多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術

文 | 工業和信息化部電子第五研究所 常少莉 紀春陽 解 禾

多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術

MIMO Vibration Test Method

文 | 工業和信息化部電子第五研究所 常少莉 紀春陽 解 禾

多輸入多輸出（MIMO）振動試驗由于可以更好的模擬產品的真實工作環境，是振動試驗的一個發展方向。本文分析了其產生需求的根本原因，同時介紹了國內外的發展現狀及其應用情況，之后對MIMO試驗系統進行了分類，介紹了試驗控制器和控制方法，并探討了其工程實施所存在困難。最后針對我國MIMO試驗技術的發展提出了建議，并對前景進行了展望。

Abstract:MIMO vibration test is a main development trend of vibration test because it can simulate the true environment of the product operation better than single-shaker vibration test. In this paper, the theory and practice of the multi-shaker vibration were introduced. Some suggestions on the development of multi-shaker vibration tests technology were put forward at the end of the paper.

多輸入多輸出；振動；試驗

Key words:MIMO; vibration; test

1 引言

振動環境是產品運輸和使用過程中非常重要的環境因素，而且隨著產品復雜化、智能化和高性能要求的提高，特別是航空、航天、船舶和車輛等工程領域，由于產品結構空間的限制以及可靠性要求的提高，對產品振動響應的特性要求越來越苛刻。

早期的單軸振動試驗方法在產品研制中發揮了重要作用，并衍生了大量的試驗設備、試驗方法和標準規范，但隨著產品結構的復雜化多樣化，單軸振動試驗的弱點與不足越來越明顯。因此，早在20世紀90年代前，就已經有地震等試驗開始嘗試多臺多軸振動技術，現在，已經在多個領域逐步開始應用[1]。

2 多輸入多輸出（MIMO）振動試驗的的需求

在航天器的研制過程中，需要通過振動試驗了解產品的結構特性，驗證產品設計是否合理，暴露潛在缺陷，從而采取改進措施以提高可靠性。以前主要還是采用單臺單軸試驗系統進行振動試驗，即通過振動臺與水平滑臺分別進行沿產品三個正交方向的振動試驗，這樣就會出現一個問題：按標準已通過振動試驗的產品在實際使用中有可能還出現故障，究其原因，主要是由于產品在實際工作過程中所承受的激勵是多維的而非單維的，試驗條件與實際環境不同，多維振動試驗必須使用多個振動臺，在工程中有以下幾種情況需要采用多臺多軸振動試驗系統[2]。

2.1 增加推力。即試驗件很大，單臺推力有限，對于高量級試驗無法實施。一般采用雙臺、多臺并激，多個振動臺共用1個平臺或沒有共用平臺直接由多個振動臺激勵試驗件[3]。

2.2 復雜結構以及對方向性敏感的設備，需要模擬多維多自由度振動。如車輛運輸模擬、建筑物的地震模擬、飛行器的慣性組件等。

2.3 大型柔性結構，或結構存在薄弱環節，無法通過結構傳遞進行振動的試驗件，采用單臺試驗容易造成結構損壞，無法真實模擬產品的實際工作環境，如能量分布不合理等，而且單軸試驗時間過長有可能引起產品不存在的故障模式等。

2.4 細長體等結構，在不同位置上的試驗條件不同，單臺無法實現。目前導彈、火箭和魚雷等產品多采用此類試驗裝置。

2.5 全軸振動試驗，為了更快地暴露產品的薄弱環節，往往采用全軸試驗，其效率比單軸試驗高出很多，一般情況下，按照傳統環境與可靠性試驗方法，即使花費很長的時間也無法完全暴露壽命期內的故障，而且試驗費用昂貴，但采用加速試驗往往只需較短時間就可以完成壽命期內所有故障的暴露。但此類方法往往在級別較小的設備級產品上實施。

3 多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術國內外應用情況

多輸入多輸出振動試驗技術是力學環境試驗技術的一個重大進步，既然此方法對試驗工作如此重要，那實際應用的情況怎么樣？據資料[3]介紹，早在 20世紀 80年代歐美等就開始投入大量資金開展有關多振動臺振動試驗技術的研究。

3.1 MIMO國外發展情況[4]。美國、日本已研制出比較成熟的多振動臺振動試驗系統，開始大部分用于汽車工業，并逐漸在航空航天以及軍事工業領域廣泛應用。多輸入輸出試驗系統的核心是控制系統，國外如美國 DP公司、日本制系統開發商如IMV公司等，近年已成功開發出商品化的多臺多軸振動控制系統。據了解，國外擁有多輸入輸出振動試驗系統的用戶很多，如：通用電子、日本國家宇航局、德國 BMW公司等。其中大部分是多振動臺和多個方向的振動試驗系統。

3.2 MIMO國內發展情況。目前國內的多振動臺振動試驗技術、方法和應用還處在起步階段，擁有多振動臺振動試驗系統的單位不多。國內有電子五所、北京航空航天大學、南京航空航天大學等多家單位正在開展相關應用研究，其側重點為試驗技術和方法。而且，據悉國內的MIMO振動控制系統也已經有了商品化的產品，但只是還沒有相關應用的報道。

3.3 MIMO試驗標準。由于試驗對象的復雜性和技術難度大等原因，1999年頒布的英國國防部標準《國防裝備環境手冊》中承認了多振動臺振動試驗的優點，但沒有就多振動臺振動試驗制定相關標準。2008年出版的MIL-810G中，加入了對MIMO試驗方式的規定。

目前國內還沒有多振動臺振動試驗相關的試驗規范和標準。

4 MIMO試驗方式分類

雖然多輸入多輸出振動試驗的實際應用還處在發展起步階段，試驗技術和方法還處在摸索中，但其可觀的應用前景和作用早已引起世界各國的重視，紛紛投巨資不遺余力地進行研究開發，在一些應用領域已取得了成功。多輸入多輸出振動試驗系統按照應用目的、試驗設備類型、頻率范圍等特征，可以歸納為以下[5]：

4.1 多輸入多輸出振動試驗系統。多個振動臺沿不同方向同時激勵同一個試件，更加真實地模擬品的實際使用的振動環境，如美國的8臺三軸六自由度振動試驗系統，日本國家宇航局（NASDA）的 10臺三軸六自由度振動試驗系統[6]。

4.2 多臺單軸非同步試驗系統。多個振動臺沿同一方向同時激勵同一個試件，振動臺間的相位可以不同，即不同步，實現多個控制點不同的試驗條件，并可以根據試驗條件控制它們的相位。這種試驗系統的優勢在于，對于細長體結構的振動試驗，使試件的振動載荷分布更加均勻、合理真實，減少單臺激勵帶來的應力集中，減輕局部欠試驗或過試驗程度，同時使夾具設計更加靈活方便。吊艙運輸或機載就屬于此類情況。

4.3 多臺單軸同步并激振動試驗系統。多個振動臺并聯沿同一方向同步激勵或推拉同一個試件，振動臺間的相位相同或相反，即同步，解決單個振動臺推力不夠的難題。

4.4 多臺多軸液壓振動試驗系統。多個液壓振動臺同時激勵試件，以模擬不同的路譜，頻率范圍在200Hz以內，屬于低頻液壓振動試驗系統。一般如德國BMW公司的4個液壓振動臺的汽車振動試驗系統屬于此類系統。

5 MIMO振動試驗的控制器與控制方法

目前國外已經有商品化的控制系統產品。國內電子五所、702所、北京航空航天大學、北京機電工程研究所、南京航空航天大學、國防科技大學等單位也在進行研究。單臺振動控制的難點是共振頻率點或峰值點，而多振動臺控制難點則為反共振點的控制，因為多臺振動存在耦合運動，反共振點的均衡影響到其它振動臺的運動。多軸振動試驗的各個控制自由度的運動之間存在交叉耦合, 即每個自由度的運動是各激振器的激勵產生的響應的疊加[7]。即使采用各振動方向幾乎獨立的機械解耦裝置, 由于試件的反作用效應, 交叉耦合仍不能忽略。當控制點選在試驗件上時, 交叉耦合更強。為了復現規定的多軸運動,多軸控制的關鍵是補償交叉耦合, 實現解耦控制。多軸控制的另一特點是必須控制各自由度之間的相位關系[8]。

6 MIMO工程應用難點

多軸試驗盡管好處很多，并且其應用具有很大潛3個力，但在我國推廣還存在較多難點，主要表現在以下方面[9]：

6.1 經濟代價較高：MIMO試驗系統一般要采用多個振動臺，試驗系統設計復雜，需要多軸振動控制器、解耦裝置以及其他輔助裝置，夾具設計難度大，試驗系統的造價很高，一般用戶難以承受，特別是大型試驗系統。其中，控制器、解耦裝置等基本靠進口，價格昂貴，引進困難。因此，這類設備的國產化成為必選。

6.2 技術難度較大：MIMO振動試驗系統雖然應用很多，且MIL-STD-810G有其相關規范，但多臺多軸振動試驗的試驗條件制定困難很大，目前多采用自譜控制方式，由于振動環境試驗條件來自于大量數據的統計結果，互譜條件難以確切給出，控制實施難度較大。與單臺試驗不同，單臺試驗提供了一個共用平臺，只要試驗件不影響振動臺的運動，就可以直接安裝使用，但是多臺試驗系統中方法不通用，不同試驗件需要加以分析并設計專用工裝夾具，試驗要求高、難度大，需要較高的技術實力。

6.3 信息收集難: 為了更好地進行振動環境條件的模擬，除了需要自譜的信息，還需要互譜的信息。所以在試驗前，需要收集盡量多的振動環境數據，如果可能可以進行環境實測，得到產品的自譜和互譜的數據，用實測的數據進行試驗，可以很好地再現實際振動環境。

6.4 思想觀念滯后：目前在相當范圍的產品設計人員中還存在著對試驗的錯誤認識，怕產品在試驗中出問題，不僅影響試驗的推廣，而且影響了產品質量與可靠性的提高，因此必須在觀念上予以轉變。

7 小結

技術發展是永恒的，不可能停留在一個水平上，多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術的進展使得在實驗室中能夠更逼真地模擬實際使用過程的真實振動環境, 為產品的設計評定提供了更有效和可靠的手段。MMO振動環境試驗將使航天產品的環境鑒定和驗收試驗更為有效和可靠。但是，試驗技術還存在許多尚需進一步研究的問題，而且更需要通過擴大其工程應用的實踐使人們充分了解其在產品研制過程中的作用。總之，MIMO試驗技術是目前提高振動試驗技術迫切需要的發展方向。

[1] 趙保平，王剛，高貴福.多輸入多輸出振動試驗應用綜述[J].裝備環境工程，2006, （3）；

[2] 馮秉初.“3向”環境振動試驗與標準環境振動試驗的比較[J].強度與環境，2001,（2）

[3] Whitem an W E. Fatigue failure results formulti-axia. versus uniaxial stress vibration testing [J] Shock and Vibration 2002, (9):319—328.

[4] Whitem an W E. Multi-axial versus uniaxial vibration testing: a research plan for comparison A .P. of MAC 19C. 2001:445-449;

[5] JAGUAR. Multiple shaker control[EB/OL].SD Technical Note(2003-8-10) [2003-3-12].

[6] 張正平.動力學綜合環境試驗技術現狀和發展[C]//中國航天結構強度與環境工程專業信息網2005年度技術信.息交流會論文集.2005;

[7] 賀旭東, 陳懷海, 申凡, 等. 多點簡諧振動響應控制下的頻響矩陣測試[J] . 航空學報, 2006, 27 : 869—872.;

[8] 高貴福.雙臺振動試驗系統動力學建模與仿真方法研究[D].北京:航天科工集團第三研究院，2005.

[9]張巧壽.多向振動試驗系統[C]//中國航天結構強度與環境工程專業信息網 2005年度技術信息交流會論文集.2005.

常少莉，1979出生，陜西，碩士，主要研究方向：振動試驗技術。