[发明专利]一种基于模型修正思想的非线性结构多环节间隙值辨识方法

说明书

本发明提出一种基于模型修正思想的非线性结构多环节间隙值辨识方法，通过对非线性结构进行步进正弦扫频实验，提取不同外激励工况实验下绘制的幅频响应曲线的共振频率和共振幅值，搭建非线性结构的仿真模型并进行动力学分析，构建合适的目标函数，采用优化算法，结合非线性仿真模型，计算对应的目标函数值。当目标函数值最小时对应着优化算法的全局最优解，即为非线性结构中各个环节的间隙值。本方法能够准确辨识得到非线性结构中多个环节的间隙值，同时可以很好地预示非线性结构的动力学特性，且具有良好抗噪性。

技术领域

本发明属于非线性系统辨识领域，特别涉及一种基于模型修正思想的非线性结构多环节间隙值辨识方法。

背景技术

由于加工、制造、装配过程中的不确定性，机械结构中通常存在着间隙、摩擦等非线性因素。其中，间隙非线性的存在导致机械结构各部件之间发生碰撞和冲击，使得结构表现出明显的非线性特征。例如，舵机中的间隙环节会导致舵机系统稳态误差增大，跟踪精度降低，从而影响飞行器的飞行品质；舵面系统中的间隙环节使得结构产生多谐波、跳跃等非线性现象，可能会引起结构的极限环振荡和混沌(见文献何昊南,于开平,唐宏,等.有间隙折叠舵面的振动实验与非线性建模研究[J].力学学报,2019(5):1476-1488)。在传统的研究中，由于结构中的间隙难以直接测量，因此往往忽略机械结构中的非线性，采用线性化方法，将系统简化或等效为线性机械动力学系统，导致无法满足实际工程精细化设计和仿真的需求。因此，为了准确地表征非线性结构的动力学特性，建立高效的非线性结构间隙辨识方法来获取准确的结构间隙值是尤其重要的。

传统工程中，一般采用静刚度试验手段来辨识结构中的间隙值(见文献管德.飞机气动弹性力学手册[M].北京:航空工业出版社,1994)。其具体做法为在远离间隙的区域内对结构进行一系列的正向和反向静态加载，绘制不同载荷下的位移-载荷曲线，且该曲线与横轴的交点就是间隙的边界点。但是，该方法仅适用于中心间隙型刚度，对于间隙区域内刚度不为0的情况，辨识效果较差。经检索发现，吴建华等发明了一种伺服系统间隙辨识方法(见专利吴建华.基于继电反馈的伺服系统间隙辨识方法[P].中国专利:201610105265.7,2016-06-15)，通过不断调试控制器中的延时器和继电器参数并运行电机，待伺服系统稳定振荡后，提取控制器输出信号、电机位置和速度信号估算得到伺服系统的间隙大小。该方法辨识得到的间隙值精度较高，且辨识时间较短，辨识过程实现自动化，但专利中只应用于单间隙的辨识。经检索还发现，马欢等提出了一种双间隙机械机构的间隙解耦辨识方法(见专利马欢.一种双间隙机械结构的间隙解耦辨识方法[P].中国专利:201610204575.4,2016-08-24)。具体做法为，随机生成两个间隙值，反复进行实验并记录不同间隙组合对应的输出响应曲线。通过短时傅里叶变换，将振动分为高频振动区间和低频振动区间，分别拟合得到高频峰值频率和两个间隙之间的关系以及低频峰值频率和两个间隙之间的关系，并利用上述拟合函数分别辨识得到间隙值。该方法能够同时辨识2个结构间隙值，但在辨识前需要进行大量的实验得到高频部分和低频部分与两个间隙之间的关系，工作量较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于模型修正思想的非线性结构多环节间隙值辨识方法，旨在能够方便快速准确辨识得到非线性结构中各个环节的间隙值。

具体包括以下步骤：

步骤1：对非线性结构进行步进正弦扫频实验，得到不同外激励下的非线性系统幅频响应曲线，并提取不同外激励工况实验下幅频响应曲线的共振频率和共振幅值；

步骤2：搭建非线性结构的仿真模型并进行动力学分析，且激励力幅值和扫频范围的设置与步进正弦扫频实验相同；

步骤3：构建目标函数，表征非线性模型信息；

步骤4：选择合适的优化算法计算对应的目标函数值，当目标函数值最小时对应着优化算法的全局最优解即为非线性结构中各个环节的间隙值。

进一步的，所述步骤3中，可采用共振频率或者共振频率与共振幅值组合的方式来构建目标函数。