振动控制技术现状与进展

第２８卷第３期
振动与冲击
ＪＯＩ７ＲＮ＾ｆ．ＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤ．ｑＨＯＣＫ
振动控制技术现状与进展
陈章位，于慧君
（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州３１００２７）
摘要：总结了白２０世纪４０年代开始振动试验研究以来振动控制技术的发展，论述了在振动控制算法以及振动试验激振设备等方面周内外研究所取得的主要成就。

在此基础上提ｆｉ｛ｒ振动控制技术今后值得父注的研究方向和重点，如实际振动环境复现试验控制、多轴多自由度振动控制等。

关键词：振动控制；振动试验；进展；展望
中图分类号：ＴＢ５３４＋．２文献标识码：Ａ
自从在二次世界大战中战斗机等多种军用设备因受振动而造成损坏的现象引起重视后，为了更好地模拟产品的真实振动环境、对产品可靠性进行检验，２０世纪４０年代开始人们引入了振动试验。

随着现代科学技术的进步，振动试验在产品的生产、设计以及可靠性、耐久性试验方面起到了越来越重要的作用。

振动试验系统主要由激振器、控制器、试件以及夹具所组成。

在这几十年来的发展中，为了更真实地模拟实际的振动环境，激振器越来越复杂，同时也带来了问题就是如何精确地控制激振器使得激振器产生的振动信号能够与试验要求产生的信号一致，也即需要进一步提高控制器的性能。

由此本文从三方面对振动控制技术进行综述，一是当前振动试验激振设备的发展；二是当前振动控制算法的发展以及在当前的振动试验产品中普遍采用的控制算法：三是当前控制器的发展，在此基础上提出了振动控制技术今后的研究方向和重点。

１国内外进展
１．１振动试验激振设备进展
用于振动试验的振动试验激振设备从其激振方式上主要可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台¨“１。

１．１．１机械式振动台进展
机械式振动台主要有不平衡重块式和凸轮式两类。

不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。

这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约５Ｈｚ一１００Ｈｚ的频率范围工作，最大位移为６ｍｍ峰－峰值，最大加速度约１０ｇ，不能进行随机振动。

凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心
收稿日期：２００８－０１－０３
第一作者陈章位男，教授，１９６５年生量和曲轴的臂长，激振力随运动部分的质量而变化。

这种振动台在低频域内，激振力大时，可以实现很大的位移，如１００ｍｍ。

但这种振动台工作频率仅限于低频，上限频率为２０Ｈｚ左右。

最大加速度为３ｇ左右，加速度波形失真很大。

机械式振动台由于其性能的局限，主要应用于要求不高的领域。

１．１．２电动振动台进展
电动式振动台是目前使用较广泛的一种振动试验激振设备。

它的工作原理是：根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，当导体中通以交变电流时将产生振动。

振动台的激励线圈正是处在一个高磁感应强度的空隙中，需要的振动信号从信号发生器或振动控制器产生并经功率放大器放大后通到激励线圈上，使得振动台产生需要的振动波形。

电动式振动台的频率范围宽，小型振动台频率范围为０Ｈｚ一１０ｋＨｚ，大型振动台频率范围为０Ｈｚ～２ｋＨｚ；动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波形。

因此目前主要应用于高频率范围、推力较小、波形失真要求较高的试验领域。

虽然目前电动振动台在推力方面已经做得越来越大，已经可以达到３５ｔ的推力，但是当它的推力超过１０ｔ以后，前述的电动振动台优势不是很明屁，各种因素的干扰也越来越大，而且成本增加很多。

同时由电动式振动台的工作原理所决定，在振动试验的过程中，它的台面上不可避免会产生漏磁现象，这对于某些军用产品的试验是不可行的。

因此，在这些情况下需要用电液振动台来进行试验。

１．１．３电液振动台进展
电液式振动台作为振动试验的常用设备之一。

它的工作方式是采用电液伺服阀，通过液压控制传动装置产生振动激励。

输入的电控信号经放大器放大进入伺服阀，伺服阀把与输入信号成比例的液压油输入液压缸，以驱动活塞并带动台面运动。

万方数据
７４振动与冲击２００９年第２８卷
电液振动台能产生很大的激振力和速度，如对较小的试件激振力可高达３６２８７ｋｇ，速度可达９ｍ／ｓ，而且在低频的时候以可以得到很大的激振力。

大激振力的电液式振动台比相同推力的电动式振动台价格便宜，尤其在激振力大于４５３６ｋｇ后，电液振动台和电动式振动台的价格会相差很多。

在位移方面，电液式振动台可以从２５ｍｍ到６ｍ，而普通的电液振动台的行程范围是５１ｍｍ到１５２ｍｍ。

电液式振动台的使用频率范围可达到０Ｈｚ～ｌ０００Ｈｚ，推力可达数百吨或Ｔ．吨以上。

电液振动台的这些优势使得它在振动试验中发挥着重要作用，尤其是在汽车行业、工程机械、装甲车以及船舶等行业具有广泛的应用前景。

同时由于近年来更多的振动试验要求对结构或建筑物进行足尺试验，这也离不开电液振动台。

但电液振动台和电动振动台相比，高频性能较差、上限］二作频率低、波形失真较大，不过近年来，随着控制技术的发展。

液压伺服阀等关键器件的发展，电液式振动台的频率范嗣有了很大的提高，同时波形失真减小。

如美国ＴＥＡＭ公司的电液式振动台的频率范围可达１０００Ｈｚ，失真度几乎与电动式振动台一样。

同电动式振动台一样，近年来电液振动台也大力发展多轴多自由度的振动台，在国外建立了很多的三向六自由度电液振动台，其中部分是经过对单向电液振动台进行改造而建成的。

而国内在电液振动台建造上目前还有一些关键技术没解决，如频率范围，国内做到１００Ｈｚ就相当困难。

而且在控制方式上，国内还基本采用模拟控制，国际上已采用全数字式控制方式。

因此国内高性能电液振动台全部依靠进口。

１．１．４多轴振动试验激振设备进展
多轴振动激励装置主要有两大类，一类是多点激励装置，一类是多轴振动台。

到目前为止已研制成功的多轴振动激振设备均是由多个单轴振动台（或作动器）组装而成的，这样做的一个显著优点是可以充分利用单轴振动台的成熟技术，从而降低系统造价＂Ｊ。

根据所用单轴振动台的类型不同，多轴振动激励装置可以划分为电液式和电动式两类，前者主要用于低频振动试验，频率范围大多在１００Ｈｚ以下，后者则用于中高频振动环境试验，频率范同一般为５Ｈｚ～２０００Ｈｚ。

电液式多轴振动台的实现相比电动式容易，造价相对较低，同时它也具有电液式单轴振动台的优点。

其结构形式有两轴平移、ｉ轴平移和ｉ向六自由度等几种类型。

电动式多轴振动台的种类较少，目前只有三向平移和三向六自由度两种类型。

１．２振动控制进展
为了实现较高精度的振动控制，在保证振动激振设备的性能的同时，控制器性能的好坏起了很重要的作用。

１．２．１振动控制算法进展
目前振动试验主要有正弦振动试验、正弦加随机振动试验、随机振动试验、冲击响应谱振动试验、典型冲击试验、以及时问历程复现试验。

其中正弦定频试验，用于检验某些零部件及设备等工作在某个或几个激励频率下时其抗振以及耐振的能力。

针对正弦振动试验，通常采用如图１所示的控制方式１６Ｊ。

图１台面幅频特性实验结果
随机振动试验实际上是一种宽带随机振动试验。

它的目的是检验产品、设备和工程等的耐随机振动的能力，考核试验对象在振动环境应力下的性能及表现。

发现它们的设计缺陷，从而改进设计，提高性能和质量。

在试验过程中连续地输出随机的激励信号来控制振动台的Ｔ作，振动台在激励信号的激励作用下，其响应的功率谱密度必须符合目标谱的定义。

目前广泛采用的是频谱均衡的控制方式。

该方法是一种闭环振动控制方式同时也是一种频域复现控制方式。

它在试验台架上施加随机载倚，使所加载荷的功率谱与真实载荷的功率谱相同。

试验台由计算机控制，计算机按给定的功率谱，并按随机相位产牛随机信号，通过数字均衡实现频域的模拟。

其实现原理如图２所示¨Ｊ。

图２台面幅频特性实验结果
该方法计算简单，能保证实时性，因而得到了广泛的应用，但是它对于所实现的随机信号有一定的限制，通常是服从高斯分布的平稳随机信号。

美国ＤＰ公司提出了一种基于连续卷积的新型随机振动试验控制算法‘引，该方法通过对每次闭环控制
万方数据
第３期陈章位等：振动控制技术现状与进展７５
所获得的单帧激励信号与不断更新的系统逆传递函数进行连续卷积运算产生平滑连续的驱动信号。

该方法与频谱均衡法的主要不同是不需要进行随机相位调制和时域随机化。

应用于ＤＰ和ＭＰ公司的振动控制器中，得到了很好的控制效果。

除了在目前振动试验控制器中广泛采用的上述两种算法外，国内外很多学者都为进一步改进随机振动控制的控制效果进行了广泛和深入的研究一。

１¨。

随着对随机振动试验研究的深入，研究人员发现随机振动试验在某些试验的情况下试验结果的有效性存在问题，因为它是建立在复现随机信号的功率谱密度的原则上。

因此近年来，研究人员逐渐认识到了随机振动试验的局限性，同时随着振动试验的广泛应用对控制系统提出了更高的要求，因此提出了时间历程复现振动试验∞’１２Ｊ。

它常被用于模拟汽车、船舶等交通工具在行驶过程中所受到的振动激励以及飞机在着陆时受到的振动激励，通常它的目标信号是通过数学模型产生或者是通过实际采集得到的振动信号，它的试验目的是复现目标信号的时域波形。

早期的时间历程复现试验采用迭代控制方式０１３，１４ｊ，即用人工产生或实际激励记录到的信号通过电液振动台对被试验对象进行激励，以识别整个试验系统的响应与激励之间的频率响应关系，即系统的传递函数。

然后根据期望的响应信号和系统的传递函数，计算初始驱动信号。

用该驱动信号激振，同时回收期望响应点的响应信号，根据系统的传递函数和误差信号进行迭代，修正驱动信号。

利用迭代获得的满足精度要求的激励信号直接驱动电液振动台，开始正式的振动试验。

在试验过程中，仅仅将驱动信号重放出来即可。

以迭代控制方法为基础，为提高控制性能，进一步提出了改进的迭代控制方法Ｌ１５＇１６Ｊ。

但是这些控制方式都是一种开环控制，在试验的过程中，对系统特性的变化不能进行实时修正，因此试验精度低，同时对于长时间历程的复现，在预试验阶段计算振动台的驱动信号时所花费的时间较多，提高了试验成本。

近年来ＤＡＣＴＲＯＮ、ＤＰ和ＭＰ公司都开发出了闭环控制的方式进行长时间历程复现，提高了试验精度‘肛１９１。

正弦加随机振动试验，用于在规定的频率范围内，在宽带随机振动的基础上叠加若干规定量值的频率可变的正弦振动，如对直升飞机的振动环境以及火炮发射时所产生的振动。

目前国内外通用的正弦加随机振动试验控制算法是旧。

加１：首先，把通过加速度传感器获得的正弦加随机振动试验信号分离出正弦信号的幅值以及随机信号；其次，分别根据正弦振动试验以及随机振动试验控制算法进行均衡控制；均衡后获得的激励信号根据线性叠加原理重叠输出，通过功率放大器驱动振动台工作：如此往复，进行闭环控制。

在这个控制算法中，正弦信号和随机信号通常采用跟踪滤波的方法进行分离。

之后考虑到低频分辨率较差的问题，提出了基于多分辨率分析的正弦加随机振动控制算法‘２１｜。

冲击响应谱试验，是由用户定义参考冲击响应谱，以及分析和综合参数。

软件按一定的综合准则给出冲击时域波形，使其冲击响应谱与参考冲击响应谱尽可能一致。

冲击响应谱表征单自南度系统在冲击作用下的最大响应同系统固有频率之间的关系，其间不包括相位信息。

而冲击波形与冲击响应谱之间不存在唯一的对应关系。

同一冲击响应谱可以对应无穷多个冲击脉冲。

冲击响应谱试验就是要求其能够跟踪试验规定的冲击波形的响应谱，而典型冲击试验则是要求其能够跟踪试验规定的冲击波形，通常是正弦波、三角波、半正弦波等典型的冲击波形。

冲击响应谱试验控制方式通常采用频谱均衡的控制方法，而采用自适应逆控制的控制方法，则可以实现对典型冲击波形的很好跟踪㈨。

当振动试验采用电液振动台激振时，由于电液振动台本身是一个不稳定的系统，因此控制部分比采用电动振动台激振复杂，早前采用模拟加数字混合控制方式来获得较好的性能，目前更多地采用全数字式控制。

目前国际上几家著名的电液振动台牛产研究单位建立的电液振动台的控制主要采用ｉ参量控制和前馈补偿控制联合控制以及ＰＩＤ控制和前馈补偿控制联合控制心３’川。

这些控制方法都是建立在线性数学模型的基础上，而电液振动台其实是一个具有较强非线性特性的系统，因此近年来国内外对此进行了大量的探索性研究。

如应用最优化的非线性调节技术，这种控制方法在试验过程中不必对电液振动台本身的反馈环内的参数进行重新调节，同时也能实现较好的跟踪性能∞ｊ。

其中有代表陆的近年来的研究成果有：Ｙｏｓｈｉｈｉ—ｒｏＤｏｚｏｎｏ。

ＴｏｓｈｉｈｉｋｏＨｏｒｉｕｃｈｉ，ＨｉｄｅｏＫａｔｓｕｍａｔａ和ＴａｋａｏＫｏｎｎｏＬ拍Ｊ提出了非线性试件所导致的作用力的实ｎ，－ｔＳｂ偿技术来改进系统的跟踪性能。

ＤａｖｉｄＶａｇａｓ旧刊提出了基于Ｈｉｎｆ的反馈控制策略，充分考虑了系统的非线性特性，并且在ＬＭＳ的试验台上进行了试验，控制性能良好。

对于多轴振动试验，各控制自由度的运动之间存在交叉耦合，即单个控制点的运动是各轴激励产生的响应的叠加。

即使对于三个单轴振动台组成的三轴振动系统，采用了各振动方向相互几乎独立的机械解耦装置，交叉耦合效应仍不能忽略，这主要是由于试件动力反馈效应作用的结果，当控制点选择在试件上时，交叉耦合更为明屁。

冈此，对于多轴振动环境试验，交叉耦合效应使得单轴振动控制方法无法得到满意的结果，必须采用更为复杂的多轴振动控制方法以补偿交
万方数据
７６振动与冲击２００９年第２８卷
叉耦合，实现解耦控制汹．２９］。

另外，对于多轴振动环境试验，各控制自由度之间的相位关系是必须控制的，而单轴振动环境试验通常无须考虑相位关系。

多轴振动控制算法是在单轴振动控制技术的基础上发展起来的，采用系统的频响函数矩阵进行交叉耦合补偿和驱动信号修正，其计算复杂性和运算量大大增加，需要功能更强、计算速度更快的计算机实现控制运算。

１．２．２振动控制器进展
在２０世纪６０年代末到７０年代初起，随着随机振动理论及其试验设备的发展，模拟式的随机振动试验设备出现，但是其均衡系统是一种简单的峰－谷均衡或多通道滤波器均衡系统，其均衡系统是一种简单的峰一谷均衡或多通道滤波器均衡系统，其控制精度差，功率谱密度容差为±３ｄＢ，均衡时间一般为１ｈ一２ｈ，维修量大，且使用调试困难¨…。

７０年代中期，开始出现了以小型机为核心的数字式随机振动试验控制系统，如英国的ＤＶＣ５００、美国ＨＰ公司的５４２７Ａ等。

其试验功率谱密度容差可达±１．０ｄＢ一±１．５ｄＢ。

均衡时间亦减小为几秒至十几秒，但芯片集成度低、产品体积大、兼容性扩充性差、维修困难，价格也非常昂贵。

同时，由于对振动试验的进一步认识和应用，更多规范的振动试验方法也开始引入。

８０年代国外相继推出了功能更全，性能更高的振动试验控制系统。

如美国ＧｅｎＲａｄ公司的ＧＲ－２５１ｌ、
２５１４，ＳｐｅｃｔｒａｌＤｙｎａｍｉｃｓ公司的ＳＤ－１７００、ＳＤ－１５００，英国Ｓｏｌａｔｒｏｎ公司的１２１０、１２１５等产品。

数字控制系统的发展使振动试验进入新的发展阶段。

８０年代中期，美国ＵＤ公司开始研制第一台基于ＰＣ和ＤＳＰ的振动控制系统ＵＤ４００ＡＴ，采用了当时，Ｉ＇Ｉ推出的第一个通用可编程ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ１０，是数字式振动试验控制系统向前发展的一个里程碑。

ＤＳＰ芯片的应用，使得振动试验控制系统具有强大的运算能力，可以完成以前所不能处理的复杂控制算法，系统的实时性得到了大幅提高。

随后，ＬＤＳ、ＳＤ、ＤＰ、Ｄａｃ．ｔｒｏｎ，ＩＭＶ等振动试验设备厂商分别开发研制了基于ＰＣ和ＤＳＰ芯片的新型数字式振动试验控制系统。

目前，主要以ＤＰ公司的ＳｉｇｎａｌＳｔａｒ，ＬＤＳ公司的Ｃｏｍｅｔ和Ｌａｓｅｒ，ＳＤ的Ｐｕｍａ系列，ＩＭＶ的砣和Ｆ３等振动控制器在振动试验领域具有优异的性能并得到广大振动试验应用以及研究人员的肯定，这些控制器在我国振动试验应用领域占有绝对的优势。

我国从６０年代开始进行振动试验系统的研制，但是受各种因素的限制，振动试验控制系统的研制一直处于落后的水平。

进入８０年代以后，振动试验控制系统的研制进入快速发展期，应用的领域也从航空、航天等军事领域，拓展到汽车、电子等民用领域。

８０年代国内对该领域进行研究的单位主要有：航天部７０２研究所，航天部６２３研究所，西安飞机强度研究所，南京航空航天大学，北京航空航天大学，浙江大学，西安交通大学，苏州试验仪器总厂等。

８０年代末，我国开始进行数字式振动试验系统的研究。

比如北航开发出了数字式振动控制系统ＢＨｌ４Ａ。

以ＰＣ为控制主机，以Ⅱ的ＴＭＳ３２０Ｃ２０处理器为信号处理部分。

可以完成基本的随机、冲击以及正弦振动试验。

但是，由于基于ＰＣ进行控制和管理，其控制谱线数较少，最大只可以做到４００谱线，并且安全和稳定性相对较差，容易受ＰＣ操作系统等因素干扰。

到９０年代末，北航再次推出以ＴＭＳ３２０Ｃ３１浮点处理器为信号处理模块的ＢＨｌ４Ｃ振动控制系统，该系统依旧以ＰＣ为主控制模块，ＤＳＰ为信号处理模块，信号的输入输出均通过Ｐｃ总线进行控制；增加了最多可叠加４个独立正弦扫频／定频信号的随机加正弦等试验功能。

但是控制谱线、控制精度、系统的安全可靠性等提高不大。

航天部７０２所在９０年代推出了基于Ｗｉｎ—ｄｏｗ．ＮＴ平台的振动试验控制系统，但是功能简单，只能进行随机以及冲击振动试验。

９０年代以后，我国的振动试验系统取得了巨大的进步。

参与研究的单位主要有：北京航空航天大学，南京航空航天大学，国防科技大学，浙江大学，航天部７０２研究所，航天部６２３研究所，西安交通大学等。

浙江大学开发的基于双ＤＳＰ的实时振动试验系统，可以完成冲击、正弦、随机试验算法。

但是国内的振动试验控制系统基本上是针对电动式振动台进行研究的，针对电液式振动台的控制系统还不是很完善。

国内目前的电液振动试验控制系统基本上引进国外生产的振动控制系统。

近年来，由于计算机技术的高速发展，已出现了商品化多轴振动控制系统。

目前，国际上功能较为完善的多轴振动控制系统已具有多轴随机振动、多轴正弦扫描振动、多轴瞬态振动、多轴时间历程复现以及多轴随机加正弦、多轴随机加随机等各种振动控制功能。

其控制精度可以达到目前商品化的单轴振动控制系统的水平。

我国在这方面还儿乎是空白。

２展望
振动试验受到产品试验要求的推动以及相关技术领域发展的推动，因此需要吸取各相关学科的研究所取得的先进知识，发展振动试验水平来满足Ｅｔ益增长的发展要求。

作者认为，目前在振动试验控制领域方面除对已经取得研究成果的诸方面进一步充实提高之外，今后应关注以下的研究领域的发展。

２．１实际振动环境的复现试验
振动试验从正弦定频试验、正弦扫频试验、随机试验到目前提出的时间历程复现试验，是随着被试验产
万方数据
第３期陈章位等：振动控制技术现状与进展
品的复杂性越来越大而导致在实际使用过程中所处的振动环境越来越复杂，从而对振动试验提出了越来越高的要求，要求能够复现实际的振动环境。

但是目前所实现的时间历程复现试验，还仅仅是复现服从高斯分布的平稳振动信号、以及满足一定偏斜度和峭度的平稳随机信号一１。

，还不能实现真正意义上的任意时间历程信号的复现。

因此对于任意的平稳随机信号以及非平稳随机信号的时间历程复现仍将是今后长期的研究方向。

对于真实模拟实际振动环境的试验，往往在汽车、船舶试验领域、大型结构试验领域以及地震工程领域中应用较多，而这些领域的振动试验往往要求振动激振设备具备大的推力，高的频响范围，也就是使得电液振动台在这些领域得到了广泛的应用。

而电液振动试验系统具有较强的非线性，而且试件对系统的影响较大，因此控制往往较为复杂，因此仍需进一步研究。

对我国的振动试验控制而言，在上述两方面都远远落后于国际水平，因此更加需要加大研究力度，提高国内的振动控制水平，以满足振动试验领域的各种要求。

２．２多轴多自由度振动控制系统
在传统的振动试验中，往往采用单轴振动试验，即振动环境试验是以一次一个轴的方式依次进行，试验设备采用传统的单轴电动式或电液式振动台，但是实际的振动环境往往是多轴振动环境，如果仍然采用单轴振动试验，即使通过多点平均控制等方式进行处理，对于大尺寸结构的系统级试验，试验过程中仍会造成试验结构的可靠性难以确定的问题。

因此近年来要求在试验中采用多轴多自由度振动试验，但是多轴多自由度振动试验目前尚存在一些有待解决的技术问题，还需各位振动试验领域的研究人员更进一步研究。

同单轴振动试验系统一样，多轴多自由度振动试验系统也主要由激振器、控制器、试件所组成。

但是相比较单轴振动台，多轴振动激振设备的性能还有待进一步提高。

主要可以概括为两个方面：一是新材料的应用，随着新型材料成本的降低，可以广泛应用于建造大型振动设备，改善其性能。

如，随着大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振动台将成为可能，这种振动台结构简单，节约能源，且有高可靠性。

功率放大器会采用更多的数字化和模块化的电路，体积越来越小，效率越来越高。

二是新控制方法的应用，随着控制技术及相关技术的进步，可以实现更复杂的控制算法，从而提高多轴多自由度振动控制的精度，从而使多轴多自由度振动试验系统应用到更广泛的领域。

理、土建等为一身的一门复杂的学科，同时它的形成和发展与社会生产的要求和科学技术的进步密切相关。

回顾上世纪４０年代以来的振功试验各方面的历史，振动试验得以迅速发展的重要原因在于研究工作和生产实际需要的紧密结合，也在于相关各学科之间的有效结合创新。

通过回顾。

明确它的发展历程以及目前尚待解决的问题，和我国振动试验领域的研究人员进行研究讨论，为我国振动控制技术的发展做出更重要的贡献。

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８·。

ｎ
（下转第８６页）
万方数据。