一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法技术方案

本发明专利技术提出一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，属于钢绞线张力测试技术领域，所述识别方法包含，构建钢绞线的ARX模型；构建钢绞线张力的识别指标；根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系；通过所建立的钢绞线张力随识别指标之间的函数关系对钢绞线张力进行识别。本发明专利技术方法采用系统辨识方法能够有效识别钢绞线张力引起的系统导波传播特性变化，以ARX系统辨识模型参数作为特征向量，构建预应力钢绞线张力识别指标Istf，随钢绞线张力增大，拟合效果良好，识别度高。

A Tension Recognition Method for Steel Strand Using ARX System Identification Model

【技术实现步骤摘要】
一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法
本专利技术属于钢绞线张力测试
，具体涉及一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法。
技术介绍
预应力钢绞线广泛应用于土木工程建筑物，更是大跨度桥梁最重要的受力构件，如梁桥的预应力主筋、拱桥吊杆及斜拉桥拉索等。钢绞线长期处于高应力状态，对环境侵蚀及结构徐变非常敏感，经常出现实际保有应力值下降，从而衍生结构开裂、下挠等病害，降低大跨度结构的承载能力和耐久性。通常，钢绞线由于其防腐蚀需要而处于层层保护之中，在其防腐性能提高的同时也增大了钢绞线日常检测监测的难度。在役结构钢绞线应力检测评估一直是土木工程领域面临的技术难题，相对成熟的钢绞线应力测试技术聚焦于应力增量的检测且需在早期预埋，无法满足大量服役期间预应力及索结构的绝对应力检测应用需求。超声导波是近年来研究较多的一种结构无损检测方法，相比于传统超声波检测使用的体波，导波由波导介质边界多次反射形成，其传播特性与介质的边界条件及局部缺陷密切相关，能够反映波导体的缺陷特征及力学边界变化，目前已应用于管道、锚杆等结构的缺陷检测。相比与管道、锚杆这类规则构件，超声导波在钢绞线中的传播特性更为复杂。众多研究成果表明，钢绞线中导波传播携带有明显的张力信息，但仍缺乏具有宽泛实用条件的张力识别方法。弹性波在固体中的传播是一个弹性动力学问题，通过波动方程并代入几何边界条件和力学边界条件，可求解模态特征方程。对于单根高强钢丝而言，经典柱波导理论已可求得纵波、弯曲波、扭转波等模态曲线。但是，钢绞线结构复杂，多根钢丝接触耦合问题使得建立导波传播数学模型非常困难，目前尚无解析解。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，基于钢绞线张力变化引起导波传播特性变化，导波传播特性变化引起ARX系统辨识模型中的参数变化，以模型参数建立指标则指标在变化，从而最终是应力变化引起的指标变化，使得识别指标能够表征应力状态。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，所述识别方法包含，构建钢绞线的ARX模型；构建钢绞线张力的识别指标；根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系；通过所建立的钢绞线张力随识别指标之间的函数关系对钢绞线张力进行识别。可选的，所述构建钢绞线的ARX模型，包含如下步骤，将钢绞线导波传播系统的ARX模型表示为A(q)y(t)＝B(q)u(t)+e(t)其中，u(t)为输入序列；y(t)为输出序列；e(t)为零均值的随机噪声；A(q)、B(q)为关于平移算子q的多项式，定义为：A(q)＝1+a1q-1+a2q-2+…+anq-nB(q)＝1+b1q-1+b2q-2+…+bmq-m其中，a1，a2，...，an、b1，b2，...，bm表示模型参数，n、m为模型参数个数；则钢绞线的ARX模型可展开为：y(t)＝-a1y(t-1)-…-any(t-n)+b1u(t-1)+…+bmu(t-m)+e(t)将上式整理后，可得，其中，为样本集合；θ为被辨识的参数的集合，θ＝[a1，a2，...，an，b1，b2，...，bm]。可选的，所述构建钢绞线张力的识别指标，包含如下步骤：提取不同张力条件下钢绞线的ARX模型的自回归参数作为特征向量；以钢绞线张拉到预定阈值状态下的ARX模型参数作为基准值，计算各张力状态下ARX模型参数与基准值之间距离作为钢绞线张力的识别指标。可选的，所述根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系，包含如下步骤：将导波激发传感器和导波接受传感器布置到选定钢绞线的两个端面；将选定的钢绞线一端固定在钢绞线张拉锚固综合试验台的一端，选定钢绞线的另一端通过钢绞线张拉锚固综合试验台进行张拉；当选定钢绞线张拉或卸载至预定载荷后，保持该预定载荷至设定时间，通过所述导波激发传感器产生激发脉冲，并通过所述导波接受传感器采集导波信号；对输出端所采集到的导波信号进行数据处理，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系。可选的，所述激发传感器产生激发脉冲的激励波源函数为，其中，Vi(t)为矩形窗函数，f0为起始频率，f为截止频率，Δf为步进频率。可选的，所述以钢绞线张拉到预定阈值状态下的ARX模型参数作为基准值，计算各张力状态下ARX模型参数与基准值之间距离作为钢绞线张力的识别指标，包含如下步骤：以钢绞线张拉到70％Fm状态下的ARX模型参数作为基准值，其中Fm表示钢绞线最大受力，计算各张力状态下模型参数与基准值之间距离作为张力识别指标，则有：假设70％Fm状态下的ARX模型为：y7(t)+a71y7(t-1)+…+a7ny7(t-n)＝b71u7(t-1)+…+b7mu7(t-m)+e7(t)取模型参数，a71，a72，...，a7n构成特征向量作为张力识别指标计算的基准值，20％～60％Fm张力状态下的模型为：yi(t)+ai1yi(t-1)+…+αinyi(t-n)＝bi1ui(t-1)+…+bimui(t-m)+ei(t)其中，i取2、3、4、5、6，以参数ai1，ai2，...，ain构成特征向量作为识别指标计算的状态值，则识别指标满足：Istf＝(α71-αi1)2+(a72-ai2)2+…+(a7n-ain)2其中，Istf为钢绞线张力的识别指标。可选的，所述对输出端所采集到的导波信号进行数据处理，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系，包含如下步骤，对输出端所采集到的导波信号进行去除均值和趋势项处理；对经过去除均值和趋势项处理的数据采用AIC准则法确定钢绞线ARX模型的最佳阶数，满足：其中，表示似然函数最大值，k为钢绞线ARX模型中的参数个数；在钢绞线ARX模型最佳阶数确定后，验证钢绞线ARX模型辨识的准确性，满足：其中，fit表示真实值与实测值之间的拟合度，Q为残差平方和，y为实测输出值，y*为根据钢绞线ARX模型计算的输出值；采用最小二乘法拟合所采集的真实数据，采用确定系数，评价拟合效果，其中，yi为实际应力值，为平均值，f(xi)为ARX模型预测应力值；根据拟合后的系数，以识别指标值Istf为自变量，以钢绞线张力为因变量，建立钢绞线张力F随实测指标值Istf之间函数关系。可选的，所述识别方法还包含：改变试验分析过程中的试验条件对钢绞线张力随识别指标之间的函数关系进行分析验证。本专利技术的有益效果在于：采用系统辨识方法能够有效识别钢绞线张力引起的系统导波传播特性变化，以ARX系统辨识模型参数作为特征向量，构建预应力钢绞线张力识别指标Istf，随钢绞线张力增大，拟合效果良好，识别度高。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术识别方法流程图；图2为本专利技术实施例中钢绞线张拉锚固综合试验台示意图；图3为本专利技术实施例导波激发传感器产生激发脉冲波形图；图4为本专利技术实施例20％Fm张力情况下导波接受传感器采集的导波信号；图5为本专利技术实施例70％Fm张力情况下导波接受传感器采集的导波信号；图6为本专利技术实施例钢绞线ARX模型的拟合度对比图；图7为本专利技术实施例识别指标随张力变化的曲线图；图8为本专利技术实施例不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述识别方法包含，构建钢绞线的ARX模型；构建钢绞线张力的识别指标；根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系；通过所建立的钢绞线张力随识别指标之间的函数关系对钢绞线张力进行识别。

【技术特征摘要】
1.一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述识别方法包含，构建钢绞线的ARX模型；构建钢绞线张力的识别指标；根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系；通过所建立的钢绞线张力随识别指标之间的函数关系对钢绞线张力进行识别。2.根据权利要求1所述的一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述构建钢绞线的ARX模型，包含如下步骤，将钢绞线导波传播系统的ARX模型表示为：A(q)y(t)＝B(q)u(t)+e(t)其中，u(t)为输入序列；y(t)为输出序列；e(t)为零均值的随机噪声；A(q)、B(q)为关于平移算子q的多项式，定义为：A(q)＝1+a1q-1+a2q-2+…+anq-nB(q)＝1+b1q-1+b2q-2+…+bmq-m其中，a1，a2，...，an、b1，b2，...，bm表示模型参数，n、m为模型参数个数；则钢绞线的ARX模型可展开为：y(t)＝-a1y(t-1)-…-any(t-n)+b1u(t-1)+…+bmu(t-m)+e(t)将上式整理后，可得，其中，为样本集合；θ为被辨识的参数的集合，θ＝[a1，a2，...，an，b1，b2，...，bm]。3.根据权利要求2所述的一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述构建钢绞线张力的识别指标，包含如下步骤：提取不同张力条件下钢绞线的ARX模型的自回归参数作为特征向量；以钢绞线张拉到预定阈值状态下的ARX模型参数作为基准值，计算各张力状态下ARX模型参数与基准值之间距离作为钢绞线张力的识别指标。4.根据权利要求3所述的一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述根据所建立的钢绞线的ARX模型，进行试验分析，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系，包含如下步骤：将导波激发传感器和导波接受传感器布置到选定钢绞线的两个端面；将选定的钢绞线一端固定在钢绞线张拉锚固综合试验台的一端，选定钢绞线的另一端通过钢绞线张拉锚固综合试验台进行张拉；当选定钢绞线张拉或卸载至预定载荷后，保持该预定载荷至设定时间，通过所述导波激发传感器产生激发脉冲，并通过所述导波接受传感器采集导波信号；对输出端所采集到的导波信号进行数据处理，建立钢绞线张力随识别指标之间的函数关系。5.根据权利要求4所述的一种采用ARX系统辨识模型的钢绞线张力识别方法，其特征在于：所述激发传感器产生激发脉冲的激励波源函数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建庭，钱骥，王旭，李长春，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50