[发明专利]一种磁流变减振系统动力学建模装置及方法

权利要求书

1.一种基于VMD滤波重构的磁流变减振系统动力学建模装置，其特征在于，包括磁流变减振系统及振动测试系统；

所述磁流变减振系统包括机座、第一弹性元件、第二弹性元件、第一铸铁块、第二铸铁块、偏心激振装置及磁流变减振器，所述第一弹性元件的一端连接于机座底部，另一端连接于第一铸铁块，所述第二弹性元件的一端连接于机座的底部，另一端连接于第二铸铁块，所述第二铸铁块设置在偏心激振装置的振动台面上，所述磁流变减振器设置在第一铸铁块及第二铸铁块之间；

所述振动测试系统包括变频器、位移传感器及模态分解模块，所述变频器连接于偏心激振装置，用于控制偏心激振装置的激振频率，所述位移传感器用于获取第一铸铁块的振动位移信号，并将获取的位移信号发送至模态分解模块，所述模态分解模块用于基于变分模态分解对获取的振动位移信号进行重构得到重构分析信号，建立重构分析信号的自回归滑动平均模型及自回归模型，选取最优的模型作为磁流变减振系统动力学模型；

所述“基于变分模态分解对获取的振动位移信号进行重构得到重构分析信号”具体包括：

确定变分模态分解的模态数K和惩罚因子M的范围及初始值；

判断模态数K和惩罚因子M是否在设定范围内；

若是，则根据模态数K和惩罚因子M对振动位移信号进行变分模态分解，得到各个分解模态；

对各个分解模块进行快速傅里叶变换，计算各个分解模态的频谱的谐波系数；

确定最大的谐波系数，及其对应的分解模态、模态数K和惩罚因子M；

将模态数K加1得到新的模态数K或将惩罚因子M加1得到新的惩罚因子，重复上述步骤，直至模态数K和惩罚因子M达到设定范围；

滤去确定的最大谐波系数对应的模态数K和惩罚因子M对应的分解模态，对原振动位移信号进行重构，得到重构分析信号；

所述“建立重构分析信号的自回归滑动平均模型及自回归模型”具体包括：

根据第一弹性元件的弹性系数k₂、第二弹性元件的弹性系数k₃、第一铸铁块的质量m₂、第二铸铁块的质量m₁、磁流变减振器的阻尼c₁和弹性系数k₁及获取的振动位移信号的重构分析信号y，得到磁流变减振系统的动力学微分方程组

将磁流变减振系统的动力学微分方程组经过Laplace变换并简化整理后获得磁流变减振系统的四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))为Y(s)[m₁m₂s⁴+m₁c₁s³+m₁(k₁+k₂+k₃)s²+m₂c₁s²+m₂(k₂+k₃)s²+k₂c₁s+k₂(k₁+k₃)]＝(c₁s+k₁+k₃)F(s)；

将自回归滑动平均模型进行简化得到同阶的四阶自回归模型AR(y，4)；

所述自回归滑动平均模型包括四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))、三阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(3，1))及二阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(2，1))；所述自回归模型包括四阶自回归模型AR(y，4)、三阶自回归模型AR(y，3)及二阶自回归模型AR(y，2)；

所述“选取最优的模型作为磁流变减振系统动力学模型”具体包括：

获得四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))、三阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(3，1))、二阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(2，1))、四阶自回归模型AR(y，4)、三阶自回归模型AR(y，3)及二阶自回归模型AR(y，2)的拟合位移向量y’；

根据获得的各个模型的拟合位移向量y’，计算各个模型的拟合残差平方和

根据计算得到的各个模型的拟合残差平方和，选择误差最小的模型为最优的磁流变减振系统动力学模型。

2.一种基于VMD滤波重构的磁流变减振系统动力学建模方法，应用于磁流变减振系统动力学建模装置，装置包括磁流变减振系统及振动测试系统；所述磁流变减振系统包括机座、第一弹性元件、第二弹性元件、第一铸铁块、第二铸铁块及偏心激振装置，所述第一弹性元件的一端连接于机座底部，另一端连接于第一铸铁块，所述第二弹性元件的一端连接于机座的底部，另一端连接于第二铸铁块，所述第二铸铁块设置在偏心激振装置的振动台面上，所述第一铸铁块及第二铸铁块之间用于设置被测磁流变减振器；所述振动测试系统包括变频器、位移传感器及模态分解模块，其特征在于，包括以下步骤：

通过变频器控制偏心激振装置的激振频率；

通过位移传感器获取第一铸铁块的振动位移信号，并将获取的位移信号发送至模态分解模块；

模态分解模块基于变分模态分解对获取的振动位移信号进行重构得到重构分析信号，建立重构分析信号的自回归滑动平均模型及自回归模型，选取最优的模型作为磁流变减振系统动力学模型；

所述“基于变分模态分解对获取的振动位移信号进行重构得到重构分析信号”具体包括：

确定变分模态分解的模态数K和惩罚因子M的范围及初始值；

判断模态数K和惩罚因子M是否在设定范围内；

若是，则根据模态数K和惩罚因子M对振动位移信号进行变分模态分解，得到各个分解模态；

对各个分解模块进行快速傅里叶变换，计算各个分解模态的频谱的谐波系数；

确定最大的谐波系数，及其对应的分解模态、模态数K和惩罚因子M；

将模态数K加1得到新的模态数K或将惩罚因子M加1得到新的惩罚因子，重复上述步骤，直至模态数K和惩罚因子M达到设定范围；

滤去确定的最大谐波系数对应的模态数K和惩罚因子M对应的分解模态，对原振动位移信号进行重构，得到重构分析信号；

所述“建立重构分析信号的自回归滑动平均模型及自回归模型”具体包括：

根据第一弹性元件的弹性系数k₂、第二弹性元件的弹性系数k₃、第一铸铁块的质量m₂、第二铸铁块的质量m₁、磁流变减振器的阻尼c₁和弹性系数k₁及获取的振动位移信号的重构分析信号y，得到磁流变减振系统的动力学微分方程组

将磁流变减振系统的动力学微分方程组经过Laplace变换并简化整理后获得磁流变减振系统的四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))为Y(s)[m₁m₂s⁴+m₁c₁s³+m₁(k₁+k₂+k₃)s²+m₂c₁s²+m₂(k₂+k₃)s²+k₂c₁s+k₂(k₁+k₃)]＝(c₁s+k₁+k₃)F(s)；

将自回归滑动平均模型进行简化得到同阶的四阶自回归模型AR(y，4)；

所述自回归滑动平均模型包括四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))、三阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(3，1))及二阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(2，1))；所述自回归模型包括四阶自回归模型AR(y，4)、三阶自回归模型AR(y，3)及二阶自回归模型AR(y，2)；

所述“选取最优的模型作为磁流变减振系统动力学模型”具体包括：

获得四阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(4，1))、三阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(3，1))、二阶自回归滑动平均模型ARMA(y，(2，1))、四阶自回归模型AR(y，4)、三阶自回归模型AR(y，3)及二阶自回归模型AR(y，2)的拟合位移向量y’；

根据获得的各个模型的拟合位移向量y’，计算各个模型的拟合残差平方和

根据计算得到的各个模型的拟合残差平方和，选择误差最小的模型为最优的磁流变减振系统动力学模型。