Kommunikationsmodelle

ISO/OSI- und TCP/IP-Referenzmodell

Sicherungsschicht

• Rahmenbildung
• Fehlerkorrektur und Fehlererkennung
• Mehrfachzugriffsprotokolle für drahtgebundene und drahtlose Netzwerke

Vermittlungsschicht

• Kopplung von Netzwerken
• Routing im Internet
• IPv4 (inkl. Subnetting)
• IPv6

Transportschicht

• TCP
• UDP

Anwendungsschicht

• Web (HTTP, Web2.0, etc.)
• DNS
• E-Mail (SMTP, POP, IMAP etc.)

Sicherheit

• Aspekte der Netzwerksicherheit
• symmetrische und asymmetrische kryptographischeVerfahren
• Übersicht über Sicherheitsprotokolle

• Tanenbaum A. S., Computernetzwerke, 4. Auflage, München, Pearson Studium, 2003
• Stevens Richard W., TCP/IP, Reading, Mass. [u.a.], Addison-Wesley, 2005
• Sikora, A., Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation: Internet-Protokolle und Anwendungen, München, Wien, Hanser, 2003

Software-Engineering-Vorgehensmodelle:

• Definition SW - Engineering
• Definiton SW – Entwicklungsprozesse
• Übersicht Vorgehensmodelle

Sequentielle Entwicklungsprozesse:

• Phasen eines sequentiellen SW-Entwicklungsprozesses
• Rollen in einem Software-Entwicklungsprozess
• Wasserfallmodell
• V-Modell/V-Modell-XT

Inkrementelle Entwicklungsprozesse:

• iterativ (formal, agil)
• evolutionär (Prototyping)

Eingebettete Systeme

• Grundsätzlicher Aufbau (Software und Hardware)
• Allgemeine Aufgaben und Einsatz
• Spezifische Anforderungen

Requirements Engineering:

• Ermittlung der Anforderung
• Lastenheft / Pflichtenheft

Design-Phasen:

• Einführung in UML, Übersicht der wichtigsten UML-Designelemente
• Design von Eingebetteten Systemen (Entwurfsmuster, MDD, TDD, FFD, HAL)

Realisierungsphase:

• Systematisches Vorgehen
• Handwerkszeuge
• Kodierrichtlinien
• Implementierungshilfen
• Automatische Dokumentengenerierung

Test-Phase:

• Verifikation / Validierung
• Testkategorien / Testarten
• Kontinuierliche Integration
• Test-Tools

• Balzert, H.,Lehrbuch der Software-Technik, Band 1, 3. Auflage, Heidelberg, Spektrum, 2009      
• Sommerville, I., Software Engineering , 9. Auflage, München, Pearson Studium, 2012
• Berns K., Schürmann B., Trapp M., Eingebettete Systeme: Systemgrundlagen und Entwicklung eingebetteter Software , Wiesbaden, Vieweg+Teubner, 2010

In den Laborübungen lernen die Studenten am Beispiel dier SIMATIC S7-1500 und S7-300 wie speicherprogrammierbare Steuerungen bedient und programmiert werden. Als Beispielanwendungen kommen dabei wahlweise ein Fabrikmodell mit verschiedenen Bearbeitungsstationen, ein Festoportalroboter sowie eine Rundtakttischapplikation zum Einsatz. Es werden u.a. folgende Themen behandelt:

• Entwurf und Implementierung von Verknüpfungsfunktionen, Verknüpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen .
• die Programmiersprachen Funktionsbausteinsprache(FUP), Ablaufsprache (GRAPH7), Strukturierten Text (SCL) sowie in geringerem Umfang Kontaktplan (KOP) und Anweisungsliste (AWL)
• Umgang mit Programmiersystemen anhand der Software TIA-Protal von Siemens
• Entwurf und Programmierung graphischer Bedienoberflächen und Integration in ein Automatisierungssystem
• Analogwertverarbeitung mit Automatisierungsrechnern

Ausführliche Laboranleitungen zu den Versuchen

• Grundlagen zur Europäischen Normen, Richtlinien und Gesetze
• Relevante Normen, Richtlinien und Gesetze für die Projektierung von Schaltanlagen
• Detailbetrachtung der EN60204-1 sowie die Abgrenzung zur EN61439-1
• Praxisbeispiele zur konkreten Umsetzung der erlernten Vorgaben
• Einführung in Elektro-CAD ePLAN P8

• Skript zur Vorlesung
• Leitfaden Sicherer Maschine – In sechs Schritten zur sicheren Maschine, SICK AG 2017
• Der normgerechte Schalt- und Steuerungsbau – Anwendung der DIN EN 61439, Rittal Gmbh& Co. KG, 2013
• Das Schaltschrank-Expertenwissen, Rittal Gmbh & Co. KG, 2014
• Die Schaltschrank- und Prozesskühlung, Rittal Gmbh & Co. KG, 2013

Prozessleitsysteme (PLS):

• Aufbau und Anwendungsgebiete
• Herstellergebundene PLS und SCADA-Systeme

Bewegungssteuerungen (Motion Control):

• Industrieroboter (Kinematik, Koordinatensysteme und -transformation, Steuerung, Bewegungsführung)
• CNC-Maschinen (Aufbau und Funktionsweise)

Einführung in die funktionale Sicherheit:

• Maschinenrichtlinie, Normen und Standards
• Risikobeurteilung und CE-Zertifizierung

Trends in der Automatisierungstechnik:

• Industrie 4.0
• Digitaler Zwilling

• M. Seitz, Speicherprogrammierbare Steuerung für die Fabrik- und Prozessautomation, Hanser Verlag, 2012
• R. Langmann, Taschenbuch der Automatisierung, Fachbuchverlag Leipzig, 2010
• Norbert Becker, Automatisierungstechnik, Vogel Buchverlag, 2014, 2.Auflage
• Wellenreuther, Zastrow, Automatisieren mit SPS – Theorie und Praxis, 6. Auflage, Springer Vieweg, 2015
• T. Heimbold, Einführung in die Automatisierungstechnik, Carl Hanser Verlag, 2015

Individuelle Themenstellung wird in vorgegebener Zeit selbständig bearbeitet und dokumentiert.

Wird von den Betreuern vorgegeben

In einer Einführungsveranstaltung mit Präsenzpflicht werden die Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens reflektiert sowie verbindliche Richtlinien für die schriftliche Dokumentation sowie für die öffentliche Präsentation vorgegeben.

Am Ende der Bearbeitungszeit der Bachelor-Thesis folgt ein öffentlicher Fachvortrag im Umfang von 15-20 Minuten über die eigene Arbeit und deren Randbedingungen, sowie die Präsentation eines Posters hierzu. Das Poster soll so gestaltet sein, dass es die Hochschulöffentlichkeit zur Teilnahme am Vortrag motiviert.

Wird von den Betreuern vorgegeben

• Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens

• Verstehen wissenschaftlicher Texte

• Fragestellungen, Vorgehensweisen und Ergebnisse wissenschaftlicher Studien

• Quellen berufspädagogischer Literatur

• Plagiate und freiwillige Plagiatskontrolle

• Dokumentenstruktur wissenschaftlicher Texte

• Erstellen von Präsentationen wissenschaftlicher Sachverhalte

• Vorträge zur Darstellung wissenschaftlicher Sachverhalte

• aktuelle berufspädagogische Forschungsprojekte

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Strukturen des Bildungssystems der Bundesrepublik Deutschland, aktuelle Entwicklungen und Kritikpunkte

• Strukturen des beruflichen Bildungssystems der Bundesrepublik Deutschland, aktuelle Entwicklungen und Kritikpunkte

• organisatorische Strukturen und rechtliche Grundlagen des dualen Systems der beruflichen Bildung, Berufsbildungsgesetz und einschlägige Regelungen der Handwerksordnung

• Berufsbegriff, Funktionen des Berufs, Arbeits- und Ausbildungsmarkt

• System der beruflichen Schulen: Strukturen in der Bundesrepublik und speziell in Baden-Württemberg

• berufliche Bildung außerhalb des dualen Systems

• berufliche Fort- und Weiterbildung

• Berufsberatung, Berufswahl

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Motivation und Leistung

• Gütekritierien der Leistungsmessung, Bezugsnormen der Leistungsbeurteilung

• wahrnehmungspsychologische Probleme der Leistungsmessung

• Fehlerquellen bei der Leistungsmessung und Leistungsbeurteilung

• Leistungsmessungen und -beurteilungen im schulischen und betrieblichen Kontext

• Leistungsmessungen im offenen/handlungsorientierten Unterricht

• Entwicklung, Durchführung und Auswertung einer Klausur unter Berücksichtigung der Gütekriterien der Leistungsmessung

• Prüfungen im Rahmen der dualen Berufsausbildung

• betriebliche Beurteilungen und Beurteilungsverfahren, Arbeits- und Ausbildungszeugnisse

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Grundlagen des Lehrens und Lernens (z. B. Theorien zum Erwerb und der Repräsentation von Wissen und Fertigkeiten)

• Grundlagen der Entwicklung (z. B. die Entwicklung kognitiver Strukturen im Kindes- und Jugendalter nach Piaget)

• Grundlagen der Lernmotivation

• Grundlagen des sozialen Lernens

Woolfolk, A., Pädagogische Psychologie, München, Boston, Pearson Studium, 2008

• Wahrnehmung als Grundlage der Kommunikation
• Nonverbale und verbale Kommunikation, Ebenen der Interaktion
• Selbstbild und Fremdbild: die Wirkung des eigenen Verhaltens kennenlernen
• Einführung in die Transaktionsanalyse
• Übungen zur Transaktionsanalyse: Analyse des individuellenGesprächsverhalten, erkennen und verstehen der Verhaltensweisen anderer
• Charakteristisches Kommunikationsverhalten: Das Struktogramm
• Konkrete Gesprächsstrategien: Ursachen und Wirkungen
• Anwendung der Kommunikationsstrategien in schwierigen Gesprächssituationen
• Erarbeiten und praktische Erprobung von Konfliktlösungsstrategien und Fragetechniken
• Feedback auf das eigene Redeverhalten
• Übungen für ein Assessment-Center

Schulz von Thun, Miteinander reden, Band 1-3, Rowohlt, 1981

• Grundlagen der Betriebswirtschaftslehre
• Unternehmensführung/Management
• Informationswirtschaft (Externes und internes Rechnungswesen)
• Finanzierung und Investition
• Personalwirtschaft
• Materialwirtschaft
• Produktionswirtschaft
• Absatzwirtschaft/Marketing

Vahs, D., Schäfer-Kunz, J., Einführung in die Betriebwirtschaftslehre, 5. Auflage, Stuttgart, Schäffer-Poeschel-Verlag, 2007

Im Rahmen des Seminars Projektmanagement wird eine praxisorientierte Einführung in die Methoden und Vorgehensweisen des modernen Projektmanagements gegeben.
Das Seminar umfasst im Einzelnen folgende Inhaltspunkte:

Projektmanagement:

• Definitionen
• Richtlinien, Nutzen Projektmanagement und Projekt Definitionen nach DIN; Determinanten des Projektmanagement-Erfolgs; Das "Magische Dreieck" des Projektmanagements.
• Projektorganisationsformen, Reine Projektorganisation, Projektkoordination, Matrix-Organisation – Projektlebenszyklus, Projektdefinition 

Projektplanung:

• Kick-off, Erstellen eines Projektstrukturplans(PSP); Verfahren der Aufwandsschätzung;
• Termin- und Ablaufplanung (Gantt-Chart, Meilensteinplan; Netzplantechnik),
• Ressourcen- und Kostenplanung; Risikomanagement; Praxisanleitung zur Projektplanung.

Projektabwicklung/ -controlling:

• Projektabwicklung, Qualitäts- und Config.-Management);
• Techniken zur Erfassung zukunftsbezogener IST-Daten;
• Datenauswertung (Soll-Ist Vergleich);
• Earned-Value Analyse (EVA); Meilenstein Trend Analyse (MTA));
• Definieren von Steuerungsmaßnahmen. – Projektabschluss:
• Produktabnahme; Projektabschlussbericht mit
• Abschlussanalyse; Projektabschluss-Meeting (Kick-Out); Feedback zum Projekt.
• Kosten des Projektmanagements

Diverse Themen des Projektmanagements:

• Einführung in MS Projects - praktische Übung im Team -Arbeitstechniken zur Unterstützung von Projektmanagement: Kreativitätstechniken;
• Problemlösungstechniken; Kommunikationstechniken;
• Verhalten und Steuern von Besprechungen (Videopräsentation). -Abschlussdiskussion – Feedback der Seminarteilnehmer

• Burghardt, M., Einführung in Projektmanagement, 4. Auflage, Erlangen, Publicis MCD Verlag, 2002
• Haynes, M., Projektmanagement, 3. Auflage, Menlo Park, Calif., Crisp Learning, 2002
• Wischnewski, E., Projektmanagement auf einen Blick, Braunschweig, Wiesbaden, Vieweg, 1993

Das Ziel des Betriebspraktikums ist, durch Tätigkeiten in einschlägigen Betrieben das gewählte Berufsfeld soweit kennen zu lernen, dass eine sinnvolle Schwerpunktbildung und Auswahl von Fächern nach eigener Neigung für die Studierenden möglich wird.

Wird im Praktikumsbetrieb bekannt gegeben

Die LV gliedert sich folgendermaßen:

• Aufgaben der Leistungselektronik
• Bauelemente der Leistungselektronik
• Wechselstrom- und Drehstromsteller
• Netzgeführte Stromrichter
• Selbstgeführte Stromrichter
• Umrichter
• Verfahren zur Ansteuerung von Stromrichtern

• Jäger, R., Stein, E.: Leistungselektronik, VDE-Verlag, Berlin, Offenbach, 2011
• Schröder, D.: Leistungselektronische Schaltungen, 3. Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2012
• Specovius, J.: Grundkurs Leistungselektronik, 8. Auflage, Wiesbaden, Vieweg Verlag, 2017
• Hagmann, G.: Leistungselektronik, 6. Auflage, Wiebelsheim, AULA-Verlag, 2019

Physikalische Grundlagen von elektrischen Maschinen

Aufbau, Funktionsweise und Betriebsverhalten verschiedener Gleichstrommaschinen

• Permanentmagneterregt
• Fremderregt
• Reihenschluss
• Nebenschluss

Aufbau, Funktionsweise und Betriebsverhalten von Synchronmaschinen

• Netzbetrieb
• Betrieb am Frequenzumrichter

Aufbau, Funktionsweise und Betriebsverhalten von Asynchronmaschinen

• Netzbetrieb
• Betrieb am Frequenzumrichter
• Thermik und Schutz von elektrischen Maschinen

• Schröder, D., Elektrische Antriebe - Grundlagen, 6. Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2017
• Fischer, R., Elektrische Maschinen, 16. Auflage, München, Wien, Hanser Verlag, 2017

Die Lehrveranstaltung gliedert sich folgendermaßen:

• Komponenten elektrischer Antriebe
• Aufbau und Wicklungen von Drehstrommaschinen
• Raumzeigertheorie
• Stationäres mathematisches Modell und Betriebskennlinien der Asynchronmaschine im Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich
• Ausführungsformen und Regelungsstruktur stromrichtergespeister Antriebe mit Asynchronmaschinen
• Verfeinertes stationäres mathematisches Modell der permanentmagneterregten Synchronmaschine
• Regelungsstruktur stromrichtergespeister Antriebe mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen

• Schröder, D.: Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen, 4. Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2015
• Fischer, R.: Elektrische Maschinen, 17. Auflage, München, Wien, Hanser Verlag, 2017

Die Lehrveranstaltung gliedert sich folgendermaßen:

• Versuche zur Gleichstrommaschine
• Versuche zu Thyristoren und netzgeführten Stromrichtern
• Versuche zu selbstgeführten Stromrichtern
• Versuche zu netzgespeisten Asynchronmaschinen
• Versuche zu frequenzumrichtergespeisten Asynchronmaschinen
• Versuche zu frequenzumrichtergespeisten permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Fischer, R.: Elektrische Maschinen, 17. Auflage, München, Wien, Hanser Verlag, 2017

• Einführung in Embedded Systems (ES)
• Interfaces von ES
• Datendarstellung
• Architektur und Programmierung von ES
• Befehle und Kontrollstrukturen in Assembler
• Funktionen in Assembler
• Optimierung in Assembler
• Exceptions und Interrupts
• Programmierung von Interrupts in C und der NVIC
• Timerinterrupts in C
• Hardwarenahe Programmierung in C und Assembler
• Mischung C und Assembler
• Speichermanagement

• Joseph Yiu: The Definitive Guide to ARM© Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors, Third Edition, Elsevier, 2013
• Yifeng Zhu: Embedded Systems with ARM© Cortex-M Microcontroller in Assembly Language and C, Third Edition, E-Man Press, 2017

Sechs Laborversuche mit einem Cortex-M3 Evaluationsboard.

• Assembler 1: Grundlegende Befehle, Konfiguration der GPIOs, Abfragen von Tasten, Ausgabe auf LEDs
• Assembler 2: Implementierung eines Lauflichts und eines rekursiven Bubblesorts
• C 1: Implementierung einer Druckbehälteranzeige – Bestimmung von Software-Metriken
• C 2: Implementierung einer Stoppuhr mit Timerinterrupts
• C 3: Implementierung einer Motorsteuerung unter Verwendung eines Watchdogs
• C 4: Implementierung einer funkbasierten und verschlüsselten Verbindung (nRF24) – Dokumentation mit doxygen/GraphViz

• Joseph Yiu: The Definitive Guide to ARM© Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors, Third Edition, Elsevier, 2013
• Yifeng Zhu: Embedded Systems with ARM© Cortex-M Microcontroller in Assembly Language and C, Third Edition, E-Man Press, 2017

• wissenschaftstheoretische Grundlagen; zentrale Begriffe

• allgemeine Didaktik, Entwicklung und Grundpositionen

• berufliches Lernen im Wandel

• berufliches Lernen an verschieden Lernorten

• Leistungsmessung und -bewertung in beruflichen Bildungsgängen

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

Die Inhalte der Vorlesung „Grundlagen der Fachdidaktik technischer Fachrichtungen“ werden in seminaristischer Form nochmals aufgearbeitet und in Bezug auf die jeweiligen Berufsfelder differenziert thematisiert.

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Analyse von Ordnungsmitteln

• Erstellung von Planungsinstrumenten für Lehr-/Lernsituationen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Lernfeldkonzepts

• Entwicklung eigener Unterrichtssequenzen

• Entwicklung von Instrumenten zur Leistungsbewertung

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Planung und Durchführung von Hospitationen

• Grenzen der Beobachtbarkeit

• Dokumentation und Auswertung von Hospitationen

• Planung, Durchführung und Reflexion eigenen Unterrichts

• Planung und Durchführung von Hospitationen

• Dokumentation und Auswertung von Hospitationen

• Planung, Durchführung und Reflexion erster eigener Unterrichtssequenzen

• Dokumentation und Auswertung von Unterrichtssequenzen

• Planung von Unterrichtssequenzen auf der Basis didaktischer Modelle

• Dokumentation der geplanten Unterrichtssequenzen

• Durchführung eigener Unterrichtssequenzen

• Reflexion eigener Unterrichtssequenzen

• kriteriengeleitete Beobachtung von Unterricht

• theoriegeleitete Erkundung beruflicher Unterrichtspraxis

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Grundlagen der Kommunikation

• Didaktikbegriff

• Lerntheorien als Grundlage didaktischer Modelle

• Handlungstheorien als Grundlage didaktischer Modelle

• didaktische Modelle: Die didaktische Analyse und das Perspektivenschema zur Unterrichtsvorbereitung nach Klafki

• didaktische Modelle: Das Berliner Modell

• lernzielorientierte Unterrichtsplanung: Lernziele, Lernzieltaxonomien

• Entwicklung beruflicher Handlungskompetenz

• Analyse beruflicher Handlungskompetenz in beruflichen Praxisfeldern

• Lernfeldkonzept

• Konzepte handlungsorientierten Unterrichts

• Projektmethode nach Frey

• Prüfungen in der beruflichen Bildung

• Vorbereitung des Praktikums als theoriegeleitete Erkundung beruflicher Unterrichtspraxis

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

• Struktur der Erziehungswissenschaften

• anthropologische Erklärungen der Erziehungsbedürftigkeit des Menschen

• erziehungswissenschaftliche Grundbegriffe: Erziehung, Sozialiation, Bildung

• lerntheoretische und entwicklungstheoretische Erklärungen für Sozialisationsvorgänge

• Stufen der moralischen Entwicklung

• berufliche Handlungskompetenz von Lehrerinnen und Lehrern

• Grundlagen der Theorie sozialer Systeme

• Pädagogische Professionalität

• Theorie-Praxis-Verhältnis in der Erziehungswissenschaft

Aktuelle Fachliteratur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben oder zur Verfügung gestellt.

A) Einführung in das Methodische Konsturieren (Ideenfindung, Konstruktionsprinzipien, Gestaltungsregeln, Klärung des Begriffs "Funktion" in der Konstruktionslehre)

B) Einführung in die Praktische Festigkeitslehre (Dauerschwingversuch, Wöhlerlinie, Dauerfestigkeitsschaubilder, Theorie des allgemeinen Verspannungszustands, Invarianten des Spannungstensors, VersagenshypothesenFestigkeitsnachweise nach DIN 743)

C) Betrachtung ausgewählter grundlegender Maschinenelememente: Z.B. Achsen, Wellen, Lager, Bewegungsschrauben, Federn. Dabei mit besonderem Blick auf Berechnungsansätze, die für weitere Maschinenelemente grundsätzliche Bedeutung habe (Dimensionierung, Funktionsnachweise, Festigkeitsnachweise)

• Diskussion allgemeiner und übergreifender Regeln des Funktionsnachweises bei ausgewählten Maschinenelementen
• Diskussion allgemeiner und übergreifender Regeln des Festigkeitsnachweises bei bei ausgewählten Maschinenelementen
• Diskussion von abstrakten Modellierungsansätzen für ausgewählte Maschinenelemente für die Verwendung in Mechatronischen Simulationen

Begleitunterlagen der Veranstaltung

Zur Ergänzung empfohlen:

Roloff, Matek, Maschinenelemente, 2003
Niemann, Winter, Höhn, Maschinenelemente, 2005
Labisch, Technisches Zeichnen, Springer Vieweg 2017
DIN 743

Modellbildung

• Systembegriff
• Verfahren der Modellbildung
  • Theoretische Modellbildung
  • Allgemeine Systeme
  • Klassifizierung dynamischer Systeme

Vorgehensweise bei der Simulation

• Numerische Integration
• Simulationssysteme
  • Matlab/Simulink
  • Gazebo

Ausgewählte Beispiele zur Simulation mechatronischer Systeme

Glöckler, Simulation mechatronischer Systeme, Wiesbaden, Springer, 2014

Scherf, Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme: Eine Sammlung von Simulink-Beispielen, Oldenburg, 2009

• Begriffsbestimmung der Mechatronik

• Entwicklungsprozess mechatronischer Systeme
  • V-Modell
  • Schnittstellenproblematik
  • Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme
• Bauteile mechatronischer Systeme:
  • Mechanisch
  • Elektrisch
  • Fluidisch / thermodynamisch
• Modellbildung in der Mechatronik:
  • Theoretische Modellbildung
  • Parameteridentifikation
• Kinematik mobiler Systeme

• Sensoren mechatronischer Systeme
  • Eigenschaften von Sensorsystemen
  • Physikalische Effekte
  • Beschleunigungssensoren
  • Drehratensensoren
  • MEMS Sensorik

• Prozessdatenverabreitung mechatronischer Systeme
  • Signal- und Datenverarbeitung
    • Kleinster Quadrate Schätzer
    • Kartierung

• Ausgewählte Beispiele mechatronischer Systeme

Roddeck, W., Einführung in die Mechatronik, Springer-Vieweg, 2012

Heimann, B., Mechatronik: Komponenten - Methoden - Beispiele, München, Wien, Hanser-Verlag, 2006

Siegwart, R., Introduction to Autonomous Mobile Robots, Cambridge, MIT Press, 2011

Die LV gliedert sich folgendermaßen:

• Analyse des Strecken- und Regelkreisverhaltens mit Hilfe der Pole und Nullstellen von Übertragungsfunktionen
• Algebraische Stabilitätskriterien
• Vereinfachung des Streckenmodells
• Algebraische Reglerentwurfsverfahren für Standardregler
• Strukturelle Maßnahmen wie Kaskadenregelung, Störgrößenaufschaltung und Vorsteuerung zur Verbesserung des Regelkreisverhaltens

• Föllinger, O.: Regelungstechnik, 12. Auflage, Berlin, Offenbach, VDE Verlag, 2016
• Lunze, J.: Regelungstechnik 1, 11. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York, Springer-Verlag, 2016
• Schulz, G.: Regelungstechnik 1, 4. Auflage, München, Oldenbourg Verlag, 2010

Die Studierenden simulieren verschieden Systeme und Regelkreise mit Hilfe der Software MATLAB. Anhand vorgegebener Anforderungen entwerfen die Studierenden Regler vom Typ PID und bestimmen die Reglerparameter. Dabei werden u. a. folgende Themen behandelt:

Frequenzgangmessung:

• Das Bode-Diagramm und die Ortskurve einer elektronischen Schaltung werden durch Messungen ermittelt.
• Auslegung eines P-Reglers anhand des Boden-Diagramms für unterschiedliche Phasenreserven
• Schwingversuch

Empirische Reglerauslegung nach Chien, Hrones und Reswick (CHR):

• Auslegung von P-, PI-, und PID-Regler mit demCHR-Verfahren für einen Gleichstrommotor
• Manuelles Tuning von P-, PI- und PID-Regler
• Vergleich der Regelungen anhand charakteristischer Größen der Sprungantwort

Reglerauslegung nach dem Frequenzkennlinienverfahren:

• Auslegung von P-, PI- und PID-Reglern mit dem Frequenzkennlinienverfahren
• Kompensation der dominierenden Zeitkonstante
• Auslegung auf Phasenreserve

Simulation und Auslegung zeitdiskreter Regler:

• Emulation zeitkontinuierlicher Regler durch zeitdiskrete
• Auslegung zeitdiskreter P-, PI- und PID-Regler am Beispiel eines Gleichstrommotors
• Vergleich von zeitkontinuierlichem und emuliertem zeitdiskreten Regler für verschiedene Abtastzeiten

Identifikation eines dynamischen Systems:

• Identifikation der Übertragungsfunktion eines Systems aus Messdatenreihen
• Vergleich der verschiedenen Reglerauslegungsverfahren

• Laborumdrucke, Hochschule Offenburg
• O. Föllinger, Regelungstechnik, 12. Auflage, Berlin, VDE Verlag, 2016
• J. Lunze, Regelungstechnik I, 11. Auflage, Springer Vieweg, 2016
• G. F. Franklin, J. D. Powell, A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Pearson, 8. Auflage, 2019

Sensorik, Analogtechnik:

• Verhalten Sensoren kennenlernen
• Entwurf, Aufbau/Implementierung und Test einer anlogen Teilschaltung (OPV) zur Aufbereitung eines vorgegeben analogen Signals und vorgegeben Randbedingungen
• Rechnergestützter Entwurf der Schaltung (Simulation) der Schaltung mittels PSPICE
• Allgemeine Eigenschaften OPV kennenlernen, evaluieren
• Anwendung OPV als Verstärker, Subtrahierer etc.

Analog-Digital-Wandler:

• Allgemeine Eigenschaften von AD-Wandlern evaluieren
• Gemeinsame Inbetriebnahme des AD-Wandlers mit der Sensorik und der analogen Signalaufbereitungsschaltung

Digitaltechnik, Programmierbare Digitalschaltkreise:

• Entwurf kombinatorischer und sequentieller Schaltungsteile
• Entwurf komplexerer digitaler Schaltungen und Umsetzung der Schaltung in einem programmierbaren Digitalschaltkreis (FPGA), Rechnergestützter Entwurf der digitalen Schaltungen
• Integration der kombinatorischen und sequentiellen Schaltungsteile in eine vorgegebene Digitalschaltungsumgebung
• Gemeinsame Inbetriebnahme der vorherigen entworfenen Schaltungsteile mit dem entstandenen Digitalteil
  Einblick in Entwurfsmöglichkeiten digitaler Schaltungen

• Goßner, S., Grundlagen der Elektronik: Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Shaker -Verlag, 2008
• Zastrow, D., Elektronik, Springer-Verlag, 12. Auflage, 2014
• Tietze U., Schenk C., Gamm E., Halbleiter-Schaltungstechnik, 15. Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer Vieweg, 2016
• Fricke, K.: Digitaltechnik. Wiesbaden: Vieweg+Teubner, 2009, 6. Auflage
• Woitowitz, R.; Urbanski, K.; Gehrke, W.: Heidelberg: Springer Verlag, 2011
• Biere, A.; Kröning, D.; Weissenbacher, G.; Wintersteiger, Ch. M.: Digitaltechnik – Eine praxisnahe Einführung. Heidelberg: Springer Verlag, 2008
• Reichardt, J.: Lehrbuch Digitaltechnik. Eine Einführung mit VHDL. München: Oldenbourg Verlag, 2013
• Wöstenkühler, G.: Grundlagen der Digitaltechnik, Elementare Komponenten, Funktionen und Steuerungen. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2012
• Liebig, H.: Logischer Entwurf digitaler Systeme (4. Auflage). Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2006
• Best, R., Phase-Locked Loops: Design, Simulation and Applications, McGraw-Hill Education, 2009

Die Lehrveranstaltung gliedert sich folgendermaßen:
• Aufbau und Funktionsweise eines Operationsverstärker
• Merkmale und Eigenschaften des Operationsverstärkers
• Der Operationsverstärker als linearer Verstärker
• Diverse Grundschaltungen in Gegenkopplung
• Stabilitätsbetrachtungen im Bode-Diagramm
• Fehler-Rechnung
• Operationsverstärker in Mitkopplung

• Goßner, S., Grundlagen der Elektronik: Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Shaker -Verlag, 2008
• Zastrow, D., Elektronik, Springer-Verlag, 12. Auflage, 2014
• Tietze U., Schenk C., Gamm E., Halbleiter-Schaltungstechnik, 15.
• Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer Vieweg, 2016

• Grundlagen der Digitaltechnik
• Reales Verhalten digitaler Schaltungen in Hardware
• Kombinatorische Schaltungen
• Sequentielle Schaltungen

• Fricke, K.: Digitaltechnik. Wiesbaden: Vieweg+Teubner, 2009, 6. Auflage
• Woitowitz, R.; Urbanski, K.; Gehrke, W.: Heidelberg: Springer Verlag, 2011 
• Biere, A.; Kröning, D.; Weissenbacher, G.; Wintersteiger, Ch. M.: Digitaltechnik – Eine praxisnahe Einführung. Heidelberg: Springer Verlag, 2008
• Reichardt, J.: Lehrbuch Digitaltechnik. Eine Einführung mit VHDL. München: Oldenbourg Verlag, 2013
• Wöstenkühler, G.: Grundlagen der Digitaltechnik, Elementare Komponenten, Funktionen und Steuerungen. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2012
• Liebig, H.: Logischer Entwurf digitaler Systeme (4. Auflage). Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2006

Die Vorlesung gibt eine Einführung in die Regelungstechnik und vermittelt die grundlegenden Konzepte zur Analyse von Regelkreisen und dem Entwurf von Reglern für zeitkontinuierliche, lineare Systeme mit einem Eingang und einem Ausgang (LTI-SISO-Systeme). Behandelt werden u.a. folgende Inhalte:

Einführung in die Regelungstechnik

• Anwendungen   
• Definition: System, Steuerung, Regelung, Blockschaltbild, statisches System, dynamisches System, Stabilität
• Steuerung und Regelung statischer Systeme
• Festwertregelung, Folgeregelung, Vorsteuerung

Modellierung dynamischer Systeme

• Beschreibung mechanischer, elektrischer und fluidischer Systeme mittels Differentialgleichungen
• Definition von linearen, zeitinvarianten Systemen (LTI-Systeme)
• Linearisierung nichtlinearer Differentialgleichungen
• Simulation eines Systems mit MATLAB Simulink

Beschreibung und Verhalten von LTI-Systemen im Zeitbereich

• Lösen der Eingangs-/Ausgangs-Differentialgleichung
• Sprungantwort und Impulsantwort, Faltung
• Erzwungene Antwort und Eigenbewegung
• Transientes und stationäres Verhalten

Beschreibung und Verhalten von LTI-Systemen im Frequenzbereich

• Anwendung der Laplace-Transformation,
• Übertragungsfunktion, Pole und Nullstellen, Stabilität
• Blockschaltbildumformung
• Frequenzgang, Bode-Diagramm, Ortskurve

 Elementare Übertragungsglieder

• P-Glied, I-Glied, PT1-Glied, D-Glied, DT1-Glied, PT2-Glied, Totzeit-Glied
• PD-Glied, Bandsperre
• Zusammengesetzte Systeme

Der Regelkreis

• Der Standardregelkreis
• Ziele eine Regelung, Reglerentwurfsaufgabe und Anforderungen
• Stabilität von Regelkreisen
• Stationäres Verhalten von Regelkreisen
• Standard-Regler vom Typ PID
• Reglerauslegung im Zeitbereich (Methoden von Ziegler-Nichols, Methode v. Chien, Hrones und Reswick)
• Reglerauslegung im Frequenzbereich (vereinfachtes Betragsoptimum, Zeitkonstantenkompensation, Frequenzkennlinienverfahren, Auslegeung auf Dämpfung des geschlossenen Kreises)

• O. Föllinger, Regelungstechnik, 12. Auflage, Berlin, VDE Verlag, 2016
• J. Lunze, Regelungstechnik I, 11. Auflage, Springer Vieweg, 2016
• G. F. Franklin, J. D. Powell, A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Pearson, 8. Auflage, 2019

Signale und ihre Eigenschaften:
• Analoge und digitale Signale
• Elementare Signale
• Signalleistung, Signalenergie und Effektivwert

Systeme und ihre Eigenschaften:
• Gedächtnisfreie Systeme
• LTI-Systeme
• Impulsantwort und Faltung
• Sprungantwort und Eigenfunktionen

Fourierreihe und Fouriertransformation:
• Definition und Eigenschaften
• Systembeschreibung mit Fourierreihe und Fouriertransformation
• Fouriertransformierte periodischer und spezieller Funktionen

Laplacetransformation:
• Eigenschaften und Rechenregeln
• Rechnen im Bildbereich, Hin- und Rücktransformation
• Rechnen mit Delta- und Sprungfunktionen

z-Transformation
• Lineare Abtastsysteme
• Rechenregeln der z-Transformation
• Lösung von Differenzengleichungen

• O. Föllinger, Laplace- und Fourier-Transformation, 10. Auflage, VDE-Verlag, 2011.
• I. Rennert, B. Bundschuh, Signale und Systeme: Einführung in die Systemtheorie. Hanser, 2013.
• D. Ch. Von Grünigen, Digitale Signalverarbeitung mit einer Einführung in die kontinuierlichen Signale und Systeme. Hanser, 2014.
• O. Beucher, Signale und Systeme: Theorie, Simulation, Anwendung. Springer, 2011.
• F. Puente León, U. Kiencke, H. Jäkel, Signale und Systeme. Oldenburg Verlag, 2011

Festigkeitsbetrachtungen erlauben es, Gefahrenpotentiale für das Versagen mechanischer Strukturen abzuschätzen, und bilden somit die Grundlage für die Dimensionierung von mechanischen Bauteilen und Strukturen wie Roboterstrukturen, Trägern, Wellen etc. Weiterhin ist für die Auslegung von Toleranzen von Interesse, wie sich mechanische Strukturen unter Einwirkung zulässiger Kräfte verformen und welche Spannungen bei Zwangsverformungen entstehen.

A) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie werden der ein- und mehrachsige Normalspannungszustand sowie die Hookeschen Gesetze für Normal- und Schubspannungsbeanspruchung behandelt.

B) Für biegebeanspruchte Bauteile wird unter Berücksichtigung der Querschnittsform und Belastungseinleitung die Methode zur Berechnung der Biegespannungen erläutert (Biegespannungsfunktion, Flächenträgheitsmomente, Hauptachsen und Hauptträgheitsmomente, gerade und schiefe Biegung). Die Ermittlung der elastischen Verformung mittels Integrationsmethode, Satz von Castigliano und Superpositionsmethode stellt einen weiteren wesentlichen Bestandteil der Behandlung biegebeanspruchter Bauteile dar.

C) Die Ausführung zur Schubbeanspruchung beinhaltet unter anderem den Schubspannungsverlauf bei Querkraftschub sowie die Definition des Schubmittelpunktes.

D) Bei der Behandlung der Torsionsbeanspruchung wird auf die Berechnung der Torsionsschubspannung und die Verformung von Voll- und Hohlquerschnitten eingegangen.

E) Erläutert werden die wichtigsten Vergleichsspannungshypothesen zur Überlagerung von Normal- und Schubspannungen, die Begriffe der Zeit- und Dauerfestigkeit sowie der Kerbwirkung. Behandelt wird die Berechnung statisch überbestimmter Systeme nach verschiedenen Methoden.

F) Stabilitätsprobleme und deren analytische Behandlung werden am Beispiel der Knickung druckbeanspruchter Stäbe (elastische und plastische Knickung) dargelegt.

• Technische Mechanik. Band 2: Elastostatik, Hydrostatik Gross D., Hauger W., Schell W. Springer 2011
• Technische Mechanik, Band 2: Festigkeitslehre, Hibbeler RC, Pearson Studium 2006
• Formeln und Aufgaben zur Technischen Mechanik 2: Elastostatik, Hydrostatik, Gross D., Ehlers W., Schröder J., Springer 2011
• Technische Mechanik, Band 2: Festigkeitslehre, Assmann B., Oldenbourg 2000
• Taschenbuch für den Maschinenbau, Dubbel H.; Beitz W., Küttner K.-H. (Hrsg.), Springer 2011

Die Vorlesung beinhaltet Kinematik und Kinetik. In der Kinematik (Bewegungslehre) wird die Abhängigkeit zwischen den Größen Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Zeit bei der Bewegung von Massenpunkten und starren Körpern ohne Berücksichtigung der die Bewegung verursachenden Kräfte bzw. Momente untersucht.

Für ein- und mehrdimensionale Bewegungsvorgänge mit unterschiedlichem Beschleunigungs- bzw. Geschwindigkeitsverhalten werden die entsprechenden Gesetzmäßigkeiten hergeleitet.
Die allgemeine Bewegung starrer Körper wird anschaulich zurückgeführt auf translatorische und rotatorische Phasen; erörtert werden Begriffe wie momentaner Drehpol und Beschleunigungspol. Die Kinematik schließt ab mit der grafischen und analytischen Behandlung von Relativbewegungen.
In der Kinetik werden das d`Alembertsche Prinzip, der Arbeitssatz, der Energieerhaltungssatz sowie der Impuls- und Drehimpulssatz für Massenpunkte und starre Körper behandelt und zur Lösung unterschiedlicher Aufgabenstellungen (z.B. bei Wurf, Rotationsbewegung und Stoßvorgänge) herangezogen. Die Ausführungen zur Kinetik starrer Körper beinhalten weiterhin die Berechnung der Massenträgheitsmomente und die Gesetze der Kreiselbewegung bei geführter Achse.
Im dritten Komplex werden freie und erzwungene Schwingungen mit einem Freiheitsgrad (ungedämpft und gedämpft) sowie ungedämpfte Mehrmassensysteme (z.B. Ermittlung kritischer Drehzahlen) untersucht. Besonderes Gewicht wird auf die Ermittlung von Eigenschwingungsformen und -frequenzen gelegt.

Ausgewählte Anwendungsbeispiele und wöchentliche Übungen sind wichtiger Bestandteil der Lehrveranstaltung.

Hibbeler, R.C., Technische Mechanik, Band 3: Dynamik, Pearson Studium 2006
Gross, D., Hauger, W., Schell, W., Schröder, J., Technische Mechanik, Band 3: Kinetik, Springer, 2008
Assmann, B., Technische Mechanik, Band 3: Kinematik und Kinetik, Oldenbourg, 2010
Dubbel, H., Beitz, W., Küttner, K.-H., Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer, 2007