:
(1)
式中:ξ(t)為隨時(shí)間變化的阻尼比;ω0為無(wú)阻尼固有圓頻率。
在進(jìn)行求解時(shí),假定阻尼比在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)是慢變函數(shù),則在這個(gè)短時(shí)間內(nèi)可以看成是一個(gè)定常阻尼,此時(shí)方程(1)的解為
x(t)=A0e-ξω0tcos(ωdt+θ0)
(2)
式(1)中頻率是不隨時(shí)間變化的常數(shù),瞬時(shí)振幅為
A(t)=A0e-ξω0t
(3)
可得
ln(A(t))=ln(A0)-ξω0t
(4)
達(dá)芬有阻尼非線性自治方程為:
(5)
用Krylov-Bogoliubov平均法[10]進(jìn)行求解,可得
(6)

瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率為
A(t)=A0e-ξω0t
(7a)
(7b)
達(dá)芬有阻尼非線性非自治方程為
(8)
由KBM法[10],可得解為
(9)
式中的第一項(xiàng)為自由振動(dòng)項(xiàng),第二項(xiàng)為倍頻項(xiàng),第三項(xiàng)為簡(jiǎn)諧激勵(lì)項(xiàng)。其中
A(t)=A0e-ξω0t
(10a)
(10b)
式中:A0和θ0分別為式(9)第一項(xiàng)的初始振幅和初始相位,同式(6)。
對(duì)比達(dá)芬有阻尼非線性自由振動(dòng)響應(yīng)可知,其簡(jiǎn)諧激勵(lì)響應(yīng)第一項(xiàng)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率的表達(dá)式不變,而簡(jiǎn)諧激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)為自由振動(dòng)和簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。
范德波爾非線性自治方程為:
(11)
用Krylov-Bogoliubov平均法[10]進(jìn)行求解,可得
(12)
式中:A0為初始振幅;相位為常數(shù)θ0。當(dāng)t=0時(shí),若已知初始振幅為A0,則可以由式(12)得θ0=0。
瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率為
(13a)
ω(t)=ω0
(13b)
上式表明在一次近似精度范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果對(duì)頻率無(wú)修正,即相位不隨時(shí)間變化。
范德波爾非線性非自治方程
(14)
由KBM法[10],可得解為
(15)
式中
(16a)
φ=ω0t-θ0
(16b)
式中:A0為初始振幅。當(dāng)t=0時(shí),若振幅為A0,則此時(shí)θ0=0。
對(duì)比范德波爾非線性自由振動(dòng)響應(yīng)可知,其簡(jiǎn)諧激勵(lì)響應(yīng)第一項(xiàng)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率的表達(dá)式不變,而簡(jiǎn)諧激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)為自由振動(dòng)和簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。
設(shè)信號(hào)x(t) ∈L2(R),基本小波或母小波函數(shù)ψ(t) ∈L2(R),L2(R)表示平方可積的實(shí)數(shù)空間。若ψ(t)滿足小波允許條件,則信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換定義為:
WTx(a,b)=x(t),ψab(t)=
(17)

小波變換的頻域表示為:
(18)

任意實(shí)信號(hào)x(t)可以表示成如下時(shí)變振幅與時(shí)變相位的乘積形式:
x(t)=A(t)cosφ(t)
(19)
然而,這樣的表示并不唯一,為保證表示的唯一性,通常引入其對(duì)應(yīng)的解析信號(hào):
(20)

(21)
對(duì)于單一分量信號(hào)x(t),其相應(yīng)的復(fù)Morlet小波變換根據(jù)平穩(wěn)相位原理可以得到[13]:
WTx(a,b)=x(t),ψab(t)z(t),ψab(t)=
(22)
式中:O(?) 為二階小量,可以忽略不計(jì);φ(b)為小波變換的相位。
故小波系數(shù)的模和相位分別為:
(23a)
∠(WTx(a,b))=φ(b)
(23b)
信號(hào)的瞬時(shí)頻率為:
(24)
小波系數(shù)的模反映了信號(hào)在時(shí)頻平面上的能量密度分布,而信號(hào)的能量在時(shí)頻平面上主要集中在脊線(每一時(shí)刻的頻譜峰值連成的曲線)附近,因此可以由任一時(shí)刻的信號(hào)小波系數(shù)模的脊線點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻域來(lái)確定瞬時(shí)頻率。
由式(23a)可以看出,當(dāng)小波尺度a滿足條件:
(25)
小波系數(shù)模可取得局部極大值,相應(yīng)的點(diǎn)(b,ar(b))稱為小波脊點(diǎn)。連接時(shí)間-尺度平面上的相應(yīng)脊點(diǎn)便構(gòu)成小波脊線。
此時(shí),脊線上的小波系數(shù)的模為:
(26)
由此,可由脊線上小波系數(shù)模求出瞬時(shí)振幅:
(27)
對(duì)于多分量信號(hào)x(t),通常可將其表示成單一分量信號(hào)的疊加:
(28)
因?yàn)樾〔ㄗ儞Q是線性變換,相應(yīng)x(t)的小波變換可表示為:
(29)
通過(guò)選擇合適的小波參數(shù),可以將不同的單一信號(hào)分量在時(shí)間-尺度平面分離開(kāi)來(lái),從而分別提取各自小波脊,相應(yīng)地得到信號(hào)瞬時(shí)頻率。
Morlet小波是一種單頻復(fù)正弦調(diào)制高斯波,也是最常用的復(fù)值小波,其時(shí)、頻兩域都具有很好的局部性,它的時(shí)域、頻域形式如下[14]:
時(shí)域ψ(t)=e-t2/2ejωct
(30a)

(30b)
ωc為中心頻率,當(dāng)ωc≥5 時(shí),可認(rèn)為Ψ(ω= 0) ≈0 近似滿足容許性條件。
對(duì)于復(fù)解析小波Morlet 小波,頻率f與尺度a之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
(31)
其中:fs為信號(hào)的采樣頻率,*表示卷積運(yùn)算[15]。
對(duì)于復(fù)Morlet 小波變換,其相應(yīng)的時(shí)間分辨率和頻率分辨率分別為[16]:
(32a)
(32b)
時(shí)間和頻率分辨率滿足不確定原理,增大小波中心頻率ωc可以提高頻率分辨率,但同時(shí)會(huì)降低時(shí)間分辨率,增加端點(diǎn)效應(yīng)的影響。
算例:
具體步驟如下所示:
(1)用四階龍格—庫(kù)塔法計(jì)算非線性系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),如圖1所示,圖中還給出了上下包絡(luò)線。

圖1 振動(dòng)響應(yīng)圖

圖2 小波色譜圖
(2)用Morlet小波函數(shù)“cmor 2 - 1”對(duì)響應(yīng)進(jìn)行小波變換,得到色譜圖、三維網(wǎng)圖和等高線圖分別如圖2~4所示,圖2中還畫出了根據(jù)小波系數(shù)模的極大值確定的脊線。
(3)根據(jù)脊線可以得到瞬時(shí)頻率如圖5所示,為一常數(shù),即ωd=44.44 rad·s-1,可近似取ω0=ωd。
(4)由脊線上的小波系數(shù)和式(27)可以求出瞬時(shí)振幅,如圖6所示,圖中還給出了由振動(dòng)曲線圖1得到的振幅包絡(luò)線。另外,把瞬時(shí)振幅曲繪于圖1中予以對(duì)比。
(5)圖7給出了瞬時(shí)振幅的對(duì)數(shù)—ln(A(t))與時(shí)間t的關(guān)系曲線,剔除邊端效應(yīng),取0.4 s~1.6 s的數(shù)據(jù),對(duì)曲線求導(dǎo)可得曲線ξ(t)ω0,進(jìn)而求得阻尼比隨時(shí)間變化的曲線ξ(t),如圖8所示,圖中還給出了擬合結(jié)果,ξ(t)=2.02×10-2t,以及理論結(jié)果ξ(t)=2×10-2t。
從以上分析可以看出,小波變換方法對(duì)時(shí)變阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的頻率和瞬時(shí)阻尼比識(shí)別是有效的。

圖5 瞬時(shí)圓頻率圖

圖8 瞬時(shí)阻尼比圖
算例:
具體步驟如下所示:
(1)用四階龍格-庫(kù)塔法計(jì)算非線性系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),如圖9所示,圖中還給出了根據(jù)KBM法的式(9)得到的振動(dòng)響應(yīng),兩者是非常接近的。
(2)用Morlet小波函數(shù)“cmor 2 - 1”對(duì)響應(yīng)進(jìn)行小波變換,得到色譜圖、三維網(wǎng)圖和等高線圖分別如圖10~12所示,圖10中還畫出了根據(jù)小波系數(shù)模的極大值確定的脊線。從圖中可以看出,在1.2 s附近,簡(jiǎn)諧激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)能量開(kāi)始大于初始位移引起的自由振動(dòng)產(chǎn)生的能量,倍頻項(xiàng)很小,可以忽略不計(jì)。
(3)根據(jù)圖10的色譜圖可知,振動(dòng)主要由兩個(gè)頻率的振動(dòng)疊加而成,對(duì)比式(9)就可以知道這兩個(gè)頻率形成的原因,因此分別在[0~100] rad·s-1和[100~200] rad·s-1兩個(gè)頻率段提取脊線,便可以得到瞬時(shí)頻率如圖13(a)和圖13(b)所示,圖13(a)中還給出了根據(jù)式(7b)得到的理論結(jié)果,圖13(b)中還給出了ω的擬合結(jié)果和實(shí)際結(jié)果。從圖中可以看出識(shí)別結(jié)果為ω=138.28 rad·s-1,與理論結(jié)果140 rad·s-1非常接近。

圖9 振動(dòng)響應(yīng)圖

圖12 小波等高線圖
(4)由脊線上的小波系數(shù)和式(27)可以求出在[0~100] rad·s-1頻率段的瞬時(shí)振幅-即自由振動(dòng)振幅,如圖14(a)所示,圖中還給出了根據(jù)式(7a)得到的理論結(jié)果。從圖中可以看出,剔除邊端效應(yīng),0.4 s~1.6 s的結(jié)果比較接近;由脊線上的小波系數(shù)和式(27)可以求出在[100~200] rad·s-1頻率段的瞬時(shí)振幅—即受迫振動(dòng)振幅,如圖14(b)所示,圖14(b)中還給出了擬合結(jié)果為2.283和根據(jù)公式(9)第3項(xiàng)計(jì)算的的理論結(jié)果為2.276,兩者誤差很小。
(5) 圖15給出了瞬時(shí)振幅的對(duì)數(shù)-ln(A(t))與時(shí)間t的關(guān)系曲線,由式(7a)可得ln(A(t))=ln(A0)-ξω0,近似于線性關(guān)系,剔除邊端效應(yīng),取0.4 s~1.6 s的數(shù)據(jù),由最小二乘擬合可以得到ξω0=2.287 4和A0=19.85 mm。

圖14 瞬時(shí)振幅圖
(6) 圖16給出了瞬時(shí)頻率ω(t)與瞬時(shí)振幅A(t)平方—A2(t)的關(guān)系,剔除邊端效應(yīng),近似于線性關(guān)系,取0.4 s~1.6 s的數(shù)據(jù),由最小二乘擬合可以得到ω0=44.32 rad·s-1和ε=3.65,同時(shí),根據(jù)步驟(5)的結(jié)果可以得到ξ=0.051 6。

圖16 瞬時(shí)圓頻率與瞬時(shí)振幅平方的關(guān)系圖
從以上分析可以看出,小波變換方法對(duì)達(dá)芬有阻尼非線性簡(jiǎn)諧激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比、簡(jiǎn)諧激勵(lì)頻率和幅值、自由振動(dòng)初始振幅等的識(shí)別精度是較高的,而對(duì)非線性參數(shù)的ε識(shí)別誤差較大。
算例:
具體步驟如下所示:
(1) 用四階龍格-庫(kù)塔法計(jì)算非線性系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),如圖17所示,圖中還給出了根據(jù)平均法的式(13a)得到的振動(dòng)響應(yīng),從圖中可以看出,由于平均法只有一次近似精度,所以存在微小的相位差。
(2) 用Morlet小波函數(shù)“cmor 2 - 1” 對(duì)響應(yīng)進(jìn)行小波變換,得到譜圖、三維網(wǎng)圖和等高線圖分別如圖18~20所示,圖18中還畫出了根據(jù)小波系數(shù)模的極大值確定的脊線。
(3) 根據(jù)脊線便可以得到瞬時(shí)頻率如圖21所示,圖中還給出了根據(jù)式(13b)得到的理論結(jié)果。已知頻率為常數(shù),剔除邊端效應(yīng),取0.2 s~1.8 s的數(shù)據(jù),直接進(jìn)行最小二乘曲線擬合,便可以得到ω0=44.44(rad/s),與理論值ω0=45(rad/s)非常接近。
(4)由脊線上的小波系數(shù)和式(27)可以求出瞬時(shí)振幅,如圖22所示,圖中還給出了根據(jù)式(13a)得到的理論結(jié)果。若已知公式(13a),剔除邊端效應(yīng),取0.2s~1.8s的數(shù)據(jù),初始值ε、δ和A0分別取0.4、15和30,直接進(jìn)行最小二乘曲線擬合,可以得到ε、δ和A0的擬合值分別為0.045、2.18和20.38。擬合結(jié)果和理論結(jié)果如圖22所示。需要注意的是,由于用式(13a)進(jìn)行擬合時(shí)要把3個(gè)參數(shù)當(dāng)成未知數(shù),因此擬合結(jié)果不唯一,與初始值的取值有很大的關(guān)系,并且剔除的數(shù)據(jù)不能太多,否則難以獲得足夠的信息。若把A0當(dāng)作已知,則即使ε和δ的初始值取值不同,其擬合結(jié)果也較為穩(wěn)定。
對(duì)于范德波爾非線性簡(jiǎn)諧激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)的識(shí)別,可采用3.2節(jié)的類似的方法。

圖17 振動(dòng)響應(yīng)圖

圖20 小波等高線圖
本文用Morlet小波變換方法對(duì)時(shí)變振動(dòng)系統(tǒng)和典型非線性振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別,得出以下結(jié)論:
(1) 小波變換方法對(duì)時(shí)變阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的頻率和瞬時(shí)阻尼比識(shí)別是有效的,并且可以達(dá)到較高的精度。
(2) 由于小波變換是線性變換,因此用小波變換方法可以分別獲得達(dá)芬有阻尼非線性系統(tǒng)的自由振動(dòng)和簡(jiǎn)諧激勵(lì)振動(dòng),并對(duì)其分別識(shí)別。固有頻率和阻尼比、簡(jiǎn)諧激勵(lì)頻率和幅值、自由振動(dòng)初始振幅等的識(shí)別精度是較高的,而對(duì)非線性參數(shù)的ε識(shí)別誤差較大。
(3) 在用小波變換方法對(duì)范德波爾有阻尼非線性自治方程進(jìn)行識(shí)別時(shí),由于邊界效應(yīng)的存在,會(huì)使得識(shí)別結(jié)果不夠穩(wěn)定,在應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合時(shí),初始值的取值對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響很大。
(4) 鑒于以上的分析,小波變換邊界效應(yīng)的處理是下一步需要研究的方向,從而提高小波變換的識(shí)別精度,特別是對(duì)初值依賴性較強(qiáng)的情況。
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