Lehrangebot Hochschule

Entwurf mechatronischer Systeme

• Einführung:
  Mechatronik, mechatronisches System, Methodik des Systementwurfes, Anwendungen, Beispiele.
• Modellbildung:
  Mechanismen (Linear- und Torsionsschwingerketten, Getriebe), Aktoren (elektromagnetisch, hydraulisch, Leistungsverstärker), Sensoren (Tachogenerator, Inkrementalgeber), Verladebrücke, Linearisierung.
• Grundlagen der Analyse und Synthese I:
  Lineare Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten, Stabilität und Stabilitätskriterien, Frequenzgang, Laplace-Transformation, Übertragungsfunktion, Blockschaltbild, mechanische, hydraulische und elektrische Vierpole, Blockschaltbilder mit Vierpolen, Zustandsdarstellung.
• Rapid Control Prototyping:
  Werkzeuge für die Modellbildung, Analyse, Synthese und Simulation und die Inbetriebnahme mechatronischer Systeme.
• Anwendungsbeispiel:
  Entwurf und digitale Realisierung einer Strom- und Drehzahlregelung eines permanenterregten Gleichstrommotors, PI-Kaskadenregelung, Auslegung nach Betragsoptimum, Integrator-Anti-Windup, EMK-Kompensation, Aufbau eines Echtzeitprogramms mit kontinuierlichem Regler und Online-Integrator, I/O-Schnittstellen.

Realisierung mechatronischer Systeme

• Grundlagen der Analyse und Synthese II:
  Lösung der Zustandsgleichungen im Zeit- und Bildbereich (Transitionsmatrix, Übertragungsmatrix), Transformation der Zustandsgleichungen, Realisierungsstrukturen.
• Reglerrealisierung:
  Digitaler Regelkreis, echtzeitfähige Integrationsverfahren, Diskretisierung (Invarianzmethoden, Transformationsmethoden, Auswahlkriterien), Realisierungseffekte.
• Anwendungsbeispiel:
  Entwurf und digitale Realisierung einer Lageregelung für ein elektromechanisches Positioniersystem, Modellierung von Reibung, PID-Regler, Auslegung nach symmetrischem Optimum, Führungsgrößenaufschaltung, Steuerung für Homing bei inkrementeller Lagemessung, Aufbau eines Echtzeitprogramms mit diskretem Regler.

Entwurf von Regelungssystemen

• Klassische Regelung:
  Beurteilung der Stabilität mit Frequenzkennlinien des offenen Regelkreises, Stabilitätsreserven, Pol- und Nullstellen im geschlossenen Regelkreis, Frequenzkennlinien des offenen und des geschlossenen Regelkreises, Anforderungen an Regelungssysteme, Wahl der Reglerstruktur, Ermittlung der Reglerparameter (Vorgabe der Phasenreserve, Vorgabe der Dämpfung, Betragsoptimum, symmetrisches Optimum), Führungs- und Störgrößenaufschaltung, Kaskadenregelung.
• Einführung in die Zustandsregelung für Eingrößensysteme:
  Zustandsvektorrückführung, Reglerentwurf durch Polvorgabe, Steuerbarkeit, Führungs- und Störgrößenaufschaltung, Zustandsbeobachtung, Dualität von Regler- und Beobachterentwurf, Beobachtbarkeit, Störgrößenbeobachtung, Separationsprinzip.

Digitale Regelung

• Einführung in die digitale Regelungstechnik:
  Arbeitsweise und Eigenschaften einer digitalen Regelung.
• Grundlagen der Analyse und Synthese zeitdiskreter Systeme:
  mathematische Beschreibung des Abtast-Halte-Vorgangs, z-Transformation, Beschreibung von Abtastsystemen im z-Bereich, Antwortzahlenfolge eines linearen Differenzengleichungs-Übertragungsgliedes, Stabilität zeitdiskreter Systeme, bilineare Transformation, diskreter Frequenzgang.
• Reglerentwurf im z-Bereich:
  diskreter Kompensationsregler, Regler für endliche Einstellzeit, Dead-Beat-Regler.
• Zustandsraummethoden für zeitdiskrete Systeme:
  Zustandsgleichungen, sprunginvariante Diskretisierung eines kontinuierlichen Systems, z-Übertragungsmatrix, Stabilität im Zeit- und im Bildbereich, stationärer Zustand, Entwurf einer Zustandsvektorrückführung durch Polvorgabe, Zustandsvektorrückführung mit endlicher Einstellzeit.

Optimale Regelung

• Optimale Zustandsregelung (lineare quadratische gaußsche Regelung):
  Grundlagen der Analyse stochastischer Signale, linearer quadratischer Reglerentwurf, linearer quadratischer Beobachterentwurf, Erweiterungen des Modells der Regelstrecke für die Führungsgrößenaufschaltung und Störgrößenbeobachtung/-aufschaltung, robuste Realisierung.
• Anwendungsbeispiel:
  Werkzeuggestützter Entwurf und Inbetriebnahme von Zustandsregelungen für ein elektromechanisches Positioniersystem.

Modellbildung mechatronischer Systeme

• Mehrkörpersysteme:
  Eigenschaften, Freiheitsgrade und Bindungen.
• Kinematik von Mehrkörpersystemen:
  Kinematik der Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
• Kinetik von Mehrkörpersystemen:
  Newton-Euler-Verfahren, Ermittlung von Zwangskräften, Lagrange-Formalismus, Linearisierung, nichtlineare und lineare Zustandsgleichungen.
• Anbindung von Aktorik:
  Elektrische und hydraulische Aktoren.
• Analyse linearer, zeitinvarianter mechanischer Systeme:
  Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen, Kongruenztransformation, Hauptkoordinaten, Lösung der homogenen und inhomogenen Bewegungsgleichungen, ungedämpfte und gedämpfte mechanische Systeme.
• Anwendungsbeispiele:
  Kurbeltrieb, Verladebrücke, Roboter, Flugzeug, Fahrzeug, vorlesungsbegleitendes Projekt.

Robotik

• Einführung:
  Robotertypen (Gelenkkonfigurationen), Einsatzgebiete.
• Kinematik von Gelenkmechanismen:
  Vorwärts- und Rückwärtskinematiken für Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
• Dynamik von Gelenkmechanismen:
  Lagrange-Formalismus, Bewegungsgleichungen.
• Steuerung und Regelung von Robotern:
  konventionelle Steuerung und Regelung, modellbasierende Regelung.
• Anwendungsbeispiele:
  3-achsiger und 6-achsiger Knickarmroboter.

CAE-Tools in der Mechatronik

• Einführung in MATLAB:
  Datenobjekte, Rechenoperationen, 2D- und 3D-Graphik, Control System Toolbox, Programmierung, Handle-Graphik, Programmierung graphischer Benutzeroberflächen.
• Einführung in Simulink:
  Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Systeme, numerische Simulation, Simulationsverfahren, Simulationsparameter, Blockbibliotheken, benutzerdefinierte Blöcke, Anwendungsbeispiele.
• Einführung in Stateflow:
  Ereignisdiskrete Systeme, Zustände, Ereignisse und Zustandsübergänge, Zustandsdiagramme, Anwendungsbeispiele.
• Einfürung in dSPACE Prototyper:
  Automatische Codegenerierung, Kommunikation zwischen Host-PC und Echtzeitsystem (MLib), graphische Benutzerobeflächen für die Experimentsteuerung und Animation (ControlDesk, MotionDesk), Testautomation.

Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten

Die in Vorlesungen, Übungen und Praktika vermittelten Inhalte sollen die Studenten motivieren und befähigen, in Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten umfangreichere Themenstellungen zu bearbeiten. In diesen Arbeiten wird das erworbene Wissen durch die praktische Anwendung vertieft und erweitert. Die Arbeiten sind in die Industriekooperationen und laboreigene F&E-Projekte eingebettet. Dadurch ist stets ein aktueller Bezug zu innovativen Aufgabenstellungen aus der Industrie und der wissenschaftlichen Arbeit im Labor sichergestellt. Projekt,- Bachelor- und Masterarbeiten stellen ein wichtiges Bindeglied zwischen Lehre und Forschung dar.