Hardware-in-the-Loop Simulation mit dem hydraulischen Versuchsstand MAVIS

Kurzfassung

In der Luft- und Raumfahrttechnik ist die experimentelle Untersuchung des dynamischen Verhaltens für sicherheitsrelevante Systeme vorgeschrieben. Eine experimentelle Untersuchung ist jedoch nicht immer möglich. Zu große Strukturen können nicht unter Laborbedingungen getestet werden. Außerdem kann es sein, dass nur einzelne Komponenten verfügbar sind und das Gesamtsystem nicht untersucht werden kann. Beispielsweise steht ein Satellit bereit, jedoch keine Trägerrakete, um die Dynamik des gekoppelten Systems aus Satellit und Trägerrakete untersuchen zu können. Mit Hardware-in-the-Loop Simulationen (HILS) ist eine experimentelle Untersuchung der dynamischen Interaktion zwischen einer realen und einer virtuellen Komponente möglich. Dazu wird eine Schnittstelle zwischen der realen und der virtuellen Struktur definiert. Die dynamische Antwort der virtuellen Struktur wird numerisch simuliert. Die an der Schnittstelle vorhandene Bewegung wird von einem Versuchsstand emuliert. Die reale Struktur wird auf dem Versuchsstand montiert und erfährt die vorhandenen Bewegungen als Basisbewegung. Die aufgrund der Basisbewegung entstehenden Schnittkräfte zwischen realer Struktur und Versuchsstand bzw. zwischen realer Struktur und virtueller Struktur müssen gemessen werden. In diesem Fall wird die Bewegung der Schnittstelle beider Strukturen von dem hydraulischen Versuchsstand MAVIS (Mehrachsen Vibrationssimulator) nachgebildet. Dazu ist eine Verbindung mit einem Echtzeitregler notwendig, der Verfahrbefehle aus der in Echtzeit berechneten Deformation der numerischen Struktur ableitet. Für die Echtzeitfähigkeit des Reglers wird ein schnelles Integrationsschema für lineare zeitinvariante Systeme eingesetzt. Durch eine Kraftmessplattform werden die Kräfte zwischen numerischer und realer Struktur gemessen. Die Deformation des numerischen Modells wird aus den gemessenen Schnittkräften berechnet. Es wird die Verfahrgenauigkeit des Versuchsstands untersucht und durch modellbasierte Algorithmen verbessert. Der Versuchsstand kann vorgegebene Verfahrwege nur mit einer Zeitverzögerung nachfahren. Mit Hilfe des Nyquistkriteriums wird die kritische Totzeit berechnet, bei der eine HILS instabil wird. Weiter wird aus theoretischen Überlegungen gezeigt, wie sich eine HILS mit zunehmender Totzeit bis zur Stabilitätsgrenze verhält. Die theoretischen Überlegungen bezüglich der Stabilität und der Änderung des Systems mit der Totzeit werden in einem Versuch validiert.