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Heutige Prüfmaschinen für die Werkstoff- und Bauteilprüfung können bei beliebiger Signalform prinzipbedingt nur einen relativ geringen Frequenzbereich abdecken. Höhere Prüffrequenzen können dagegen nur bei unveränderlichen, monofrequenten Signalen konstanter Amplitude auf speziellen Anlagen erreicht werden.

Eine interessante Möglichkeit, die hiermit verbundenen langen Prüfzeiten in Zukunft zu verkürzen oder Werkstoffe unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten zu charakterisieren, besteht in der Integration piezokeramischer Aktoren in den konventionellen, zumeist servohydraulischen Lastpfad. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell für einen solchen hybriden Prüfstand entwickelt und das Verhalten des Gesamtsystems simuliert.

Hierfür wurde die Regelstrecke zunächst in weitere Teilsysteme, die mit ihren Eigenschaften zur Dynamik des Gesamtsystems beitragen, aufgeteilt. Anschließend wurden Modelle für das Hydrauliksystem, den piezokeramischen Wandler einschließlich der erforderlichen Leistungsverstärkung, den Lastrahmen, die Werkstoffprobe und die Sensorik entwickelt. Die Modelle der betrachteten Teilsysteme wurden anhand von Messdaten validiert oder im Fall des Prüfrahmens aus experimentell ermittelten Daten bestimmt.

Für verschiedene Prüfstandskonzepte wurde jeweils ein Gesamtmodell der ungeregelten Strecke aufgebaut, das Streckenverhalten simuliert und eine Parameterstudie durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurde schließlich eine Lösung, bei der die hochfrequenten Kräfte mittels eines Inertialmassenerregers in die Probe eingeleitet werden, für die weiteren Betrachtungen ausgewählt.

Da das entwickelte Streckenmodell verschiedene Nichtlinearitäten und zahlreiche Zustände berücksichtigt, wurde für das ausgewählte Prüfstandskonzept ein vereinfachtes, reduziertes und linearisiertes Zustandsraummodell der Regelstrecke, das einen modellbasierten Entwurf der Regelung erlaubt, abgeleitet. Ermöglicht wurde die Formulierung eines linearen Modells dabei durch eine kennfeldbasierte Kompensation der Nichtlinearitäten des Hydrauliksystems. An diesem Entwurfsmodell wurden grundlegende Eigenschaften der Regelstrecke wie Eigenverhalten, Stabilität, Steuer- und Beobachtbarkeit untersucht.

Exemplarisch sind in Abbildung 2 die Simulationsergebnisse dargestellt, die sich bei der Vorgabe einer Überlagerung aus zwei niederfrequenten harmonischen Signalen (3 und 10 Hz) und einem hochfrequenten harmonischen Signal (120 Hz) sowie einer kombinierten All- und Tiefpassfilterung zur Aufspaltung der Sollwertfolge auf den nieder- und den hochfrequenten Regelkreis ergeben.