ترجمه فارسی عنوان مقاله

شناسایی نیروی پایدار در دینامیک سازه ای با استفاده از فیلترینگ کالمن و اندازه گیری های ساختگی

عنوان انگلیسی

Stable force identification in structural dynamics using Kalman filtering and dummy-measurements

کد مقاله	سال انتشار	تعداد صفحات مقاله انگلیسی
53077	2015	14 صفحه PDF

منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes 50–51, January 2015, Pages 235–248

فهرست مطالب ترجمه فارسی

چکیده

کلید واژه ها

1.مقدمه

2.فیلتر کالمن تقویت شده برای سیستم های مکانیکی

2. 1. معادلات حالت تقویت شده

2. 2. معادلات فیلتر کالمن

3.مشخصات پایداری فیلتر کالمن

4.اندازه گیری های ساختگی به منظور جلوگیری از واگرایی

5.گسسته سازی فیلتر کالمن تقویت شده با استفاده از اندازه گیری های ساختگی

6.اعتبارسنجی

6. 1. اعتبارسنجی عددی

6. 2. اعتبار سنجی آزمایشگاهی

7.نتیجه گیری

شکل 1. سیستم فشرده ی جرم-فنر-میراگر برای اعتبارسنجی عددی

شکل 2. نیروی برآورد شده با اندازه گیری کامل شتاب. (a) شبیه سازی کامل و (b) دید نزدیک بر روی نقطه ی اوج.

شکل 3. نیروی برآوردشده با اندازه گیری دسته بندی شده ی شتاب. (a) شبیه سازی کامل و (b) دید نزدیک بر روی نقطه ی اوج.

شکل 4. موقعیت، سرعت و شتاب جرم اول با اندازه گیری کامل شتاب.

شکل 5. موقعیت، سرعت و شتاب جرم اول با اندازه گیری دسته بندی شده ی شتاب.

شکل 6. موقعیت، سرعت و شتاب جرم آخر با اندازه گیری کامل شتاب.

شکل 7. موقعیت، سرعت و شتاب جرم اول با اندازه گیری دسته بندی شده ی شتاب.

شکل 8. حد وسط کواریانس تخمین زده شده. (a) اندازه گیری کامل و (b) اندازه گیری دسته بندی شده.

شکل 9. تیر طره.

شکل 10. نیروهای تخمین زده شده توسط روش آزمایشگاهی.

شکل 11. اندازه گیری های شتاب بر روی تیر طره.

شکل 12. نیروهای تخمین زده شده با انحراف توسط روش آزمایشگاهی.

جدول 1. مشخصات تیر طره

جدول 2. مشخصات سنسورها بر روی تیر طره

ترجمه کلمات کلیدی

برآورد نیروی؛ دینامیک سازه؛ فیلتر کالمن

کلمات کلیدی انگلیسی

Force estimation; Structural dynamics; Kalman filtering

ترجمه چکیده

در بسیاری از کاربردهای مهندسی لازم است در مورد نیروهای وارده به سیستم های مکانیکی آگاهی داشته باشیم. با این حال، در عمل اندازه گیری مستقیم این نیروها بسیار مشکل است. به منظور دستیابی به تخمینی از نیروهای وارده بر سیستم های سازه ای، اخیرا روش های مبتنی بر فیلترینگ کالمن ارائه شده اند. با استفاده از این روش های تخمین حالت، می توان نیروهای متناظر با حالت های سیستم را بر اساس تعداد محدودی اندازه گیری تخمین زد. در عمل، اندازه گیری های شتاب در موارد مربوط به دینامیک سازه راحت تر مورد استفاده قرار می گیرند. این مقاله یک روش تحلیلی از پایداری روش های تخمین نیروی مبتنی بر کالمن پیشنهاد می کند و نشان می دهد که تنها استفاده از اندازه گیری های شتاب به طور ذاتی منجر به نتایج غیرموثقی می شود. برای حل این موضوع، افزودن اندازه گیری های ساختگی بر روی تراز موقعیت پیشنهاد شده است. این اندازه گیری های ساختگی به تخمین گر القا می کند که به حالت تغییرشکل نیافته بازگردد و منجر به یک روش تخمین پایدار می شود. روش پیشنهادی هم از طریق آزمایش های عددی و هم آزمایش های عملی اعتبارسنجی می شود. هر دو آزمایش نامناسب بودن فیلتر کالمن تقویت شده را برای دستیابی به نتایج پایدار تنها با استفاده از اندازه گیری های شتاب نشان می دهند. از سوی دیگر تخمین گر با اندازه گیری های ساختگی نتایج خوبی را در مورد نیروی خارجی بدون تورش ارائه می کند.

ترجمه مقدمه

بسیاری از کاربردهای مکانیکی همچون پایش وضعیت و کنترل ارتعاشات هم در سازه های عمرانی و هم در ماشین آلات، نیازمند تخمین حالت ها و نیروهای وارده بر سیستم های سازه ای است. به علاوه، در اکثر این موارد اندازه گیری تمام حالت ها و نیروهای وارده عملی نیست. این مسئله می تواند به دلایل زیر باشد: • بالابودن هزینه ی سنسورها، • جاگذاری سنسورها ممکن است سازه را در معرض خطر قرار دهد، • ممکن است سنسورهای موردنیاز وجود نداشته باشند. در چنین مواردی، مدل های سیستم تحت بررسی را می توان به عنوان منابعی از اطلاعات به منظور استخراج اطلاعات بیشتر از مجموعه ی محدودی از اندازه گیری ها مورد استفاده قرار داد. یکی از مسائل دینامیک سازه، نیاز به تخمین نیروی وارده در حین عملیات است. پیشتر این مسئله در دامنه ی فرکانسی حل می شد اما اخیرا بیشتر از روش های دامنه ی زمانی استفاده می شود. یک بررسی اجمالی توسط Stevens [1] و Nordström [2] وKlinkov [3] در این مورد صورت گرفته است. این روش های قطعی فرض می کنند که مدل کاملا معلوم است درحالیکه در واقعیت چنین نیست. از این نقطه نظر، اخیرا روش های تصادفی برای برآورد نیروی وارده ارائه شده اند. در شصت سال اخیر Kalman روشی را ارائه کرد که اکنون به عنوان فیلتر کالمن (KF) شناخته می شود [4، 5]. این روش یک الگوریتم بخصوص موثر و کاربردی برای تخمین حالت سیستم های خطی ارائه می کند که با توجه به کواریانس خطای موردانتظار به یک پاسخ بهینه منجر می شود. در چارچوب اولیه ی این روش فرض بر آن بود که همه ی نیروهای وارده معلوم هستند، اما در طی سالیان روش های مبتنی بر فیلتر کالمن بسیاری برای تخمین جفت شده یحالت و نیروهای وارده در کتب مختلف پیشنهاد شده اند [6-11]. با این حال، کاربرد این روش ها در مسائل دینامیک سازه و اعتبارسنجی کاربرد کلی شان تا اندازه ای محدود است. Ma و همکاران [12، 13] یک روش مبتنی بر کالمن برای مسائل دینامیک سازه ارائه کردند که در آن از فیلتر کالمن برای تعیین حالت ها بکار گرفته می شود و از یک فیلتر جداگانه مبتنی بر روش بازگشتی حداقل مربعات برای تخمین نیروی وارده استفاده می شود. در عین حال، این روش به اندازه گیری کامل حالت نیاز دارد که ممکن است در عمل امکان پذیر نباشد. این مسئله می تواند بصورت بالقوه با به کاربردن یک مدل تطبیقی اصلاح شود [14]. بعلاوه، با درنظر نگرفتن نیروی وارده ی مجهول در فیلتر کاملن، خطاهای بایاس بسادگی در نتایج افزایش می یابند [6]. Hwang و همکاران [15] یک روش مبتنی بر فیلتر کالمن پیشنهاد کردند که در آن تخمین حالت ها و نیروهای خارجی جفت می شوند و به اندازه گیری کامل حالت نیاز ندارد. در این روش تمام عدم قطعیت مدل در نیروی مجهول فرض می شود. تنظیم فیلتر پیشنهاد شده از طریق انطباق کواریانس اختلال اندازه گیری انجام می شود که این کار باعث ایجاد ابهاماتی در مورد سازگاری و مفید بودن این روش می شود. Lourens و همکاران [16] یک تخمین گر جفت شده مبتنی بر حالت و فیلتر کالمن تقویت شده پیشنهاد کردند. در این روش حالت های معمول با نیروهای مجهول تقویت شدند تا بتوان آن ها را تواما برآورد کرد. این روش به طور خلاصه در بخش 2 بررسی می شود و در ادامه ی این فصل با جزئیات بیشتری مطرح می شود. به منظور دست یابی به یک روش مقرون بصرفه و با کاربرد آسان، روش های پیشنهادی برای تخمین نیروی وارده مبتنی بر اندازه گیری شتاب اند. تا کنون ویژگی های پایداری این فیلترها در تخمین های بلندمدت بررسی نشده اند. این مقاله تحلیل پایداری برای الگوریتم های مبتنی بر کالمن تقویت شده در بخش 3 ارائه می کند و نشان می دهد که روش های مبتنی بر اندازه گیری های شتاب بطور ذاتی ناپایدارند. به دلیل اینکه تخمین کواریانس خطا در مورد KF تقویت شده، شکل نسبتا ساده ی معادلات ریکاتی را دارد، این ویژگی های پایداری می توانند بطور تحلیلی اثبات شوند. با این حال توجه به این نکته ضروری است که اگرچه این تحلیل برای این روش به سادگی روش های دیگر نیست [11، 17]، مسائل پایداری مشابهی ممکن است مطرح شوند. این مقاله در بخش 4 پیشنهاد می کند به منظور پایدار کردن نتایج، برای موقعیت ها اندازه گیری های ساختگی اضافه شوند. به علت که تغییرشکل های کوچکی که معمولا با مسائل دینامیک سازه همراه هستند و در نتیجه اندازه گیری واقعی موقعیت اغلب غیرعملی هستند، این روش انتخاب شد. لازم است کواریانس خطای مربوط به این اندازه گیری هاتا مرتبه ی بزرگی تغییرشکل های موردانتظار سیستم تنظیم شده و نتایج خوبی حاصل شود. در بخش 5 نسخه ی گسسته ی تخمین گر پیشنهادی به طور خلاصه آمده است. در نهایت، در بخش 6 یک آزمایش عملی و یک آزمایش عددی برای کمیت سازی ناپایداری ها و همچنین اعتبارسنجی کارکرد روش پیشنهادی با استفاده از اندازه گیری های ساختگی انجام می شود. این نتایج آزمایشگاهی به وضوح مزیت افزودن اندازه گیری های ساختگی را در بلندمدت نشان می دهد. لازم است به این نکته توجه شود که روش پیشنهادی در این مقاله را می توان بدون توجه به ماهیت مختصاتی مدل سازه به کار برد. نتایج روش پیشنهادی برای مختصات کارتزین و مختصات مودال در بخش های 6. 1 و 6. 2 آمده اند.

دانلود رایگان 2 صفحه اول مقاله لاتین (PDF)

پیش نمایش مقاله

چکیده انگلیسی

Many engineering applications require the knowledge of input forces to mechanical systems. However, in practice, it is quite difficult to measure these forces directly. In order to obtain an estimate of the input forces to structural systems, Kalman filtering based techniques have recently been introduced. These state-estimation techniques allow estimating the forces concurrent with the states of a system, based on a limited number of measurements. In practice, acceleration measurements are most convenient to use in structural dynamics applications. This paper proposes an analytical analysis of the stability of the Kalman based force estimation techniques and shows that only using acceleration measurements inherently leads to unreliable results. In order to circumvent this issue, the addition of dummy-measurements on a position level is proposed. These fictitious measurements dictate the estimator to return to an undeformed state and lead to a stable estimation approach. The proposed method is validated through both a numerical and a practical experiment. Both experiments show the inadequacy of the augmented Kalman filter based on only acceleration measurements to provide stable results. The estimator with dummy measurements on the other hand provides good results in the case of an unbiased external load.