"Durch Analogien denken heißt, auf der Grundlage von Beziehungen oder von Ähnlichkeiten denken, insofern diese auf die Beziehungen verweisen. Denn beim analogischen Urteil richtet sich der geistige Blick lediglich auf die Ursache der Ähnlichkeiten: Die Ähnlichkeiten sind wertlos, wenn sie im Tatsachenbereich, in dem die Analogien Anwendung finden, nicht Beziehungen hervortreten lassen." (A. Cournot, 1912) / Series: Department of Economics Working Paper Series

Univ., Diss., 2006--Kassel

Gegenstand der Diplomarbeit ist die Informationselektronik zur Steuerung und Regelung einer komplexen leistungselektronischen Einrichtung. Der energetische Teil der Einrichtung ist als Prozeß zu betrachten, den die Informationselektronik steuern und regeln soll. Aus der Funktionsweise der energetischen Einrichtung und ihrem Schutz sind die Anforderungen an die Informationselektronik abzuleiten. Wechselwirkungen zwischen Informationselektronik und dem energetischen Teil sind sorgfältig zu erkunden und gegebenenfalls Anlaß zur Modifizierung des energetischen Teils. Über das leistungselektronische System ist noch nicht endgültig entschieden. Es kann ein einphasiger Wechselrichter sein. Nach gegenwärtigem Erkenntnisstand besteht das leistungselektronische System aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller. Der Tiefsetzsteller soll die Eingangsspannung U_1 verringern und die der Spannungsquelle U_1 entnommene Energie in eine Spannungsquelle U_2 einspeisen. Es gilt U_2 = ü*U_1 mit 0 <= ü <= 1. Der Hochsetzsteller soll der Spannungsquelle U_2 die Energie so entnehmen, daß sich hier eine wählbare konstante Spannung U_2 ergibt. Diese aus U_2 entnommene Energie wird der Eingangsspannungsquelle U_1 zurückgeführt. Die Kombination aus Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller hat zum Ziel, daß in beiden Schaltungen die eingesetzten IGBT und Dioden mit Nennstrom und Nennspannung belastet werden. Durch die Rückführung der Energie soll dabei die Nennschaltleistungen der Ventile erreicht werden, ohne daß ein hoher Energieumsatz eintritt. Im quasistationären Zustand nimmt die leistungselektronische Einrichtung dann lediglich die Verlustarbeit auf. Die Steuer- und Regeleinrichtung soll diese Betriebsart der leistungselektronischen Einrichtung in allen Arbeitspunkten gewährleisten. Dies gilt auch für den Anlauf aus dem energielosen Zustand, bei dem zunächst die Spannung U_2 auf den eingestellten Sollwert aufzubauen ist. Einstellbar sollen die Spannungen U_1, U_2 und der vom Tiefsetzsteller in die Spannungsquelle U_2 eingespeiste Strom sein. Durch die selbsttätige Regelung ist der Hochsetzsteller so zu führen, daß die Spannung U_2 = const. gilt. Der Arbeitspunkt des Tiefsetzstellers soll frei einstellbar sein. Die Betriebsweise des Tiefsetzstellers ist alternativ eine Spannungssteuerung oder eine Zweipunkt-Stromregelung. Der Steuereinrichtung des Tiefsetzstellers und der Regelung des Hochsetzstellers sind Schutzfunktionen zu überlagern, die eine Überlastung oder Zerstörung der Halbleiterventile und der sonstigen Schaltelemente verhindern. Alternativ soll der Betrieb umkehrbar sein. Das bedeutet, daß der Arbeitspunkt des Hochsetzstellers frei einstellbar ist und der Tiefsetzsteller die Voraussetzungen für diese Einstellbarkeit schafft. Gegenstand der Diplomarbeit ist folglich die Informationselektronik, sie umfaßt die Steuer- und Regeleinrichtung zur Gewährleistung der Funktionen von Tiefsetz- und Hochsetzsteller und deren Schutz und schließt die Funktionen zur automatischen Inbetriebsetzung und Außerbetriebsetzung ein. Es ist nicht Gegenstand der Diplomarbeit, die energetischen Komponenten und Schaltungen zu dimensionieren. Aus dem Verständnis ihrer Wirkungsweise sind jedoch selbständig und umfassend die Anforderungen an die Steuer- und Regeleinrichtung abzuleiten. Für die Realisierung der Steuer- und Regeleinrichtung sind möglichst (sofern finanziell realisierbar) handelsübliche Baugruppen zu verwenden. Auf eine robuste Ausführung und hohe Zuverlässigkeit sowie EMV-Festigkeit ist besonderer Wert zu legen. Als Diskussionspartner für die Schnittstellen zwischen Informationselektronik und energetischem Schaltungsteil steht Herr Dr. Schreiter zur Verfügung. Von ihm werden auch der Entwurf und die Dimensionierung des Tiefsetz- und des Hochsetzstellers vorgenommen. Fragen zur Funktion dieser Schaltungsteile sind an ihn zu richten. Wegen der hohen Spannung (2000 V) und großen Ströme (1000 A) im energetischen Teil ist eine sorgfältige, durch Erfahrung geprägte Konstruktion und Ausführung wichtig. Die Aufgaben Konstruktion, Werkstattaufträge, Beschaffung, Arbeitsschutz, Kühlung usw. werden deshalb von Herrn Kumm in Abstimmung mit Herrn Dr. Schreiter wahrgenommen. Vor dem Aufbau des energetischen Prozesses und der Realisierung der Informationselektronik sind beide Teilsysteme simultan durch Simulation zu erproben. Diese Aufgabe wird durch Herrn Dr. Jakob ausgeführt. Die Diplomaufgabe gemäß Thema wird von Herrn Dr. Seyfarth betreut. Angestrebt wird eine moderne Lösung, z. B. durch den Einsatz eines Signalprozessors zur Steuerung und Regelung. Dies soll eine hohe Flexibilität durch nachträgliche Modifikation der Software gestatten. Wenn nötig, sind hierzu die Erfahrungen am Lehrstuhl Antriebstechnik bei Herrn Prof. Hofmann zu nutzen. An den Halbleiterventilen im energetischen Teil sollen Messungen durchgeführt werden. Diese sind als Prüflinge auswechselbar anzuordnen. Für die Auswahl der Meßtechnik und das Einfügen geeigneter Spannungsteiler und breitbandiger Meßwiderstände zeichnet Herr Dr. Schreiter verantwortlich. Die Treiberschaltungen für die Prüflinge sind so zu gestalten, daß die Ansteuerparameter in weitem Bereich einstellbar sind. Dies soll die Möglichkeit eröffnen, den Einfluß der Treibersignale auf die Schalteigenschaften und statischen Eigenschaften der Halbleiterventile zu untersuchen. Da die Halbleiterventile mit einem internen Schutz bei etwa dem zweifachen Nennstrom ausgerüstet sind, sollte die Versuchseinrichtung die Funktion und Wirksamkeit dieser Schutzmaßnahme zu untersuchen gestatten. Die Regeleinrichtung und die Spannungsquelle U_1 sind so zu konzipieren, daß während des Anlaufs der Schaltung bis zum Erreichen der eingestellten Nennwerte die Leistungsaufnahme aus dem Netz etwa 10 kW nicht übersteigt.

Digitale Zwillinge werden in der Betriebsphase einer Maschine oder Anlage für verschiedene Fragestellungen angewendet, bspw. für die Zustandserkennung. Voraussetzung dafür ist, dass der Digitale Zwilling über Modelle des Anlagenverhaltens verfügt, die verschiedene Zustände, einschließlich von Fehlerzustände, adäquat beschreiben. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die Identifikation der Modellparameter. Dieser Beitrag dient der Analyse und Anpassung ausgewählter Optimierungsmethoden (gradientenbasierter Verfahren und ein Partikelschwarmoptimierer) am Beispiel von Modellen für Kompressoren und Turbinenanlagen. Dazu wird mit einem analytischen Ansatz ein Modell einer realen Kompressoranlage erstellt. Um die Qualität der Optimierungsergebnisse vergleichen zu können, wird eine Fehlermetrik eingeführt. Das Verhalten der Optimierer wird unter den folgenden realistischen Fehlerszenarien ermittelt: Fehler in den Modellparametern, Rauschen, initialer Abstand vom Optimum, fehlerhaft Messstellen (ohne und mit Detektion). Zur numerischen Bewertung der Identifizierbarkeit werden zwei Kriterien eingeführt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer mikromechanischer Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip vorgestellt. Die mechanische Sensorstruktur wird mit Hilfe der Bulkmikromechanik hergestellt und arbeitet nach dem elektrostatischen Wirkprinzip. Um große Amplituden zu erreichen, werden mechanische Koppelschwingungen ausgenutzt. In der Arbeit wird allgemein auf Entwurfsprozeß, Modellierung und Simulation mikromechanischer Strukturen eingegangen. Es wird die gemeinsame Lösung gekoppelter Felder mit Hilfe der Netzwerkmethode (PSpice) und die partitionierte Lösung mittels Online-Simulatorkopplung (ANSYS–PSpice) vorgestellt. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Untersuchung der viskosen Luftdämpfung mikromechanischer Elemente mit engen Bewegungsspalten. Es werden verschiedene Möglichkeiten der vereinfachten Berechnung gezeigt.

Gegenstand der Diplomarbeit ist die Informationselektronik zur Steuerung und Regelung einer komplexen leistungselektronischen Einrichtung. Der energetische Teil der Einrichtung ist als Prozeß zu betrachten, den die Informationselektronik steuern und regeln soll. Aus der Funktionsweise der energetischen Einrichtung und ihrem Schutz sind die Anforderungen an die Informationselektronik abzuleiten. Wechselwirkungen zwischen Informationselektronik und dem energetischen Teil sind sorgfältig zu erkunden und gegebenenfalls Anlaß zur Modifizierung des energetischen Teils. Über das leistungselektronische System ist noch nicht endgültig entschieden. Es kann ein einphasiger Wechselrichter sein. Nach gegenwärtigem Erkenntnisstand besteht das leistungselektronische System aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller. Der Tiefsetzsteller soll die Eingangsspannung U_1 verringern und die der Spannungsquelle U_1 entnommene Energie in eine Spannungsquelle U_2 einspeisen. Es gilt U_2 = ü*U_1 mit 0 <= ü <= 1. Der Hochsetzsteller soll der Spannungsquelle U_2 die Energie so entnehmen, daß sich hier eine wählbare konstante Spannung U_2 ergibt. Diese aus U_2 entnommene Energie wird der Eingangsspannungsquelle U_1 zurückgeführt. Die Kombination aus Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller hat zum Ziel, daß in beiden Schaltungen die eingesetzten IGBT und Dioden mit Nennstrom und Nennspannung belastet werden. Durch die Rückführung der Energie soll dabei die Nennschaltleistungen der Ventile erreicht werden, ohne daß ein hoher Energieumsatz eintritt. Im quasistationären Zustand nimmt die leistungselektronische Einrichtung dann lediglich die Verlustarbeit auf. Die Steuer- und Regeleinrichtung soll diese Betriebsart der leistungselektronischen Einrichtung in allen Arbeitspunkten gewährleisten. Dies gilt auch für den Anlauf aus dem energielosen Zustand, bei dem zunächst die Spannung U_2 auf den eingestellten Sollwert aufzubauen ist. Einstellbar sollen die Spannungen U_1, U_2 und der vom Tiefsetzsteller in die Spannungsquelle U_2 eingespeiste Strom sein. Durch die selbsttätige Regelung ist der Hochsetzsteller so zu führen, daß die Spannung U_2 = const. gilt. Der Arbeitspunkt des Tiefsetzstellers soll frei einstellbar sein. Die Betriebsweise des Tiefsetzstellers ist alternativ eine Spannungssteuerung oder eine Zweipunkt-Stromregelung. Der Steuereinrichtung des Tiefsetzstellers und der Regelung des Hochsetzstellers sind Schutzfunktionen zu überlagern, die eine Überlastung oder Zerstörung der Halbleiterventile und der sonstigen Schaltelemente verhindern. Alternativ soll der Betrieb umkehrbar sein. Das bedeutet, daß der Arbeitspunkt des Hochsetzstellers frei einstellbar ist und der Tiefsetzsteller die Voraussetzungen für diese Einstellbarkeit schafft. Gegenstand der Diplomarbeit ist folglich die Informationselektronik, sie umfaßt die Steuer- und Regeleinrichtung zur Gewährleistung der Funktionen von Tiefsetz- und Hochsetzsteller und deren Schutz und schließt die Funktionen zur automatischen Inbetriebsetzung und Außerbetriebsetzung ein. Es ist nicht Gegenstand der Diplomarbeit, die energetischen Komponenten und Schaltungen zu dimensionieren. Aus dem Verständnis ihrer Wirkungsweise sind jedoch selbständig und umfassend die Anforderungen an die Steuer- und Regeleinrichtung abzuleiten. Für die Realisierung der Steuer- und Regeleinrichtung sind möglichst (sofern finanziell realisierbar) handelsübliche Baugruppen zu verwenden. Auf eine robuste Ausführung und hohe Zuverlässigkeit sowie EMV-Festigkeit ist besonderer Wert zu legen. Als Diskussionspartner für die Schnittstellen zwischen Informationselektronik und energetischem Schaltungsteil steht Herr Dr. Schreiter zur Verfügung. Von ihm werden auch der Entwurf und die Dimensionierung des Tiefsetz- und des Hochsetzstellers vorgenommen. Fragen zur Funktion dieser Schaltungsteile sind an ihn zu richten. Wegen der hohen Spannung (2000 V) und großen Ströme (1000 A) im energetischen Teil ist eine sorgfältige, durch Erfahrung geprägte Konstruktion und Ausführung wichtig. Die Aufgaben Konstruktion, Werkstattaufträge, Beschaffung, Arbeitsschutz, Kühlung usw. werden deshalb von Herrn Kumm in Abstimmung mit Herrn Dr. Schreiter wahrgenommen. Vor dem Aufbau des energetischen Prozesses und der Realisierung der Informationselektronik sind beide Teilsysteme simultan durch Simulation zu erproben. Diese Aufgabe wird durch Herrn Dr. Jakob ausgeführt. Die Diplomaufgabe gemäß Thema wird von Herrn Dr. Seyfarth betreut. Angestrebt wird eine moderne Lösung, z. B. durch den Einsatz eines Signalprozessors zur Steuerung und Regelung. Dies soll eine hohe Flexibilität durch nachträgliche Modifikation der Software gestatten. Wenn nötig, sind hierzu die Erfahrungen am Lehrstuhl Antriebstechnik bei Herrn Prof. Hofmann zu nutzen. An den Halbleiterventilen im energetischen Teil sollen Messungen durchgeführt werden. Diese sind als Prüflinge auswechselbar anzuordnen. Für die Auswahl der Meßtechnik und das Einfügen geeigneter Spannungsteiler und breitbandiger Meßwiderstände zeichnet Herr Dr. Schreiter verantwortlich. Die Treiberschaltungen für die Prüflinge sind so zu gestalten, daß die Ansteuerparameter in weitem Bereich einstellbar sind. Dies soll die Möglichkeit eröffnen, den Einfluß der Treibersignale auf die Schalteigenschaften und statischen Eigenschaften der Halbleiterventile zu untersuchen. Da die Halbleiterventile mit einem internen Schutz bei etwa dem zweifachen Nennstrom ausgerüstet sind, sollte die Versuchseinrichtung die Funktion und Wirksamkeit dieser Schutzmaßnahme zu untersuchen gestatten. Die Regeleinrichtung und die Spannungsquelle U_1 sind so zu konzipieren, daß während des Anlaufs der Schaltung bis zum Erreichen der eingestellten Nennwerte die Leistungsaufnahme aus dem Netz etwa 10 kW nicht übersteigt.

Das Wissenschaftsverständnis als Verständnis über die charakteristischen Grundzüge der Erkenntnisgewinnung und die Eigenschaften naturwissenschaftlichen Wissens ist in einem durch Naturwissenschaften und Technik geprägten Alltag unverzichtbar (z. B. NGSS Achieve Inc., 2013). Viele Autoren gehen davon aus, dass Schüler durch das Konstruieren, Testen und Ändern von Modellen ein Modellverständnis als Bestandteil von Wissenschaftsverständnis erlangen (z. B. Lehrer & Schauble, 2006). Doch bisher konnte keine Studie gefunden werden, die diesen Zusammenhang empirisch belegt. Daher wurde auf der theoretischen Basis des Modells der Modellbildung nach Justi und Gilbert (2002) eine standardisierte Hands-On-Aufgabenstruktur entwickelt und evaluiert. Sie regt Schülerinnen und Schüler dazu an, Tätigkeiten der Modellbildung auszuführen, um eigene Hypothesen zu untersuchen. Dabei aktivierte Schülervorstellungen wurden mit einer Methodenkombination aus Lautem Denken, Interview und Videoaufzeichnung erfasst. Zur Beurteilung der Qualität aktivierter Vorstellungen in unterschiedlich elaborierten Ausprägungen wurde das Kompetenzmodell der Modellkompetenz von Upmeier zu Belzen und Krüger (2010) herangezogen. Als grundlegendes Ergebnis zeigt sich, dass die meisten Probanden der zehnten Jahrgangsstufe trotz unterstützender und strukturierender Maßnahmen keine Vorstellungen über Modelle als Erkenntnismethoden äußerten. Doch in der Arbeit werden andere erfolgreiche Lernangebote zur Aktivierung epistemologischer Schülervorstellungen beschrieben. Eine weitere Erkenntnis der Studie ist, dass die durch Justi und Gilbert (2002) beschriebenen Schritte zur Modellbildung mit Blick auf zukünftige Interventionen um drei Aspekte erweitert werden können. Außerdem werden mit Blick auf die Anbindung in den Schulkontext Unterschiede zwischen grafischen, gegenständlichen und verbalen Modellbildungsprozessen reflektiert, die mithilfe eines qualitativen, experimentellen Untersuchungsdesigns erfasst wurden. / Various authors claim that students achieve a better understanding of the nature of science and scientific inquiry through modeling (e.g. Lehrer & Schauble, 2006). In this process, students develop models of a phenomenon, test their ideas with the model, change the models and discuss the results. Whether students do indeed achieve a better understanding of the nature of science and scientific inquiry through the process of modeling cannot be answered sufficiently by current research. That’s why, in this study the model of modeling by Justi and Gilbert (2002) was transferred into a standardized hands-on tasks. The task forces students to analyze their own questions about a biological phenomenon by building, testing and changing models. In this process, students’ conceptions were captured with a combination of interviews, thinking aloud and videography. The theoretical structure of model competence by Upmeier zu Belzen and Krüger (2010) served to assess the quality of the student statements. A fundamental result of this study is that the participants at the age of sixteen expressed mainly ideas about models as a product of science despite supportive measures. The thesis describes other offers of the hands-on tasks which enable ideas about models as inquiry methods. Another finding of the study is that the modeling steps of Justi and Gilbert (2002) can be extended to three aspects. In addition, and overlooking the school context, differences between graphic, material and verbal modeling processes are described. These were analyzed using a qualitative, experimental study design.

Wachsende Anforderungen an die Qualität von Formteilen sowie die Globalisierung der Märkte für Kunststoffprodukte zwingen die kunststoffverarbeitenden Unternehmen, neue moderne Methoden zur Qualitätsverbesserung und zur Kostensenkung einzusetzen. Eine Untersuchung zum Stand der Forschung ergab, dass eine Null-Fehler-Produktion beim Spritzgießen bisher nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Beitrag zur Qualitätssicherung durch ein prozessnahes Qualitätsmanagement mit dem Ziel, eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung und eine Qualitätsregelung für jedes produzierte Formteil zu ermöglichen. Durch den Einsatz von statistischen Versuchsplänen werden die Herstellungsbedingungen beim Spritzgießen optimiert und Modelle zur Einstellung der Maschine sowie zur Überwachung der Qualitätseigenschaften gebildet. Aufbauend auf diesen Modellen wird ein adaptives Regelungssystem entworfen, um Qualitätsabweichungen zu verhindern.

A proper description of quasi-brittle failure within the frame of continuum Mechanics can only be achieved by models based on so-called generalised continua. This thesis focuses on a strain gradient generalised continuum and provides a specific methodology to derive corresponding models which account for the essential features of quasi-brittle failure. This methodology is discussed by means of four peer-reviewed journal articles. Furthermore, an extensive overview of the state of the art in the field of generalised continua is given at the beginning of the thesis. This overview discusses phenomenological extensions of standard Continuum Mechanics towards generalised continua together with corresponding homogenisation strategies for materials with periodic or random microstructure. / Eine geeignete, kontinuumsmechanische Beschreibung quasi-spröden Versagens ist nur unter Verwendung verallgemeinerter Kontinuumstheorien möglich. In dieser Habilitationsschrift stehen sogenannte Gradientenkontinua im Vordergrund. Für diese wird eine Methodik vorgeschlagen, welche die Herleitung von Modellen erlaubt, die in der Lage sind, quasi-sprödes Versagen adäquat abzubilden. Diese Methodik wird anhand von vier Publikationen dargestellt und diskutiert. Ein umfangreicher Überblick über den Stand der Forschung auf dem Gebiet der veralgemeinerten Kontinuumstheorien wird am Anfang der Habilitationschrift gegeben. Dabei werden neben phänomenologischen Ansätzen zur Ableitung verallgemeinerter Kontinuumstheorien auch die entsprechenden Homogenisierungskonzepte dargestellt. Letztere werden für Materialien mit periodischer Mikrostruktur und für Materialien mit zufälliger Mikrostruktur diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer mikromechanischer Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip vorgestellt. Die mechanische Sensorstruktur wird mit Hilfe der Bulkmikromechanik hergestellt und arbeitet nach dem elektrostatischen Wirkprinzip. Um große Amplituden zu erreichen, werden mechanische Koppelschwingungen ausgenutzt. In der Arbeit wird allgemein auf Entwurfsprozeß, Modellierung und Simulation mikromechanischer Strukturen eingegangen. Es wird die gemeinsame Lösung gekoppelter Felder mit Hilfe der Netzwerkmethode (PSpice) und die partitionierte Lösung mittels Online-Simulatorkopplung (ANSYS–PSpice) vorgestellt. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Untersuchung der viskosen Luftdämpfung mikromechanischer Elemente mit engen Bewegungsspalten. Es werden verschiedene Möglichkeiten der vereinfachten Berechnung gezeigt.