多输入多输出（MIMO）振动试验技术

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 常少莉 纪春阳 解 禾

多输入多输出（MIMO）振动试验技术

MIMO Vibration Test Method

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 常少莉 纪春阳 解 禾

多输入多输出（MIMO）振动试验由于可以更好的模拟产品的真实工作环境，是振动试验的一个发展方向。本文分析了其产生需求的根本原因，同时介绍了国内外的发展现状及其应用情况，之后对MIMO试验系统进行了分类，介绍了试验控制器和控制方法，并探讨了其工程实施所存在困难。最后针对我国MIMO试验技术的发展提出了建议，并对前景进行了展望。

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.

多输入多输出；振动；试验

Key words:MIMO; vibration; test

1 引言

振动环境是产品运输和使用过程中非常重要的环境因素，而且随着产品复杂化、智能化和高性能要求的提高，特别是航空、航天、船舶和车辆等工程领域，由于产品结构空间的限制以及可靠性要求的提高，对产品振动响应的特性要求越来越苛刻。

早期的单轴振动试验方法在产品研制中发挥了重要作用，并衍生了大量的试验设备、试验方法和标准规范，但随着产品结构的复杂化多样化，单轴振动试验的弱点与不足越来越明显。因此，早在20世纪90年代前，就已经有地震等试验开始尝试多台多轴振动技术，现在，已经在多个领域逐步开始应用[1]。

2 多输入多输出（MIMO）振动试验的的需求

在航天器的研制过程中，需要通过振动试验了解产品的结构特性，验证产品设计是否合理，暴露潜在缺陷，从而采取改进措施以提高可靠性。以前主要还是采用单台单轴试验系统进行振动试验，即通过振动台与水平滑台分别进行沿产品三个正交方向的振动试验，这样就会出现一个问题：按标准已通过振动试验的产品在实际使用中有可能还出现故障，究其原因，主要是由于产品在实际工作过程中所承受的激励是多维的而非单维的，试验条件与实际环境不同，多维振动试验必须使用多个振动台，在工程中有以下几种情况需要采用多台多轴振动试验系统[2]。

2.1 增加推力。即试验件很大，单台推力有限，对于高量级试验无法实施。一般采用双台、多台并激，多个振动台共用1个平台或没有共用平台直接由多个振动台激励试验件[3]。

2.2 复杂结构以及对方向性敏感的设备，需要模拟多维多自由度振动。如车辆运输模拟、建筑物的地震模拟、飞行器的惯性组件等。

2.3 大型柔性结构，或结构存在薄弱环节，无法通过结构传递进行振动的试验件，采用单台试验容易造成结构损坏，无法真实模拟产品的实际工作环境，如能量分布不合理等，而且单轴试验时间过长有可能引起产品不存在的故障模式等。

2.4 细长体等结构，在不同位置上的试验条件不同，单台无法实现。目前导弹、火箭和鱼雷等产品多采用此类试验装置。

2.5 全轴振动试验，为了更快地暴露产品的薄弱环节，往往采用全轴试验，其效率比单轴试验高出很多，一般情况下，按照传统环境与可靠性试验方法，即使花费很长的时间也无法完全暴露寿命期内的故障，而且试验费用昂贵，但采用加速试验往往只需较短时间就可以完成寿命期内所有故障的暴露。但此类方法往往在级别较小的设备级产品上实施。

3 多输入多输出（MIMO）振动试验技术国内外应用情况

多输入多输出振动试验技术是力学环境试验技术的一个重大进步，既然此方法对试验工作如此重要，那实际应用的情况怎么样？据资料[3]介绍，早在 20世纪 80年代欧美等就开始投入大量资金开展有关多振动台振动试验技术的研究。

3.1 MIMO国外发展情况[4]。美国、日本已研制出比较成熟的多振动台振动试验系统，开始大部分用于汽车工业，并逐渐在航空航天以及军事工业领域广泛应用。多输入输出试验系统的核心是控制系统，国外如美国 DP公司、日本制系统开发商如IMV公司等，近年已成功开发出商品化的多台多轴振动控制系统。据了解，国外拥有多输入输出振动试验系统的用户很多，如：通用电子、日本国家宇航局、德国 BMW公司等。其中大部分是多振动台和多个方向的振动试验系统。

3.2 MIMO国内发展情况。目前国内的多振动台振动试验技术、方法和应用还处在起步阶段，拥有多振动台振动试验系统的单位不多。国内有电子五所、北京航空航天大学、南京航空航天大学等多家单位正在开展相关应用研究，其侧重点为试验技术和方法。而且，据悉国内的MIMO振动控制系统也已经有了商品化的产品，但只是还没有相关应用的报道。

3.3 MIMO试验标准。由于试验对象的复杂性和技术难度大等原因，1999年颁布的英国国防部标准《国防装备环境手册》中承认了多振动台振动试验的优点，但没有就多振动台振动试验制定相关标准。2008年出版的MIL-810G中，加入了对MIMO试验方式的规定。

目前国内还没有多振动台振动试验相关的试验规范和标准。

4 MIMO试验方式分类

虽然多输入多输出振动试验的实际应用还处在发展起步阶段，试验技术和方法还处在摸索中，但其可观的应用前景和作用早已引起世界各国的重视，纷纷投巨资不遗余力地进行研究开发，在一些应用领域已取得了成功。多输入多输出振动试验系统按照应用目的、试验设备类型、频率范围等特征，可以归纳为以下[5]：

4.1 多输入多输出振动试验系统。多个振动台沿不同方向同时激励同一个试件，更加真实地模拟品的实际使用的振动环境，如美国的8台三轴六自由度振动试验系统，日本国家宇航局（NASDA）的 10台三轴六自由度振动试验系统[6]。

4.2 多台单轴非同步试验系统。多个振动台沿同一方向同时激励同一个试件，振动台间的相位可以不同，即不同步，实现多个控制点不同的试验条件，并可以根据试验条件控制它们的相位。这种试验系统的优势在于，对于细长体结构的振动试验，使试件的振动载荷分布更加均匀、合理真实，减少单台激励带来的应力集中，减轻局部欠试验或过试验程度，同时使夹具设计更加灵活方便。吊舱运输或机载就属于此类情况。

4.3 多台单轴同步并激振动试验系统。多个振动台并联沿同一方向同步激励或推拉同一个试件，振动台间的相位相同或相反，即同步，解决单个振动台推力不够的难题。

4.4 多台多轴液压振动试验系统。多个液压振动台同时激励试件，以模拟不同的路谱，频率范围在200Hz以内，属于低频液压振动试验系统。一般如德国BMW公司的4个液压振动台的汽车振动试验系统属于此类系统。

5 MIMO振动试验的控制器与控制方法

目前国外已经有商品化的控制系统产品。国内电子五所、702所、北京航空航天大学、北京机电工程研究所、南京航空航天大学、国防科技大学等单位也在进行研究。单台振动控制的难点是共振频率点或峰值点，而多振动台控制难点则为反共振点的控制，因为多台振动存在耦合运动，反共振点的均衡影响到其它振动台的运动。多轴振动试验的各个控制自由度的运动之间存在交叉耦合, 即每个自由度的运动是各激振器的激励产生的响应的叠加[7]。即使采用各振动方向几乎独立的机械解耦装置, 由于试件的反作用效应, 交叉耦合仍不能忽略。当控制点选在试验件上时, 交叉耦合更强。为了复现规定的多轴运动,多轴控制的关键是补偿交叉耦合, 实现解耦控制。多轴控制的另一特点是必须控制各自由度之间的相位关系[8]。

6 MIMO工程应用难点

多轴试验尽管好处很多，并且其应用具有很大潜3个力，但在我国推广还存在较多难点，主要表现在以下方面[9]：

6.1 经济代价较高：MIMO试验系统一般要采用多个振动台，试验系统设计复杂，需要多轴振动控制器、解耦装置以及其他辅助装置，夹具设计难度大，试验系统的造价很高，一般用户难以承受，特别是大型试验系统。其中，控制器、解耦装置等基本靠进口，价格昂贵，引进困难。因此，这类设备的国产化成为必选。

6.2 技术难度较大：MIMO振动试验系统虽然应用很多，且MIL-STD-810G有其相关规范，但多台多轴振动试验的试验条件制定困难很大，目前多采用自谱控制方式，由于振动环境试验条件来自于大量数据的统计结果，互谱条件难以确切给出，控制实施难度较大。与单台试验不同，单台试验提供了一个共用平台，只要试验件不影响振动台的运动，就可以直接安装使用，但是多台试验系统中方法不通用，不同试验件需要加以分析并设计专用工装夹具，试验要求高、难度大，需要较高的技术实力。

6.3 信息收集难: 为了更好地进行振动环境条件的模拟，除了需要自谱的信息，还需要互谱的信息。所以在试验前，需要收集尽量多的振动环境数据，如果可能可以进行环境实测，得到产品的自谱和互谱的数据，用实测的数据进行试验，可以很好地再现实际振动环境。

6.4 思想观念滞后：目前在相当范围的产品设计人员中还存在着对试验的错误认识，怕产品在试验中出问题，不仅影响试验的推广，而且影响了产品质量与可靠性的提高，因此必须在观念上予以转变。

7 小结

技术发展是永恒的，不可能停留在一个水平上，多输入多输出（MIMO）振动试验技术的进展使得在实验室中能够更逼真地模拟实际使用过程的真实振动环境, 为产品的设计评定提供了更有效和可靠的手段。MMO振动环境试验将使航天产品的环境鉴定和验收试验更为有效和可靠。但是，试验技术还存在许多尚需进一步研究的问题，而且更需要通过扩大其工程应用的实践使人们充分了解其在产品研制过程中的作用。总之，MIMO试验技术是目前提高振动试验技术迫切需要的发展方向。

[1] 赵保平，王刚，高贵福.多输入多输出振动试验应用综述[J].装备环境工程，2006, （3）；

[2] 冯秉初.“3向”环境振动试验与标准环境振动试验的比较[J].强度与环境，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] 张正平.动力学综合环境试验技术现状和发展[C]//中国航天结构强度与环境工程专业信息网2005年度技术信.息交流会论文集.2005;

[7] 贺旭东, 陈怀海, 申凡, 等. 多点简谐振动响应控制下的频响矩阵测试[J] . 航空学报, 2006, 27 : 869—872.;

[8] 高贵福.双台振动试验系统动力学建模与仿真方法研究[D].北京:航天科工集团第三研究院，2005.

[9]张巧寿.多向振动试验系统[C]//中国航天结构强度与环境工程专业信息网 2005年度技术信息交流会论文集.2005.

常少莉，1979出生，陕西，硕士，主要研究方向：振动试验技术。