Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis proposes an automated grid-based alignment system utilizing lasers and an array of light-detecting photodiodes. The intent is to create an inexpensive and scalable alignment system for pick-and-place robotic systems. The system utilizes the transformation matrix, geometry, and trigonometry to determine the movements to align the robot with a grid-based array of photodiodes. The alignment system consists of a sending unit utilizing lasers, a receiving module consisting of photodiodes, a data acquisition unit, a computer-based control system, and the robot being aligned. The control system computes the robot movements needed to position the lasers based on the laser positions detected by the photodiodes. A transformation matrix converts movements from the coordinate system of the grid formed by the photodiodes to the coordinate system of the robot. The photodiode grid can detect a single laser spot and move it to any part of the grid, or it can detect up to four laser spots and use their relative positions to determine rotational misalignment of the robot. Testing the alignment consists of detecting the position of a single laser at individual points in a distinct pattern on the grid array of photodiodes, and running the entire alignment process multiple times starting with different misalignment cases. The first test provides a measure of the position detection accuracy of the system, while the second test demonstrates the alignment accuracy and repeatability of the system. The system detects the position of a single laser or multiple lasers by using a method similar to a center-of-gravity calculation. The intensity of each photodiode is multiplied by the X-position of that photodiode. The summed result from each photodiode intensity and position product is divided by the summed value of all of the photodiode intensities to get the X-position of the laser. The same thing is done with the Y-values to get the Y-position of the laser. Results show that with this method the system can read a single laser position value with a resolution of 0.1mm, and with a maximum X-error of 2.9mm and Y-error of 2.0mm. It takes approximately 1.5 seconds to process the reading. The alignment procedure calculates the initial misalignment between the robot and the grid of photodiodes by moving the robot to two distinct points along the robot’s X-axis so that only one laser is over the grid. Using these two detected points, a movement trajectory is generated to move that laser to the X = 0, Y = 0 position on the grid. In the process, this moves the other three lasers over the grid, allowing the system to detect the positions of four lasers and uses the positions to determine the rotational and translational offset needed to align the lasers to the grid of photodiodes. This step is run in a feedback loop to update the adjustment until it is within a permissible error value. The desired result for the complete alignment is a robot manipulator positioning within ±0.5mm along the X and Y-axes. The system shows a maximum error of 0.2mm in the X-direction and 0.5mm in the Y-direction with a run-time of approximately 4 to 5 minutes per alignment. If the permissible error value of the final alignment is tripled the alignment time goes down to 1 to 1.5 minutes and the maximum error goes up to 1.4mm in both the X and Y-directions. The run time of the alignment decreases because the system runs fewer alignment iterations.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Some problems of complex systems are internal to the system whereas other problems exist peripherally; two such problems will be explored in this thesis. First, is the issue of excessive jerk from instantaneous velocity demand changes produced by an adaptive cruise control system. Calculations will be demonstrated and an example control solution will be proposed in Chapter 3. Second, is the issue of a non-perfect plant, called an uncertain or corrupted plant. In initial control analysis, the adaptive cruise control systems are assumed to have a perfect plant; that is to say, the plant always behaves as commanded. In reality, this is seldom the case. Plant corruption may come from a variation in performance through use or misuse, or from noise or imperfections in the sensor signal data. A model for plant corruption is introduced and methods for analysis and compensation are explored in Chapter 4. To facilitate analysis, Chapter 2 discusses the concept of system identification, an order reduction tool which is employed herein. Adaptive cruise control systems are also discussed with special emphasis on the situations most likely to employ jerk limitation.