Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007. / Druckausg. bei Jost-Jetter, Heimsheim erschienen.

"Based on research results of Sandra Schweizer and Gerhard Lammel during their PhD thesis' at the Swiss Federal Institute of Technology Lausanne in the group of Prof. Philippe Renaud"--Pref. / Includes bibliographical references and index.

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

Modern product development is a highly complex process characterized by a pronounced interdisciplinary cooperation. Interdisciplinary cooperation accompanied with firm strategic and integrating concep ts leads to innovation potentials in context of cooperative product engineering. The phrase "Mechatronics" represents exactly these novel methodological concepts in the developing process of innova tive products with highly innovative functionality and structure. The concept Mechatronics has been exemplary proven successfully in high-tech sectors. A glance at the automobile or high speed train technology gives an impressive and pursuing figure of the far reach ing Mechatronics philosophy. SME in general have not enough research and development resources to their disposal in order to comply with the ever increasing market demands. Ways out of this dilemma are strategic alliances on one hand and the education of young "Mechatronicans" at universities on the other hand. ISOM 2002 aims to contribute by inviting SME representatives and students from universities and supplementary instit utions in Saxony. The key words of Mechatronics are sensors and actuators, integrated control strategies, modeling and simulation, effective design, safety and reliability. The symposium focuses on state-of-the-art in Mechatronics, especially regarding to controlled high precision systems and particularly to novel electromechanical driving systems. It will point toward future research directions in these subjects. ISOM 2002 is intended as a forum for those engineers and researchers from universities and industry in and outside Europe who actively participate in the young field of Mechatronics and uphold the old spirit of exchanging theoretical and practical results within the scientific community. / Die moderne industrielle Produktentwicklung ist ein hochkomplexer Prozess, der gekennzeichnet ist durch eine stark ausgeprägte interdisziplinäre Arbeit. Diese Interdisziplinarität gepaart mit fundiert en Strategie- und Integrationskonzepten führt zu erheblichen Innovationspotentialen im kooperativen Produkt-Engineering. Das Kunstwort Mechatronik steht genau für dieses neuartige methodologische Konz ept im Entwicklungsprozess innovativer Produkte mit einem hohen Integrationsgrad von Funktionalität und Struktur. Die Industrie hat in vielen High-Tech-Bereichen das Konzept Mechatronik beispielhaft realisiert. Ein Blick auf die Automobil- und Hochgeschwindigkeitszugtechnik zeigt in eindrucksvoller Weise die Tr agfähigkeit der Mechatronik-Philosophie. KMU verfügen oft nicht über das erforderliche FuE-Personal und die entsprechenden materiellen Ressourcen, um das enorme Entwicklungstempo mitzugehen. Wege zur Überwindung dieser Defizite sind strategi sche Allianzen und eine gezielte Ausbildung von Mechatronikern an Hoch- und Fachschulen. Auch hierzu soll das Symposium einen Beitrag leisten, indem insbesondere Vertreter von KMU und Studenten der ga stgebenden Universität sowie anderer Hochschuleinrichtungen Sachsens eingeladen wurden. Zu den Schlüsselworten in der Mechatronik gehören Sensoren und Aktoren, integrierte Steuerstrategien, Modellierung und Simulation, effektiver Entwurf, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Der derzeitige Sta nd der Mechatronikforschung, vor allem mit Blick auf hochgenaue, gesteuerte mechatronische Systeme und insbesondere neuartige integrierte elektromechanische Antriebssysteme, soll im Mittelpunkt dieses Symposiums stehen. Auch zukünftige Forschungsaufgaben für die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenbereichen sollen aufgezeigt werden. Das Symposium versteht sich als Treffpunkt für diejenigen Forscher und Entwickler, die in Europa an Hochschulen ebenso wie in der Industrie auf diesem Gebiet aktiv sind und sich auf einen Austausch th eoretischer, experimenteller und anwendungsspezifischer Erfahrungen, die bei der wissenschaftlichen Arbeit auf dem noch jungen Gebiet der Mechatronik erlangt wurden, freuen.

Die Arbeit behandelt Methoden zur Analyse bzw. Synthese elektromechanischer Systeme mit endlichem Freiheitsgrad (EMS). Dabei wird von einer einheitlichen mathematischen Modellierung solcher Systeme basierend auf dem Prinzip der virtuellen Arbeit in Lagrange'scher Fassung ausgegangen. Als Analysemethoden für strukturfeste EMS werden neben der numerischen Integration die Bestimmung von Gleichgewichtszuständen und die Herleitung der linearisierten Gleichungen zur Schwingungsanalyse dargelegt. Auf die Analyse von strukturvariablen EMS wird ausführlich eingegangen. Dazu werden Phänomene der Strukturvariabilität domänenunabhängig als unilaterale Bindungen aufgefasst und mittels komplementärer Variablen beschrieben. Die kombinatorische Aufgabe der Strukturfindung wird mittels eines linearen Komplementaritätsproblems gelöst. Die Synthese eines EMS wird als inverses Problem der Dynamik aufgefasst. Bei fester Gesamtkonfiguration führt das auf die nichtlineare dynamische Steuerung solcher Systeme. Dazu wird ein so genannter erweiterter PD-Regler - bestehend aus einer nichtlinearen Vorsteuerung auf Basis der inversen Dynamik des EMS und einer linearen Rückführung des Lage- und Geschwindigkeitsfehlers - entworfen. Die globale asymptotische Stabilität dieses Regelgesetzes wird durch explizite Konstruktion einer Lyapunov-Funktion nachgewiesen. Einige Beispiele zur Anwendung der aufgeführten Analyse- und Synthesemethoden runden die Arbeit ab. The thesis deals with methods for analysis and synthesis of electromechanical systems with finite degrees of freedom (EMS). Starting point is a unified mathematical approach to modelling such systems based on the principle of virtual work in Lagrange's formulation. Numerical integration, determination of equilibrium states and derivation of linearized equations are used as analytical methods for EMS with fixed structure. Electromechanical systems with variable structure are regarded explicitly. Phenomena of structural variability are comprehended as unilateral constraints and described using complementary variables. The combinatorial task of finding a valid structure is solved using a linear complementarity problem. The synthesis of EMS is understood as an inverse task of dynamics. Using a fixed configuration, this approach leads to non-linear dynamic control of such systems. A so-called augmented PD-controller - consisting, on the one hand, of a non-linear feedforward based on inverse dynamics of the EMS and, on the other hand, of a linear feedback using position and velocity errors - is designed. Global asymptotic stability is proven by explicit construction of a Lyapunov-function. Some examples showing the usage of the corresponding analytical and synthetic methods are given.

Die Arbeit behandelt Methoden zur Analyse bzw. Synthese elektromechanischer Systeme mit endlichem Freiheitsgrad (EMS). Dabei wird von einer einheitlichen mathematischen Modellierung solcher Systeme basierend auf dem Prinzip der virtuellen Arbeit in Lagrange'scher Fassung ausgegangen. Als Analysemethoden für strukturfeste EMS werden neben der numerischen Integration die Bestimmung von Gleichgewichtszuständen und die Herleitung der linearisierten Gleichungen zur Schwingungsanalyse dargelegt. Auf die Analyse von strukturvariablen EMS wird ausführlich eingegangen. Dazu werden Phänomene der Strukturvariabilität domänenunabhängig als unilaterale Bindungen aufgefasst und mittels komplementärer Variablen beschrieben. Die kombinatorische Aufgabe der Strukturfindung wird mittels eines linearen Komplementaritätsproblems gelöst. Die Synthese eines EMS wird als inverses Problem der Dynamik aufgefasst. Bei fester Gesamtkonfiguration führt das auf die nichtlineare dynamische Steuerung solcher Systeme. Dazu wird ein so genannter erweiterter PD-Regler - bestehend aus einer nichtlinearen Vorsteuerung auf Basis der inversen Dynamik des EMS und einer linearen Rückführung des Lage- und Geschwindigkeitsfehlers - entworfen. Die globale asymptotische Stabilität dieses Regelgesetzes wird durch explizite Konstruktion einer Lyapunov-Funktion nachgewiesen. Einige Beispiele zur Anwendung der aufgeführten Analyse- und Synthesemethoden runden die Arbeit ab. The thesis deals with methods for analysis and synthesis of electromechanical systems with finite degrees of freedom (EMS). Starting point is a unified mathematical approach to modelling such systems based on the principle of virtual work in Lagrange's formulation. Numerical integration, determination of equilibrium states and derivation of linearized equations are used as analytical methods for EMS with fixed structure. Electromechanical systems with variable structure are regarded explicitly. Phenomena of structural variability are comprehended as unilateral constraints and described using complementary variables. The combinatorial task of finding a valid structure is solved using a linear complementarity problem. The synthesis of EMS is understood as an inverse task of dynamics. Using a fixed configuration, this approach leads to non-linear dynamic control of such systems. A so-called augmented PD-controller - consisting, on the one hand, of a non-linear feedforward based on inverse dynamics of the EMS and, on the other hand, of a linear feedback using position and velocity errors - is designed. Global asymptotic stability is proven by explicit construction of a Lyapunov-function. Some examples showing the usage of the corresponding analytical and synthetic methods are given.

Modern product development is a highly complex process characterized by a pronounced interdisciplinary cooperation. Interdisciplinary cooperation accompanied with firm strategic and integrating concep ts leads to innovation potentials in context of cooperative product engineering. The phrase "Mechatronics" represents exactly these novel methodological concepts in the developing process of innova tive products with highly innovative functionality and structure. The concept Mechatronics has been exemplary proven successfully in high-tech sectors. A glance at the automobile or high speed train technology gives an impressive and pursuing figure of the far reach ing Mechatronics philosophy. SME in general have not enough research and development resources to their disposal in order to comply with the ever increasing market demands. Ways out of this dilemma are strategic alliances on one hand and the education of young "Mechatronicans" at universities on the other hand. ISOM 2002 aims to contribute by inviting SME representatives and students from universities and supplementary instit utions in Saxony. The key words of Mechatronics are sensors and actuators, integrated control strategies, modeling and simulation, effective design, safety and reliability. The symposium focuses on state-of-the-art in Mechatronics, especially regarding to controlled high precision systems and particularly to novel electromechanical driving systems. It will point toward future research directions in these subjects. ISOM 2002 is intended as a forum for those engineers and researchers from universities and industry in and outside Europe who actively participate in the young field of Mechatronics and uphold the old spirit of exchanging theoretical and practical results within the scientific community. / Die moderne industrielle Produktentwicklung ist ein hochkomplexer Prozess, der gekennzeichnet ist durch eine stark ausgeprägte interdisziplinäre Arbeit. Diese Interdisziplinarität gepaart mit fundiert en Strategie- und Integrationskonzepten führt zu erheblichen Innovationspotentialen im kooperativen Produkt-Engineering. Das Kunstwort Mechatronik steht genau für dieses neuartige methodologische Konz ept im Entwicklungsprozess innovativer Produkte mit einem hohen Integrationsgrad von Funktionalität und Struktur. Die Industrie hat in vielen High-Tech-Bereichen das Konzept Mechatronik beispielhaft realisiert. Ein Blick auf die Automobil- und Hochgeschwindigkeitszugtechnik zeigt in eindrucksvoller Weise die Tr agfähigkeit der Mechatronik-Philosophie. KMU verfügen oft nicht über das erforderliche FuE-Personal und die entsprechenden materiellen Ressourcen, um das enorme Entwicklungstempo mitzugehen. Wege zur Überwindung dieser Defizite sind strategi sche Allianzen und eine gezielte Ausbildung von Mechatronikern an Hoch- und Fachschulen. Auch hierzu soll das Symposium einen Beitrag leisten, indem insbesondere Vertreter von KMU und Studenten der ga stgebenden Universität sowie anderer Hochschuleinrichtungen Sachsens eingeladen wurden. Zu den Schlüsselworten in der Mechatronik gehören Sensoren und Aktoren, integrierte Steuerstrategien, Modellierung und Simulation, effektiver Entwurf, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Der derzeitige Sta nd der Mechatronikforschung, vor allem mit Blick auf hochgenaue, gesteuerte mechatronische Systeme und insbesondere neuartige integrierte elektromechanische Antriebssysteme, soll im Mittelpunkt dieses Symposiums stehen. Auch zukünftige Forschungsaufgaben für die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenbereichen sollen aufgezeigt werden. Das Symposium versteht sich als Treffpunkt für diejenigen Forscher und Entwickler, die in Europa an Hochschulen ebenso wie in der Industrie auf diesem Gebiet aktiv sind und sich auf einen Austausch th eoretischer, experimenteller und anwendungsspezifischer Erfahrungen, die bei der wissenschaftlichen Arbeit auf dem noch jungen Gebiet der Mechatronik erlangt wurden, freuen.