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.

The navigation tasks in advanced home robotic applications incorporating reliable revisiting strategies are dependent on very low cost but nevertheless rather accurate localization systems. In this paper a localization system based on the principle of trilateration is described. The proposed system uses only a single small base station, but achieves accuracies comparable to systems using spread beacons and it performs sufficiently for map building. Thus it is a standalone system and needs no odometry or other auxiliary sensors. Furthermore a new approach for the problem of the reliably detection of areas without direct line of sight is presented. The described system is very low cost and it is designed for use in indoor service robotics. The paper gives an overview on the system concept and special design solutions and proves the possible performances with experimental results.

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.

Harmonic propagation studies of public distribution networks require accurate models of aggregate residential customers (groups of customers) that simulate the harmonic emission of the multitude of household appliances in the network. Most of the present models were developed with the component-based approach, where models of individual household appliances are combined to build the model of multiple customers. This approach requires high amount of input data, like models of individual household appliances and detail information of customer behavior and device composition, which is usually not easy to acquire. However, with the increasing number of PQ-analyzers in the networks, the measurement-based approach is now more and more considered for the modeling of aggregate customers. The measurement-based approach uses measurements of the network in combination with top-down methodologies to obtain models of the aggregate customers. Compared to the component-based approach it has several advantages, like inherent consideration of the real operating changes of the individual household appliances, variation of customer behavior, effect of line impedances, cancellation and attenuation effects, etc. This thesis presents the development of a time-series stochastic model of the low-order harmonic emission of aggregate residential customers based on a top-down measurement-based approach. The model represents the daily variation of the harmonic magnitudes and phase angles. Besides, the model includes the representation of the harmonic unbalances, which is of great importance for the proper analysis of harmonic propagation in medium-voltage networks. The model is parametrized for German networks, but the methodology can be applied to find the models of other regions or countries.

In this thesis, new all-printed capacitors are developed for the applications of energy storage, filter, and resonant circuits by using new dielectric material and an advanced technology. The innovative devices provide satisficing electrical performances with high breakdown voltages and capacitance densities. The main body of this thesis is divided in three parts. The first part is to introduce the fundamental background of printing technologies, electrical capacitors and printable materials. Among all the printing technologies, direct writing family is the most advantageous in the small-scale and fast production of printed electronics due to the properties of masterless processing, digital control, and print-on-demand. Both inkjet printing and ultrasonic fluid dispensing applied in this work are grouped into the direct writing family. A cross-linkable dielectric material poly(methyl methacrylate)84/(4-benzoylphenyl methacrylate)16 [P(MMA84/BPMA16)] exhibits the optimized chemical and mechanical stabilities in comparison with uncross-linked poly(methyl methacrylate) (PMMA). Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoro ethylene) [P(VDF-TrFE)] exhibits a high dielectric constant of 16. The great advantages of both polymeric dielectrics make them ideal for printed electronics. The second part is devoted to the preparation of printed thin-film capacitors by providing four different layouts and architectures for multiple electronic applications. The printing setup, process setting and steps are summarized in detail. The following part which is the major content of this thesis is divided into two aspects: in the first aspect, the intriguing new form of continuous solution dispensing technology, ultrasonic fluid dispensing, is demonstrated as an alternative printing technology for the commonly applied ones. In comparison with the widely-used inkjet printing, continuous solution dispensing is the most advantageous in thin-film capacitor processing with metal nanoparticle and polymer dielectric inks. It enables precise pattern transfers with low surface roughness, small feature size (as small as 5 μm), and accurate positioning (5 μm resolution). Most importantly, problems due to discrete droplets and nozzle clogging in inkjet printing are avoided in continuous solution dispensing. All the inks applied for printed capacitors in this work are printed successfully with this innovating technology. Direct printing on demand and rapid switching among different inks are some other attributes of this printing technology that enable high throughput. The second aspect of this part is to characterize and evaluate the fabricated capacitors. The measured values include capacitor dimension, dielectric strength, capacitance density, energy density, charge/discharge behavior and so on. In summary, this work provides not only the use of the advantageous materials P(MMA84/BPMA16) and P(VDF-TrFE) in high-performance capacitors, but also paves the way of developing thin-film capacitors with a new continuous solution dispensing technology which makes the low-cost and high-quality manufacture of printed devices possible.

Der Ausbau dezentraler Energieanlagen wie fotovoltaischen Anlagen beeinflusst die Netzzustände signifikant. Dabei ist unsicher, wo und in welchem Maße deren Ausbau zukünftig erfolgt. Es ist nun an den Netzbetreibern gleichzeitig die aktuellen Herausforderungen zu meistern und die Netzplanung und -regelung für die Zukunft zu aktualisieren. Eine statistische Methode wird entwickelt, die Verteilnetzplanung unter Einsatz von quasi-stationär modellierten ”Smart Grid”-Lösungen wie Blindleistungsreglern und regelbaren Ortsnetztransformatoren ermöglicht. Durch Stichprobenverfahren werden Unsicherheiten wie Ort, Größe und Leistungsprofile der Energieanlagen in das Netzmodell eingebunden. Diese als probabilistischer Lastfluss bekannte Methode wird durch Gütemaße im Bereich geringer Kombination evaluiert. Beispiele probabilistischer Netzplanung werden an Netztopologien präsentiert. / Development of distributed energy units such as photovoltaic systems affects grid states significantly. It is uncertain, where and to what extent the development of these units is carried out in the future. It is now up to the distribution system operator to cope with todays grid challenges and to update grid planning and control for the future. A statistical method is developed, which incorporates quasi-stationary modeled ”smart grid” solutions such as reactive power controllers and on-load tap-changers. Uncertainties such as location, size and power profiles of energy systems are integrated into the grid model by sampling. This method is known as probabilistic load flow and is evaluated by quality measures at low combinations. Examples on probabilistic grid planning of different grid topologies are presented.

The calculation of frequency-dependent cable parameters is essential for simulations of transient phenomena in electrical power systems. The simulation of transients is more complicated than the calculation of currents and voltages in the nominal frequency range. The model has to represent the frequency dependency and the wave propagation behavior of cable lines. The introduced model combines an improved subconductor method for the determination of the frequency-dependent parameters and a PI section wave propagation model. The subconductor method considers the skin and proximity effect in all conductors for frequency ranges up to few megahertz. The subconductor method method yields accurate results. The wave propagation part of the cable model is based on a cascaded PI section model. A modal transformation technique has been used for the calculation in the time domain. The frequency-dependent elements of the related modal transformation matrices have been fitted with rational functions. The frequency dependence of cable parameters has been reproduced using a vector fitting algorithm and has been implemented into an resistor-inductor-capacitor network (RLC network) for each PI section. The proposed full model has been validated with measured data.

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.

In der medizinischen Diagnostik, Bioverfahrenstechnik und Umwelttechnik besteht ein steigender Bedarf an kompakten Analysegeräten für die schnelle Vor-Ort-Detektion spezifischer biochemischer Substanzen. Im Rahmen der Arbeit wurde daher ein neuartiger faseroptischer Sensor entwickelt, der in der Lage ist kleinste Brechzahländerungen, z.B. durch molekulare Bindungsprozesse, zu detektieren. Die hohe Empfindlichkeit an der vergoldeten Spitze der Sensorfaser beruht auf der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) einer einzelnen Mantelmode, die durch ein langperiodisches Fasergitter (LPG) ermöglicht wird. Die Übertragungsfunktion des Sensors wurde unter Verwendung eines Schichtwellenleitermodells schnell und präzise modelliert. Es konnte gezeigt werden, dass in einem wässrigen Umgebungsmedium die höchste Empfindlichkeit im Spektralbereich um 660 nm unter Annahme einer rund 35~nm dicken und 2~mm langen Goldbeschichtung erreicht wird. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass mit einer intermediale Schicht aus Cadmiumsulfid die SPR der Mantelmode in einen höheren Spektralbereich verschoben und damit die Empfindlichkeit deutlich verbessert werden kann. Um eine geringe Polarisationsabhängigkeit des Sensors sicherzustellen, wurde ein nasschemisches Abscheidungsverfahren für die allseitige Goldbeschichtung der Sensorfaser entwickelt. Die spezifischen optischen Eigenschaften dieser Abscheidungen wurden mit Hilfe von LPGs untersucht, die durch eine spezielle UV-Belichtung hergestellt wurden. Die Experimente ergaben, dass die komplexe Permittivität nasschemischer Abscheidungen mit Schichtdicken oberhalb von 50~nm mit aufgedampften Goldschichten vergleichbar ist. Die Verluste der adressierten Mantelmoden wurden mit einer äquivalenten Sensoranordnung aus zwei identischen LPG untersucht. Dabei konnte ein Skalierfaktor abgeleitet werden, der die effiziente Berechnung der Mantelmodendämpfung erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass die Brechzahlauflösung etablierter volumenoptischer SPR-Sensoren mit einer einfachen Transmissionsmessung an einer geeigneten Wellenlänge erreicht werden kann. Die äußerst kompakte Sensorfläche des faseroptischen Sensors ermöglicht darüber hinaus die Untersuchung deutlich kleinerer Probenvolumina ohne ein zusätzliches mikrofluidisches System zu benötigen. Es wurde gezeigt, dass sekundäre Brechzahländerungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder unspezifische Ablagerungen durch eine differentielle Auswertung zweier identischer Sensoren kompensiert werden können. Die verbleibende Querempfindlichkeit wird durch die Polarisationsabhängigkeit der Sensoren bestimmt. Die geringste Querempfindlichkeit konnte daher mit einer homogenen nasschemischen abgeschiedenen Sensorfläche nachgewiesen werden. / Compact analysis devices which facilitate the rapid detection of specific biochemical substances are in increasing demand in the fields of point-of-care medical diagnostics, bioprocess engineering and environmental engineering. The aim of this work was therefore to design a novel fiber-optic sensor able to detect small refractive index changes such as those caused by molecular binding processes. The high level of sensitivity at the gold-plated tip of the sensor fiber stems from the surface plasmon resonance (SPR) of a single cladding mode, which is the result of a long-period fiber grating (LPG). The transfer function of the sensor was calculated quickly and accurately using a slab waveguide model. It was observed that the highest level of sensitivity in an aqueous ambient medium is achieved at a wavelength of 660 nm assuming a gold coating of 35 nm in thickness and 2 mm in length. Furthermore, it was demonstrated that an intermedial cadmium sulfide layer shifts the SPR of the cladding mode towards higher wavelengths, thus leading to significantly enhanced sensitivity. An electroless plating process for the omnidirectional deposition of gold on the sensor fiber was developed in order to minimize the sensor\'s dependency on polarization. The specific optical properties of the gold layer deposited were investigated with the aid of LPGs fabricated using a special UV exposure method. The experiments showed the complex permittivity of electroless platings with a thickness of over 50 nm to be comparable with that of evaporated gold layers. The losses of the addressed cladding modes were investigated using an equivalent sensor setup consisting of two identical LPGs. This facilitated the determination of a scaling factor enabling the effcient calculation of cladding mode attenuation. It was demonstrated that it is possible to obtain the refractive index resolution of established volume optical SPR sensors with the aid of simple transmission measurements at a specific wavelength. Moreover, the extremely compact sensing area of the fiber-optic sensor enables the investigation of smaller sample volumes without the need for an additional microfluidic system. Secondary refractive index changes caused by temperature fluctuations or unspecific binding events can be compensated for by means of the differential interrogation of two identical fiber-optic sensors. The residual cross sensitivity is determined by the polarisation dependency of the sensor. The lowest cross sensitivity was therefore demonstrated in combination with a homogeneous electroless plated sensor surface.

Die mikromechanische Gleichspannungswandlung basierend auf verschiebungsabhängigen Kapazitäten stellt eine Alternative zu etablierten rein elektronischen Wandlern für den Spezialfall der kapazitiven oder piezoelektrischen Verbraucher dar. Durch ihre kleine Bauform und den Verzicht auf Induktivitäten bietet sie den Vorteil der On-Chip-MEMS- und CMOS-Integration und ermöglicht die Bereitstellung hoher elektrischer Gleichspannungen aus den verfügbaren Grundspannungen der Elektronik (z. B. 3, 5 bzw. 12 V). Von hohen Polarisationsspannungen profitieren nicht nur kapazitive Sensoren und Aktoren, sondern auch piezoelektrische Messverfahren. Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Übersicht und Bewertung der möglichen Bauformen mikromechanischer Gleichspannungswandler sowie die konkrete Umsetzung, Charakterisierung und Modellbildung eines resonant arbeitenden Wandlers vor. Es wird auf Besonderheiten und Probleme im Entwurf eingegangen und ausgehend von den Ergebnissen ein Konzeptentwurf für einen optimierten resonanten Gleichspannungswandler erarbeitet.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick / Micromechanical DC/DC conversion based on variable capacitances is an alternative to established electronic voltage converters, which does not require bulky inductors and is suitable for capacitive and piezoelectric loads. The converters are capable of boosting up the polarization voltage from CMOS and electronic levels (3, 5, 12 V), which is beneficial not only for capacitive sensors and actuators but also for piezoelectric sensing. Advantages of this method are the on-chip- and CMOS-integrability. This thesis introduces a comprehensive overview and evaluation of possible designs as well as the practical application, characterization and modeling of a resonant micromechanical DC/DC converter. Innovative claims include a test board for the characterization of resonant DC/DC converters and a SPICE behavioral model of the device, considering parasitic effects. Characteristics and problems of the design are discussed and the results are used to demonstrate an optimized conceptual design of a resonant DC/DC converter.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick