Mechatronische Produktionsmaschinen werden nicht mehr nur über ihren Leistungsumfang bewertet, sondern auch über die mitgebrachten Tools für Engineeringaufgaben. Wie erste Ansätze zeigen, erweitert die Integration von TCP/IP in die Steuerungsebene die Möglichkeiten zur Unterstützung des Anwenders nicht nur im Fertigungsprozess, sondern nahezu über den gesamten Lebenszyklus. Die Dissertation beschreibt einen E-Service zur Inbetriebnahme von Lagereglern an Bewegungssteuerungen. Im Rahmen der prototypischen Realisierung erfolgt der Aufbau eines Dienstleistungsportals in einem Computernetz. Es übernimmt eine zentrale Rolle in der Kommunikationsstruktur. Aufgaben rund um die Dienstverwaltung, Dienstausführung und Dienstkommunikation von verteilten Programmen bilden hier die Schwerpunkte. Die Einordnung der realisierten und favorisierten Reglerinbetriebnahme erfolgt in die Gruppe der Offline-Verfahren. Auf dem gewählten Zielsystem, der Bewegungssteuerung SIMOTION von Siemens, läuft dabei der Echtzeitteil ab. Die Offline-Komponente mit den Identifikations- und Reglerberechnungsprogrammen wird im Anwender-Browser ausgeführt. Das System bildet zusammen einen internetbasierten, automatischen Service.

In der Ingenieursausbildung ist die Arbeit an Anlagen und Maschinen ein wesentlicher Baustein, um die Anwendbarkeit, Möglichkeiten und Grenzen der in der Theorie vermittelten Methoden an praktischen Problemstellungen zu erproben und einschätzen zu lernen. Zu diesem Zweck werden an vielen Hochschulen und Universitäten unterschiedliche Versuchsanlagen eingesetzt. Die Errichtung und der Betrieb solcher Anlagen erfordern jedoch Platz und sind typischerweise mit hohem Einsatz personeller und finanzieller Ressourcen verbunden. Dieser Beitrag betrachtet den Einsatz virtueller Versuchsanlagen als eine mögliche Ergänzung der bestehenden Laborinfrastruktur. Virtuelle Anlage sind solche, die nicht physisch existieren, sondern deren dynamisches Verhalten simuliert und in einer 3D-Visualisierungen auf einem Monitor oder in einer VR-Brille dargestellt werden kann. Virtuelle Anlagen haben gegenüber realen Versuchsanlagen viele Vorteile in Bezug auf die Dauer und Kosten für deren Realisierung, sowie deren Erweiterung und Anpassung an neue Lehrinhalte und die Skalierung und Vervielfältigung für den Einsatz in Praktika. Auf der anderen Seite müssen Laboringenieure für die Entwicklung, Pflege und Instandhaltung virtueller Anlagen über andere Kompetenzen (insb. im Bereich der IT und Programmierung) verfügen, als bei realen Anlagen. Zudem wird für den Betrieb solcher Anlagen zusätzliche Soft- und Hardware benötigt. Am Beispiel eines virtuellen Aufzugs beschreibt dieser Beitrag im Einzelnen diese Vor- und Nachteile und gibt Hinweise für den Einsatz einer virtuellen Anlage in Praktika und Übungen.

This paper presents the whole process of building up a high precision, high dynamical MEMS acceleration sensor. The first samples have achieved a resolution of better than 500 micro g and a bandwidth of more than 200 Hz. The sensor fabrication technology is shortly covered in the paper. A theoretical model is built from the physical principles of the complete sensor system, consisting of the MEMS sensor, the charge amplifier and the PWM driver for the sensor element. The mathematical modeling also covers problems during startup. A reduced order model of the entire system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Since the system has an unstable pole, imposed by the electrostatic field and time delay, caused by A/D-D/A conversation delay and DSP computing time, limitations for the control design are given. The theoretical model might be inaccurate or lacks of completeness, because the parameters for the theoretical model building vary from sample to sample or might be not known. A new identification scheme for open or closed-loop operation is deployed to obtain directly from the samples the parameters of the mechanical system and the voltage dependent gains. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Eine Absicherung der Maschinendynamik im gesamten Arbeitsraum unter Berücksichtigung des Einflusses der Maschinensteuerung kann nur durch eine mechatronische Analyse der Werkzeugmaschine auf Gesamtsystemebene erfolgen. Derart komplexe Berechnungen erfordern allerdings die Simulation von großen Verfahrbewegungen (MKS) unter Berücksichtigung der Strukturelastizitäten (FEM) sowie der Steuerung (Controls) und sind somit vor allem multi–disziplinären Virtual Prototyping Tools vorbehalten. Die erfolgreiche multi-disziplinäre WZM–Berechnung stellt außerordentlich hohe Anforderungen an die Modellbildungsgüte der einzelnen Maschinenkomponenten inklusive der Validierung des jeweils gewählten Modellierungsansatzes bzw. Detailierungsgrades. Dieses gilt insbesondere für funktionelle Komponenten wie Linearantriebe, Kugelgewindetriebe usw., da diese nicht ohne Weiteres aus einem CAD–Baugruppenmodell abgeleitet und in das Berechnungsmodell übernommen werden können. Das zur Modellierung und Simulation notwendige Expertenwissen ist in einer vordefinierten, parametrischen Komponentenbibliothek – ähnlich einem Baukastenprinzip – implementiert.

This paper presents the whole process of building up a high precision, high dynamical MEMS acceleration sensor. The first samples have achieved a resolution of better than 500 micro g and a bandwidth of more than 200 Hz. The sensor fabrication technology is shortly covered in the paper. A theoretical model is built from the physical principles of the complete sensor system, consisting of the MEMS sensor, the charge amplifier and the PWM driver for the sensor element. The mathematical modeling also covers problems during startup. A reduced order model of the entire system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Since the system has an unstable pole, imposed by the electrostatic field and time delay, caused by A/D-D/A conversation delay and DSP computing time, limitations for the control design are given. The theoretical model might be inaccurate or lacks of completeness, because the parameters for the theoretical model building vary from sample to sample or might be not known. A new identification scheme for open or closed-loop operation is deployed to obtain directly from the samples the parameters of the mechanical system and the voltage dependent gains. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment.

Um immer strengere Umweltauflagen zu erfüllen, wird zur Gewichtsreduzierung bei Automobilen auf Leichtbau gesetzt. Infolgedessen findet auch beim Herstellen von Karosserieblechteilen ein verstärktes Ausreizen des Werkstoffes statt. Erschwert wird dies durch den Trend zu komplexeren Bauteilgeometrien und markanterer Designsprache. Daher wird der Herstellungsprozess mehr und mehr an den Grenzbereichen der Stabilität betrieben. Piezoelektrische Aktoren (PA) können dabei so eingesetzt werden, dass der Umformprozess um zusätzliche Einflussparameter erweitert wird. Sie beeinflussen dabei die Materialbewegung lokal und können dadurch zu einer Steigerung der Effizienz beitragen. Im Rahmen der Dissertation wurden PA in die Matrize eines Großserien-Umformwerkzeugs (Karosseriebauteil einer Reserveradmulde) implementiert und hinsichtlich der Eignung für die Prozessregelung untersucht. Dabei wurden verschiedene Sensoren berücksichtigt, wobei sich Triangulationslaser zur Messung der Materialbewegung an der Platinenkante am besten eigneten. Es wurde die Wechselwirkung der PA auf die Materialbewegung empirisch und unter Verwendung statistischer Versuchsplanung ermittelt. Ein FE-Modell unterstützte die Prozessbeschreibung. Aus den Versuchsergebnissen wurde mittels Regressionsanalyse ein Polynomialmodell zur weiteren Untersuchung berechnet. Ausgehend von den Erkenntnissen über das Prozessverhalten wurden unter Verwendung der getesteten Sensoren Regelkreise aufgebaut. Zum einen wurde ein iterativer Ansatz untersucht, der nach jedem Umformvorgang die Regelabweichung ermittelt und durch Einsetzen der PA versucht, diese im Folgehub zu minimieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Prozess auf diese Weise stabilisiert werden kann. Des Weiteren wurde eine In-Prozess-Regelung implementiert, welche die Regelabweichung kontinuierlich über den Prozess minimierte. Als Führungsgröße wurde eine Referenzkurve aus einer Schar von Gutteilen verwendet. Es zeigten sich eine verbesserte Bauteilqualität und ein Ausgleichen von Störgrößen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Wissenschaftlicher Erkenntnisstand 2.1 Grundlagen der Blechumformung 2.2 Prozessregelung eines Umformvorgangs 2.3 Messeinrichtungen in Umformprozessen 2.4 Piezoelektrische Aktoren in Umformwerkzeugen 2.5 Diskussion zum wissenschaftlichen Erkenntnisstand 3 Auswahl großserientauglicher Sensorik zum Aufbau der Prozessregelung 3.1 Anforderungen an großserientaugliche Sensorik 3.2 Bewertungsmatrix einer Auswahl großserientauglicher Sensoren 4 Forschungsschwerpunkte und -hypothesen 5 Voruntersuchungen 5.1 Vorstellung des Versuchswerkzeug sowie der -geometrie 5.2 Untersuchung potenzieller Sensoren auf Beobachtbarkeit des Prozesses 5.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren 5.3.1 Prozessbeschreibung mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.2 Versuchsaufbau mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Eignung im Prozess 5.3.4 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Steuerbarkeit des Prozesses 6 Modellbildung 6.1 Versuchsplanung 6.2 Modellarten 6.3 Versuchsergebnisse und Modellvorstellung 6.4 Modellvergleich der Ziehkissenarten auf den Einfluss der PA 7 Prozessregelungsansätze 7.1 Iterative Regelung der Materialbewegung 7.1.1 Aufbau und Grundlagen der iterativen Regelung 7.1.2 Verifikation 1: Konvergenzverhalten bei gesetzten Zielen 7.1.3 Verifikation 2: Prozessregelung bei Prozessgrenzenüberschreitung 7.1.4 Diskussion der iterativen Prozessregelung 7.2 In-Prozess-Regelung der Materialbewegung 7.2.1 Aufbau und Grundlagen der In-Prozess-Regelung 7.2.2 Verifikation der In-Prozess-Regelung anhand empirischer Versuche 7.3 Ergebnisdiskussion und Gegenüberstellung der Regelungsansätze 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Allgemeine Ergänzungen

Die vorliegende Arbeit untersucht den Entwurf und die Anwendung selbstlernender Regler als intelligente Reglerkomponente im Wirkungsablauf eines Regelkreises für regelungstechnische Anwendungen. Der aufwändige Prozess der Analyse des dynamischen Systems und der Reglersynthese, welche die klassischen Entwurfsmuster der Regelungstechnik benötigen, wird dabei ersetzt durch eine lernende Reglerkomponente. Diese kann mit sehr wenig Wissen über den zu regelnden Prozess eingesetzt werden und lernt direkt durch Interaktion eine präzise Regelung auf extern vorgegebene Führungsgrößen. Der Lernvorgang basiert dabei auf einem Optimierungsprozess mit einem leistungsfähigen Batch-Reinforcement-Lernverfahren, dem ´Neural Fitted Q-Iteration´. Dieses Verfahren wird auf seine Verwendung als selbstlernender Regler untersucht. Für die in den Untersuchungen festgestellten Unzulänglichkeiten des Verfahrens bezüglich der geforderten präzisen, zeitoptimalen Regelung werden verbesserte Vorgehensweisen entwickelt, die ebenfalls auf ihre Leistungsfähigkeit untersucht werden.Für typische regelungstechnische Problemstellungen sind die diskreten Aktionen des NFQ-Verfahrens nicht ausreichend, um eine präzise Regelung auf beliebige Führungsgrößen zu erzeugen.Durch die Entwicklung einer Erweiterung des NFQ für kontinuierliche Aktionen wird die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der selbstlernenden Regler drastisch erhöht, ohne die benötigte Interaktionszeit am Prozess zu erhöhen.An ausgewählten Problemen der Regelung linearer und nichtlinearer Prozesse wird die Leistungsfähigkeit der entwickelten Verfahren empirisch evaluiert. Es zeigt sich dabei, dass die hier entwickelten selbstlernenden Regler mit wenigen Minuten Interaktionszeit an einem Prozess eine präzise Regelungsstrategie für beliebige externe Führungsgrößen lernen, ohne dass Expertenwissen über den Prozess vorliegt.

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.

To meet the continuously increasing goals in vehicle fuel efficiency, a number of measures are taken in automotive powertrain engineering, such as the combination of electric drives and conventional combustion engines in hybrid vehicles or the increase in gear ratios. This development leads to more complex powertrain systems, such as automatic transmissions. At the same time, the need for complex control systems is increased to achieve this desired functionality. Automatic transmissions are controlled by an electro-hydraulic control unit that governs all operations such as gear shifting and starting. Since most of the control software is designed in the form of open-loop control, most of the operations have to be calibrated manually. Thus, there exists a large number of calibration parameters in the control software that have to be tuned individually for each combination of engine, transmission and vehicle model. This process is therefore time-consuming and costly. Hence, it would be advantageous to reduce the need for calibration and in the end shorten the development process for automatic transmissions by reducing software complexity while maintaining functionality and performance. The goal of this thesis is to replace parts of the control software responsible for conducting the gearshifts that require extensive tuning by implementing control systems that have no need for calibration: adaptive high-gain λ-tracking controllers. In order to obtain the control parameters, i.e., the feedback gains, without calibration, an adaption law is implemented that continuously computes these parameters during operation of the controller. Thus, calibration is no longer needed. Since the system has to be high-gain-stabilizable, an extensive system analysis is conducted to determine whether an adaptive λ-tracking controller can be implemented. A nonlinear model of the clutch system dynamics is formulated and investigated. As a result, high-gain stability is proven for the system class and validated in simulation. Following the stability analysis, the devised adaptive controller is implemented into the control software running on the series production transmission control unit. Extensive simulations with a comprehensive vehicle model running the extended transmission software are conducted to design and to test the adaptive controllers and their underlying parameters during transmission operation in order to evaluate the control performance. The control software containing the adaptive controller is then implemented in two distinct vehicles with different automatic transmissions equipped with series production control hardware for the purpose of hardware experiments and validation. The resulting reduction of calibration efforts is discussed.