Die Arbeit ordnet sich in das Gebiet der unscharfen Klassifikation ein und stellt im Detail eine Weiterführung der Forschung zur Fuzzy-Pattern-Klassifikation dar. Es handelt sich dabei um eine leistungsfähige systemtheoretische Methodik zur klassifikatorischen Modellierung komplexer, hochdimensionaler, technischer oder nichttechnischer Systeme auf der Basis von metrischen Messgrößen und/oder nichtmetrischen Experten-Bewertungen. Die Beschreibung der Unschärfe von Daten, Zuständen und Strukturen wird hierbei durch einen einheitlichen Typ einer Zugehörigkeitsfunktion des Potentialtyps realisiert. Ziel der Betrachtungen ist die weiterführende Nutzung des bestehenden Klassenmodells zur unscharfen Beschreibung nichtkonvexer Objektmengenmorphologien. Ausgehend vom automatischen datengetriebenen Aufbau der konvexen Klassenbeschreibung, deren vorteilhaften Eigenschaften sowie Defiziten wird im Rahmen der Arbeit eine Methodik vorgestellt, die eine Modellierung beliebiger Objektmengenmorphologien erlaubt, ohne das bestehende Klassifikationskonzept zu verlassen. Kerngedanken des Vorgehens sind: 1.) Die Aggregation von Fuzzy-Pattern-Klassen auf der Basis so genannter komplementärer Objekte. 2.) Die sequentielle Verknüpfung von Fuzzy-Pattern-Klassen und komplementären Klassen im Sinne einer unscharfen Mengendifferenz. 3.) Die Strukturierung des Verknüpfungsprozesses durch die Clusteranalyse von Komplementärobjektmengen und damit der Verwendung von Konfigurationen aus komplementären Fuzzy-Pattern-Klassen. Das dabei gewonnene nichtkonvexe Fuzzy-Klassifikationsmodell impliziert eine Vernetzung von Fuzzy-Klassifikatoren in Form von Klassifikatorbäumen. Im Ergebnis entstehen Klassifikatorstrukturen mit hoher Transparenz, die - neben der üblichen zustandsorientierten klassifikatorischen Beschreibung in den Einzelklassifikatoren - zusätzliche Informationen über den Ablauf der Klassifikationsentscheidungen erfassen. Der rechnergestützte Entwurf und die Eigenschaften der entstehenden Klassifikatorstruktur werden an akademischen Teststrukturen und realen Daten demonstriert. Die im Rahmen der Arbeit dargestellte Methodik wird in Zusammenhang mit dem Fuzzy-Pattern-Klassifikationskonzept realisiert, ist jedoch aufgrund ihrer Allgemeingültigkeit auf eine beliebige datenbasierte konvexe Klassenbeschreibung übertragbar. / This work contributes to the field of fuzzy classification. It dedicates itself to the subject of "Fuzzy-Pattern-Classification", a versatile method applied for classificatory modeling of complex, high dimensional systems based on metric and nonmetric data, i.e. sensor readings or expert statements. Uncertainties of data, their associated morphology and therewith classificatory states are incorporated in terms of fuzziness using a uniform and convex type of membership function. Based on the properties of the already existing convex Fuzzy-Pattern-Class models and their automatic, data-driven setup a method for modeling nonconvex relations without leaving the present classification concept is introduced. Key points of the elaborated approach are: 1.) The aggregation of Fuzzy-Pattern-Classes with the help of so called complementary objects. 2.) The sequential combination of Fuzzy-Pattern-Classes and complementary Fuzzy-Pattern-Classes in terms of a fuzzy set difference. 3.) A clustering based structuring of complementary Fuzzy-Pattern-Classes and therewith a structuring of the combination process. A result of this structuring process is the representation of the resulting nonconvex fuzzy classification model in terms of a classifier tree. Such a nonconvex Fuzzy-Classifier features high transparency, which allows a structured understanding of the classificatory decision in working mode. Both the automatic data-based design as well as properties of such tree-like fuzzy classifiers will be illustrated with the help of academic and real word data. Even though the proposed method is introduced for a specific type of membership function, the underlying idea may be applied to any convex membership function.

In power electronics, the switched converter plays a fundamental role in the efficient conversion and dynamical control of electrical energy. Due to the switching operation of these systems, overlaid disturbances come into existence in addition to the desired behavior of the variables, causing deviations in the current and voltages. From a control perspective, these disturbances are of no interest since they cannot be compensated. They can even alter the measurements given to the control system, affecting its behavior. Furthermore, during the control design, averaged models are often used, by which the switching operation is somehow disregarded. They consider instead the average behavior of the system variables. Thus, it is essential that the measuring setup provides a measurement of the average value to the control system. To accomplish this goal, there are in practice different approaches. For example, the disturbances originated by the switching operation can be either suppressed using an analog or digital filter, or the sampling of the variables can be carried out in a suitable manner, synchronous to the carrier of the modulation method. Unfortunately, the use of filters adds an extra phase shift or delay to the control loop, reducing its dynamical performance. Moreover, the synchronous sampling method provides a good approximation of the average value only if certain conditions are met, otherwise a distortion due to aliasing takes place. A method is developed in this work to predict, in every switching cycle, the average value of the system variables in a switched power converter. In this context, the work presents an alternative method to carry out the measurement of the average value, avoiding the principal drawbacks of the standard measuring methods. To achieve this, a suitable model of the converter is used, incorporating the modulation method and the type of analog-to-digital converter, either a conventional sample-and-hold or a sigma-delta converter. The measurement given by the analog-to-digital converter is used to predict the time behavior of the system variables during the present switching period and then to evaluate its average value, before the period is completed. The method allows to obtain simultaneously the average value of currents and voltages, to get rid of the delay introduced by filtering, and to avoid the drawback of sampling in the measurement, i.e. aliasing. In this work, an overview of the standard measuring methods for switched power converters is first presented. The problematics that arise from the sampling process are also discussed. Next, the theoretical grounds of the method are developed and the tools needed to implement it are derived. To illustrate its applicability, the method is used first in DC-DC converters, where the case of the buck converter is analyzed in detail. Similarly, the method is applied to a three-phase two-level voltage source converter. In both cases, simulation results and experimental verification are presented for different operational modes. The usage of the method in open and closed loop is discussed, and its effect in the system behavior is shown. The performance of the prediction method is contrasted with other standard measuring methods.

Freileitungsmaste aus herkömmlichen Beton werden bereits heute in großer Zahl in Mittelspan-nungsnetzen eingesetzt. Im Bereich der Hochspannungsfreileitungen existieren bisher international nur wenige erste Freileitungen mit Masten aus herkömmlichen Beton. Um zukünftig Elektroenergie über große Entfernungen über Trassen mit geringen Flächenbedarf transportieren zu können, sind neue Hochspannungsfreileitungen in kompakter Bauweise notwendig. Um dieses Ziel zu erfüllen, sollen die Kompaktmaste aus ultra-hochfestem Beton (UHPC) hergestellt werden. Dafür ist eine neue Sorte von UHPC mit hoher Festigkeitsklasse zu entwickeln. Die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des neuen Betonmaterials waren zunächst unbekannt. Bisher gab es kaum Kenntnisse über die elektrischen und thermischen Belas-tungen, die auf die Betonmaste einer Freileitung in kompakter Bauweise einwirken. Ein Teilthema im interdisziplinären Forschungsprojekt „KoHöMaT“ (gefördert durch das Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Energie) war es, gemeinsam mit Forschungsinstituten (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB) die Materialparameter des neuen UHPC zu bestimmen. Den Einfluss der elektromagnetischen Belastungen auf die Lebensdauer und die Festigkeit des Ver-bundes aus Stahl und Beton habe ich untersucht. Aufgabe meiner Arbeit ist es auch, die elektrischen und thermischen Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, die elektrische Festigkeit, die Per-mittivität, den Verlustfaktor und die Wärmeleitfähigkeit experimentell zu bestimmen. Anhand der experimentellen Untersuchungen wurde der Versagensmechanismus des UHPC-Betons bei Span-nungsbelastung identifiziert. Die am Betonmast auftretenden elektrischen und thermischen Belas-tungen wurden mit Hilfe von verschiedenen FEM-Modellen berechnet und den gemessenen Fes-tigkeiten gegenübergestellt. Es wurde der Einfluss permanenter elektrischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften des UHPC bestimmt. Hierfür wurde die Druckfestigkeit des Betons vor und nach Dauerversuchen bei verschiedenen Spannungsbelastung gemessen. Der Verbund zwischen Stahl und Beton wurde in Lastwechselversuchen thermisch hoch beansprucht und dessen mechanische Festigkeit vor und nach der thermischen Belastung bei Auszugsversuchen gemessen. Aufgrund der befürchtenden gesundheitlichen Risiken für Menschen und Tiere, sowie der gegen-seitigen Beeinflussung benachbarter elektronischer Systeme (EMV) dürfen die elektromagnetischen Felder von Freileitungen die jeweiligen maximal zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten. Ich habe die Berechnungen der elektrischen und magnetischen Feldverteilung für die im Verbundvorhaben entwickelten Mastdesigns durchgeführt. Gemeinsam mit den Forschungsinstituten (Europoles, Fichtner, Lapp) wurden die Mastdesigns hinsichtlich der Feldverteilung optimiert. / The Overhead line towers made of conventional concrete are already used in large numbers in the medium voltage nowadays. So far, only a few towers of overhead transmission line made of con-ventional concrete which exists internationally in the area of high voltage. In order to be able to transmit electrical energy over long distances by routes of less floor space requirements, new high voltage overhead lines in compact construction are necessary. To achieve this goal, the compact towers have to be made of ultra-high-performance concrete (UHPC). Therefore, a new kind of UHPC with a high strength class has to be developed. For this kind of new concrete, the mechanical, electrical and thermal characteristics were unknown till now either, there was rare knowledge about the electric and thermal loads which have an effect on the concrete towers of an overhead line in compact construction method. The main purpose part of this interdisciplinary research project 'KoHöMaT “, which funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy), was to identify the material parameters of the new UHPC together with the following research institutes (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB). It was examined the influence of electromagnetic loads on the lifetime and its’ strength bond be-tween both of composite steel and concrete, also as my major involve was to determine the elec-trical and thermal properties experimentally, such as electrical conductivity, electrical strength, per-mittivity, dissipation factor and finally thermal conductivity. As a result, the failure mechanism of the UHPC under the electrical stresses has been identified then,the electrical and thermal loads on the concrete towers were calculated by using various FEM models accordingly, the measured values were used in the determination of electrical strength. All mentioned theoretical calculated parameters were compared with the real measured parameters. The influence of permanent electric fields on mechanical properties of the UHPC was determined as well. Mainly, the compressive strength of the concrete was measured before and after durability tests at different voltage loads. In addition, the composite (interface) between steel and concrete was thermal extremely loaded by alternating load tests. Its mechanical strength has been measured by pull-out tests before and after this thermal loads. Due to the fear of health risks for both humans and animals, as well as the mutual influence of neighboring electronic systems (EMV), the electromagnetic fields of open lines must not exceed the respective maximum permissible limit values. The calculations of the electrical and magnetic field distribution were carried out for the mast design developed in the composite project. Together with the other research institute (Europoles, Fichtner, Lapp). the tower designs were optimized with re-gard to the field distribution.

Aim of this student research project was to develop an Aluminium Oxide (Al2O3 ) ALD process from trimethylaluminum (TMA) and Ozone in comparison of two shower head designs. Then studying the detailed characteristics of Al2O3 ALD process using various measurement techniques such as Spectroscopic Ellipsometry (SE), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM). The real-time ALD growth was studied by in-situ SE. In-situ SE is very promising technique that allows the time-continuous as well as time-discrete measurement of the actual growth over an ALD process time. The following ALD process parameters were varied and their inter-dependencies were studied in detail: exposure times of precursor and co-reactant as well as Argon purge times, the deposition temperature, total process pressure, flow dynamics of two different shower head designs. The effect of varying these ALD process parameters was studied by looking upon ALD cycle attributes. Various ALD cycle attributes are: TMA molecule adsorption (Mads ), Ligand removal (Lrem ), growth kinetics (KO3 ) and growth per cycle (GPC).:List of abbreviations and Symbols ........................XII Lists of Figures and Tables ...................................XVIII 1 Introduction .......................................................1 I Theoretical Part ..................................................3 2 Alumina in electronic industry ............................5 3 Atomic Layer Deposition ....................................7 3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2 Process definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Benefits and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.4 ALD growth mechanism of Aluminium oxide from TMA/O 3 . . . . . . . . 9 3.5 Growth kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.6 Comparison of TMA/O3 and TMA/H2O – A literature survey . . . . 14 4 Spectroscopic Ellipsometry .....................................................17 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.2 Measuring Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.3 Fitting and models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.4 Advantages and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy ..............................................25 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.2 XPS mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.3 XPS analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.4 Advantages and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6 Atomic Force Microscopy .............................................................29 II Experimental Part ......................................................................31 7 Methodologies ............................................................................33 7 .1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7 .2 ALD process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7 .3 Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7 .4 Spectroscopic Ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.1 Tool and software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.2 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 .4.3 Data evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7 .4.4 Post processing of data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7 .4.5 Sources of errors in SE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8 Results and discussion ..........................................................47 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2 Kinetic ALD characteristic curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2.1 TMA exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.2.2 Argon purging after TMA exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.2.3 Ozone exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.2.4 Argon purging after ozone exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 8.3 Impact of process parameters on characteristic ALD growth attributes and film properties . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.3.1 Total process pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.3.2 Ozone flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.3.3 Deposition temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.4 Reproducibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9 Conclusions and outlook .......................................................63 References ...............................................................................68 III Appendix .............................................................................77 A Reference temperatures and ozone flow.............................. 79 B Process parameters ..............................................................81

As tools for dynamic system modelling both conventional methods such as transfer function or state space representation and modern power flow based methods are available. The latter methods do not depend on energy domain, are able to preserve physical system structures, visualize power conversion or coupling or split, identify power losses or storage, run on conventional software and emphasize the relevance of energy as basic principle of known physical domains. Nevertheless common control structures as well as analysis and design tools may still be applied. Furthermore the generalization of power flow methods as pseudo-power flow provides with a universal tool for any dynamic modelling. The phenomenon of power flow constitutes an up to date education methodology. Thus the paper summarizes fundamentals of selected power flow oriented modelling methods, presents a Bond Graph block library for teaching power oriented modelling as compact menu-driven freeware, introduces selected examples and discusses special features.:1. Introduction 2. Fundamentals 2A. Fundamentals of BG Modelling 2.B. Fundamentals of POG Modelling 2C. Fundamentals of EMR Modelling 3. Systematization 4. Block library 4A. Simulink add-on BG Block Library 4B. Menu-Driven Customization 4C. Application Hints 5. Examples 5A. Lift a Load 5B. Solenoid 5C. Filter and Chopper 6. Special features 7. Conclusions References [1] till [25]

Within this thesis, we investigate the possibilities of physical layer secrecy for two special system models. In detail, we study beamforming and protection strategies in the Multiple-Input Single-Output (MISO) Gaussian Wiretap Channel (WTC) and the Gaussian two-hop relay WTC with multiple antennas at transmitter and receiver. In both system models, we examine the influence of partial Channel State Information (CSI) on the link to the eavesdropper and compare the achievable secrecy rates with the case of full CSI. We show for the MISO WTC that in the fast fading scenario the Beamforming Vector (BV) can be optimized such that the ergodic secrecy rate is maximized with regard to the degree of channel knowledge. Further we show that the ergodic secrecy rate can be significantly increased by usage of Artificial Noise (AN), if applied in a smart way. This means that the degree of channel knowledge on the link to the eavesdropper influences the portion of power that is spent for AN at the transmitter as well as the direction, in which the AN signal is sent. In addition, we apply the same beamforming and protection strategies to the slow fading scenario and find that these techniques also reduce the secrecy outage probability. For the two-hop relay WTC, we introduce Information Leakage Neutralization (IN) as a new protection strategy. If applied to a system model, where the transmitter has full CSI, the instantaneous secrecy rate performs almost as well as the instantaneous capacity of the peaceful system without an eavesdropper. The IN protected scheme outperforms the AN protected approach and performs much better than any beamforming scheme without additional protection mechanism. Another positive aspect of the IN protected scheme in the case of full CSI is that conventional channel codes can be applied instead of wiretap codes. For the case of partial CSI, where the transmitter has only an outdated estimate on the channel between relay and the eavesdropper, we show that the IN protected scheme can also be applied. Here, it strongly depends on the channel realizations and the delay of the estimate, whether the IN or the AN protection scheme should be applied. / In dieser Arbeit wird das Leistungsvermögen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht anhand von zwei speziellen Systemmodellen untersucht. Im Detail werden Beamforming- und Absicherungsstrategien im gaußschen Multiple-Input Single-Output (MISO) Wiretap Channel (WTC) und dem gaußschen Two-hop Relay WTC mit mehreren Antennen am Sender und Empfänger studiert. In beiden Systemmodellen wird der Einfluss von partieller Kanalkenntnis zum Abhörer betrachtet und die so erreichbaren Sicherheitsraten mit denen verglichen, die bei voller Kanalkenntnis erreichbar sind. Für den MISO WTC kann gezeigt werden, dass für Kanäle mit schnellem Schwund der Beamforming-Vektor in Hinblick auf die ergodische Sicherheitsrate unter Berücksichtigung des Grades der Kanalkenntnis optimiert werden kann. Zudem kann durch die intelligente Verwendung von künstlichem Rauschen (Artificial Noise, AN) die ergodische Sicherheitsrate signifikant erhöht werden. Hierbei nimmt der Grad der Kanalkenntnis direkt Einfluss auf die Aufteilung der Leistung zwischen Daten- und AN-Signal am Sender sowie auch auf die Richtung, in der das AN-Signal gesendet wird. Zudem kann gezeigt werden, dass dieselben Beamforming- und Absicherungsstrategien ebenfalls die Sicherheitsausfallwahrscheinlichkeit für Kanäle mit langsamem Schwund minimieren. Im gaußschen Two-hop Relay WTC wird Information Leakage Neutralization (IN) als neuartige Absicherungsstrategie eingeführt. Diese Absicherungsstrategie erreicht nahezu dieselben instantanen Raten wie ein friedvolles System ohne Abhörer, wenn es bei voller Kanalkenntnis am Sender eingesetzt wird. Weiterhin sind durch die IN-Absicherungsstrategie höhere Raten erreichbar als durch den Einsatz von AN. Zusätzlich kann im Fall von voller Kanalkenntnis auf den Einsatz von Wiretap-Codes verzichtet werden. Auch im Fall partieller Kanalkenntnis, wo der Sender nur eine veraltete Schätzung des Kanals zwischen Relay und Abhörer besitzt, kann gezeigt werden, dass die IN-Absicherungsstrategie angewendet werden kann. Hierbei hängt es jedoch stark von den Kanalrealisierungen und dem Alter der Kanalschätzung ab, ob die IN- oder die AN-Absicherungsstrategie bessere Ergebnisse bringt und daher angewandt werden sollte.

Wegen ihrer großen Bedeutung für die Verfügbarkeit der Stellwerke thematisiert die vorliegende Arbeit den Teilbereich der Energieversorgungsanlagen von Stellwerken. Ausgehend von aktuellen Fragestellungen werden neun Forschungsfragen definiert. Zunächst werden die Grundlagen sowie der Forschungsstand im Bereich der Energieversorgung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieversorgung in der Stellwerkstechnik auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche. Darauf folgend werden aktuelle und zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet untersucht. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt eine Fokussierung auf die Energieversorgung von Relaisstellwerken. Die derzeit eingesetzten Anlagen werden hinsichtlich Technik, Altersstruktur und Zustand nebst Störungen analysiert. Dazu werden umfangreiche statistische Auswertungen vorgenommen. Im Anschluss wird ein universelles Erneuerungskonzept zur Ausrüstung der vorhandenen Stellwerke mit modernen Energieversorgungen vorgestellt. Durch die Untersuchung von Entscheidungskriterien wird ermittelt, wann unterschiedliche Erneuerungsvarianten eingesetzt werden sollten. In einer Lebenszykluskostenrechnung (LCC) mit anschließender Wirtschaftlichkeitsrechnung (WKR) werden diese Umbauvarianten monetär bewertet und miteinander verglichen. / Due to its importance for the availability of interlockings, this PhD thesis focuses on the part of the interlockings power supply systems. Based on current issues, nine research questions are defined. First, the basics as well as the present state of the art in research and technology in the field of power supply are examined. This is followed by an analysis of the historical development of interlocking power supply systems based on a substantial literature research. Subsequently, the current and future key developments in this field are investigated. The main part of the work focuses on power supply systems of relay interlockings. The systems currently used are analysed regarding technology, aging and present condition as well as incidents. For that purpose comprehensive statistical evaluations are conducted. After that, a universal concept for replacement of old power supplies by state-of-the-art technology in existing interlocking systems is presented. By studying decision-making-criteria, the appropriate application of different renewal variants is determined. In a life-cycle-costing (LCC) and follow-up cost effective analysis (WKR) the different variants are evaluated and compared with each other.

Die industrielle Instandhaltung ist ein erheblicher Kostenfaktor während der Betriebsphase einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Insbesondere der Mangel an technischen Möglichkeiten zum Informationsaustausch des Instandhaltungspersonals mit der digitalen Anlage während der Arbeiten im Feld erzeugt hohe Kosten. Durch die entstehenden Medienbrüche sinkt die Qualität der Informationen in der Digitalen Anlage erheblich. Mobile Informationssysteme können diese Medienbrüche beseitigen und die Informationsqualität in der Digitalen Anlage entscheidend verbessern. Das Konzept der Distributed Wearable User Interfaces (DWUI) stellt einen integrierten Ansatz zur flexiblen Zusammenstellung gebrauchstauglicher Benutzungsschnittstellen für komplexe Arbeitsabläufe in widrigen Arbeitssituationen bereit. Diese setzen sich aus Interaktionsgeräten zusammen, die in einem kabellosen körpernahen Funknetzwerk miteinander verbunden sind und in ihrer Kombination die Benutzungsschnittstelle zu einem mobilen System bilden. Die Geräte sind ergonomisch und funktional optimal am Körper des Nutzers verteilt, wobei jedes Gerät eigenständig nutzbar und für eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Nutzungskontext optimiert ist. Die Ein- und Ausgaberäume der Geräte werden in einem integrierten Interaktionsraum harmonisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Nutzungskontext der mobilen IT-gestützten Instandhaltung verfahrenstechnischer Produktionsanlagen im Hinblick auf Nutzungsszenarien und Anwendungsfälle für mobile Informationssysteme festgelegt. Darauf aufbauend werden Anforderungen an derartige Systeme spezifiziert und Gestaltungsgrundlagen und Empfehlungen speziell für DWUI-basierte mobile Informationssysteme erarbeitet. Anschließend wird eine Reihe spezieller Interaktionsgeräte vorgestellt, die verschiedene Interaktionsprinzipien, Techniken und Modalitäten umsetzen. Um diese Geräte in einem kollaborativen DWUI organisieren zu können, wird ein spezielles Kommunikationsprotokoll entworfen und prototypisch umgesetzt. Eine mobile Anwendung zur Instandhaltungsunterstützung wird vorgestellt, welche das DWUI-Kommunikationsprotokoll unterstützt und mit verschiedenen DWUI-Konfigurationen vollständig bedienbar ist. Diese Anwendung wird integriert in ein komplexes Unternehmensnetzwerk, über das sie Zugriff auf industrietypische computergestützte Planungswerkzeuge erhält. Anhand des resultierenden Gesamtsystems werden die prinzipielle Tauglichkeit und die Vorteile des DWUI-Konzepts demonstriert.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert.