基于粒子濾波的結構參數和荷載同步識別方法

李天之，劉 綱,b，張亮亮,b

(重慶大學 a土木工程學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

結構參數和荷載的識別對結構健康監測、有限元模型更新等具有重要作用。在假設荷載已知的情況下，基于最小二乘估計[1-2]、擴展卡爾曼濾波(EKF)[3-4]、無味卡爾曼濾波(UKF)[5-7]、粒子濾波(PF)[5,8-9]等眾多時域方法被廣泛應用于非線性系統的參數識別。當已知結構參數時，可采用卡爾曼濾波[10-13]等對荷載激勵進行辨識。在土木結構服役過程中，結構參數的變化和荷載激勵往往都是未知的，將結構參數識別和荷載辨識分開進行研究較難滿足土木工程的實際需求。為解決這一難題，各國學者逐步發展了結構參數與荷載同步識別方法，丁勇等[14]運用正交分解法建立荷載方程，帶入狀態空間方程，再運用改進UKF算法識別參數和荷載，在三層非線性框架的數值模擬中，可成功識別剛度、阻尼等結構參數和隨機荷載；萬志敏等[15]在運用改進粒子濾波算法識別結構參數的同時，運用最小二乘估計求得荷載，數值模擬表明，該法同時識別參數和荷載的效果較好。以上解決方案都采用了2種不同的算法，流程相對復雜。同步識別結構參數與荷載還面臨另一個難題，當僅運用加速度進行長時間荷載識別時，其結果隨著時間的推移逐漸發生偏移，這是基于時域方法的荷載識別過程中難以避免的現象[15]。雖然可以將速度或位移作為觀測值來解決這一問題[5]，但在結構健康監測系統的實際應用中，由于較難測量結構的動態速度或位移，一般僅將加速度作為觀測值；……