多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術(shù)

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 常少莉 紀(jì)春陽 解 禾

多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術(shù)

MIMO Vibration Test Method

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 常少莉 紀(jì)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(chǎn)品的真實(shí)工作環(huán)境，是振動試驗的一個發(fā)展方向。本文分析了其產(chǎn)生需求的根本原因，同時介紹了國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用情況，之后對MIMO試驗系統(tǒng)進(jìn)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(shí)施所存在困難。最后針對我國MIMO試驗技術(shù)的發(fā)展提出了建議，并對前景進(jìn)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(huán)境是產(chǎn)品運(yùn)輸和使用過程中非常重要的環(huán)境因素，而且隨著產(chǎn)品復(fù)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(lǐng)域，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間的限制以及可靠性要求的提高，對產(chǎn)品振動響應(yīng)的特性要求越來越苛刻。

早期的單軸振動試驗方法在產(chǎn)品研制中發(fā)揮了重要作用，并衍生了大量的試驗設(shè)備、試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化多樣化，單軸振動試驗的弱點(diǎn)與不足越來越明顯。因此，早在20世紀(jì)90年代前，就已經(jīng)有地震等試驗開始嘗試多臺多軸振動技術(shù)，現(xiàn)在，已經(jīng)在多個領(lǐng)域逐步開始應(yīng)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，驗證產(chǎn)品設(shè)計是否合理，暴露潛在缺陷，從而采取改進(jìn)措施以提高可靠性。以前主要還是采用單臺單軸試驗系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗，即通過振動臺與水平滑臺分別進(jìn)行沿產(chǎn)品三個正交方向的振動試驗，這樣就會出現(xiàn)一個問題：按標(biāo)準(zhǔn)已通過振動試驗的產(chǎn)品在實(shí)際使用中有可能還出現(xiàn)故障，究其原因，主要是由于產(chǎn)品在實(shí)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(shí)際環(huán)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(tǒng)[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(shí)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(fù)雜結(jié)構(gòu)以及對方向性敏感的設(shè)備，需要模擬多維多自由度振動。如車輛運(yùn)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(jié)構(gòu)，或結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，無法通過結(jié)構(gòu)傳遞進(jìn)行振動的試驗件，采用單臺試驗容易造成結(jié)構(gòu)損壞，無法真實(shí)模擬產(chǎn)品的實(shí)際工作環(huán)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(chǎn)品不存在的故障模式等。

2.4 細(xì)長體等結(jié)構(gòu)，在不同位置上的試驗條件不同，單臺無法實(shí)現(xiàn)。目前導(dǎo)彈、火箭和魚雷等產(chǎn)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(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，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(tǒng)環(huán)境與可靠性試驗方法，即使花費(fèi)很長的時間也無法完全暴露壽命期內(nèi)的故障，而且試驗費(fèi)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(nèi)所有故障的暴露。但此類方法往往在級別較小的設(shè)備級產(chǎn)品上實(shí)施。

3 多輸入多輸出（MIMO）振動試驗技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用情況

多輸入多輸出振動試驗技術(shù)是力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)的一個重大進(jìn)步，既然此方法對試驗工作如此重要，那實(shí)際應(yīng)用的情況怎么樣？據(jù)資料[3]介紹，早在 20世紀(jì) 80年代歐美等就開始投入大量資金開展有關(guān)多振動臺振動試驗技術(shù)的研究。

3.1 MIMO國外發(fā)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(tǒng)，開始大部分用于汽車工業(yè)，并逐漸在航空航天以及軍事工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。多輸入輸出試驗系統(tǒng)的核心是控制系統(tǒng)，國外如美國 DP公司、日本制系統(tǒng)開發(fā)商如IMV公司等，近年已成功開發(fā)出商品化的多臺多軸振動控制系統(tǒng)。據(jù)了解，國外擁有多輸入輸出振動試驗系統(tǒng)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(tǒng)。

3.2 MIMO國內(nèi)發(fā)展情況。目前國內(nèi)的多振動臺振動試驗技術(shù)、方法和應(yīng)用還處在起步階段，擁有多振動臺振動試驗系統(tǒng)的單位不多。國內(nèi)有電子五所、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等多家單位正在開展相關(guān)應(yīng)用研究，其側(cè)重點(diǎn)為試驗技術(shù)和方法。而且，據(jù)悉國內(nèi)的MIMO振動控制系統(tǒng)也已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品，但只是還沒有相關(guān)應(yīng)用的報道。

3.3 MIMO試驗標(biāo)準(zhǔn)。由于試驗對象的復(fù)雜性和技術(shù)難度大等原因，1999年頒布的英國國防部標(biāo)準(zhǔn)《國防裝備環(huán)境手冊》中承認(rèn)了多振動臺振動試驗的優(yōu)點(diǎn)，但沒有就多振動臺振動試驗制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2008年出版的MIL-810G中，加入了對MIMO試驗方式的規(guī)定。

目前國內(nèi)還沒有多振動臺振動試驗相關(guān)的試驗規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

4 MIMO試驗方式分類

雖然多輸入多輸出振動試驗的實(shí)際應(yīng)用還處在發(fā)展起步階段，試驗技術(shù)和方法還處在摸索中，但其可觀的應(yīng)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(jìn)行研究開發(fā)，在一些應(yīng)用領(lǐng)域已取得了成功。多輸入多輸出振動試驗系統(tǒng)按照應(yīng)用目的、試驗設(shè)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(tǒng)。多個振動臺沿不同方向同時激勵同一個試件，更加真實(shí)地模擬品的實(shí)際使用的振動環(huán)境，如美國的8臺三軸六自由度振動試驗系統(tǒng)，日本國家宇航局（NASDA）的 10臺三軸六自由度振動試驗系統(tǒng)[6]。

4.2 多臺單軸非同步試驗系統(tǒng)。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(shí)現(xiàn)多個控制點(diǎn)不同的試驗條件，并可以根據(jù)試驗條件控制它們的相位。這種試驗系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，對于細(xì)長體結(jié)構(gòu)的振動試驗，使試件的振動載荷分布更加均勻、合理真實(shí)，減少單臺激勵帶來的應(yīng)力集中，減輕局部欠試驗或過試驗程度，同時使夾具設(shè)計更加靈活方便。吊艙運(yùn)輸或機(jī)載就屬于此類情況。

4.3 多臺單軸同步并激振動試驗系統(tǒng)。多個振動臺并聯(lián)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(tǒng)。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(nèi)，屬于低頻液壓振動試驗系統(tǒng)。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(tǒng)屬于此類系統(tǒng)。

5 MIMO振動試驗的控制器與控制方法

目前國外已經(jīng)有商品化的控制系統(tǒng)產(chǎn)品。國內(nèi)電子五所、702所、北京航空航天大學(xué)、北京機(jī)電工程研究所、南京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位也在進(jìn)行研究。單臺振動控制的難點(diǎn)是共振頻率點(diǎn)或峰值點(diǎn)，而多振動臺控制難點(diǎn)則為反共振點(diǎn)的控制，因為多臺振動存在耦合運(yùn)動，反共振點(diǎn)的均衡影響到其它振動臺的運(yùn)動。多軸振動試驗的各個控制自由度的運(yùn)動之間存在交叉耦合, 即每個自由度的運(yùn)動是各激振器的激勵產(chǎn)生的響應(yīng)的疊加[7]。即使采用各振動方向幾乎獨(dú)立的機(jī)械解耦裝置, 由于試件的反作用效應(yīng), 交叉耦合仍不能忽略。當(dāng)控制點(diǎn)選在試驗件上時, 交叉耦合更強(qiáng)。為了復(fù)現(xiàn)規(guī)定的多軸運(yùn)動,多軸控制的關(guān)鍵是補(bǔ)償交叉耦合, 實(shí)現(xiàn)解耦控制。多軸控制的另一特點(diǎn)是必須控制各自由度之間的相位關(guān)系[8]。

6 MIMO工程應(yīng)用難點(diǎn)

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

6.1 經(jīng)濟(jì)代價較高：MIMO試驗系統(tǒng)一般要采用多個振動臺，試驗系統(tǒng)設(shè)計復(fù)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(shè)計難度大，試驗系統(tǒng)的造價很高，一般用戶難以承受，特別是大型試驗系統(tǒng)。其中，控制器、解耦裝置等基本靠進(jìn)口，價格昂貴，引進(jìn)困難。因此，這類設(shè)備的國產(chǎn)化成為必選。

6.2 技術(shù)難度較大：MIMO振動試驗系統(tǒng)雖然應(yīng)用很多，且MIL-STD-810G有其相關(guān)規(guī)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(huán)境試驗條件來自于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，互譜條件難以確切給出，控制實(shí)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(yùn)動，就可以直接安裝使用，但是多臺試驗系統(tǒng)中方法不通用，不同試驗件需要加以分析并設(shè)計專用工裝夾具，試驗要求高、難度大，需要較高的技術(shù)實(shí)力。

6.3 信息收集難: 為了更好地進(jìn)行振動環(huán)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(huán)境數(shù)據(jù)，如果可能可以進(jìn)行環(huán)境實(shí)測，得到產(chǎn)品的自譜和互譜的數(shù)據(jù)，用實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，可以很好地再現(xiàn)實(shí)際振動環(huán)境。

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

7 小結(jié)

技術(shù)發(fā)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(shù)的進(jìn)展使得在實(shí)驗室中能夠更逼真地模擬實(shí)際使用過程的真實(shí)振動環(huán)境, 為產(chǎn)品的設(shè)計評定提供了更有效和可靠的手段。MMO振動環(huán)境試驗將使航天產(chǎn)品的環(huán)境鑒定和驗收試驗更為有效和可靠。但是，試驗技術(shù)還存在許多尚需進(jìn)一步研究的問題，而且更需要通過擴(kuò)大其工程應(yīng)用的實(shí)踐使人們充分了解其在產(chǎn)品研制過程中的作用?？傊?，MIMO試驗技術(shù)是目前提高振動試驗技術(shù)迫切需要的發(fā)展方向。

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常少莉，1979出生，陜西，碩士，主要研究方向：振動試驗技術(shù)。