Simulation mechatronischer Systeme

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Nach dem erfolgreichen Abschluss des Moduls ist der Studierende in der Lage, multidisziplinäre Modellierungen und
Simulationen großer Systeme mit mechanischen, elektrischen, thermischen und regelungstechnischen Komponenten zu verstehen und durchzuführen (insbesondere im Hinblick auf die Hardware-in-the-Loop Simulation, "embedded control", und die Simulation von Elektrofahrzeugen).

Das Modul besteht aus Vorlesungen und aus Rechnerübungen. Die Rechnerübungen sind zum Teil in die Vorlesung integriert und können zum Teil in einem Rechnerraum oder daheim durchgeführt werden. Die Rechnerübungen vertiefen die Inhalte der Vorlesungen und setzen diesen anhand von eigenen Implementierungen praktisch um. Für die Rechnerübungen kann Dymola/Modelica, OpenModelica oder Modia/Julia verwendet werden.

Es werden folgende Inhalte vermittelt:
‒ Modellierung und Simulation kontinuierlicher Systeme
(Signal und Energiefluss, Objektdiagramme, Simulation von elektrischen Schaltungen, elektrischen Maschinen, Antriebssträngen, 2D-mechanischen Systemen, Wärmeleitung, Ein/Ausgangsblöcke; mit Modelica und Modia)
‒ Mathematische Beschreibung kontinuierlicher Systeme
(differential- algebraische Gleichungen (DAEs), singuläre DAEs, inverse Systeme, Regularisierungsmethoden, sparse Methoden, BLT, Tearing, dummy derivative Methode).
‒ Unstetige und strukturvariable Systeme
(Zeit- und Zustandsereignisse, Abtastsysteme, ideale Schalter, Diode, Thyristor, Gleichrichter, Reibung)
‒ Integrationsverfahren
(fest und variable Schrittweite, Verfahrensordnung, Stabilitätsgebiet, Echtzeit-Anwendungen)
‒ Simulation von Elektrofahrzeugen
(virtuelle Entwicklung von Fahrzeugen, Bewertung von Fahrzeugkonzepten/Antriebsstrangtopologien, wichtige Komponenten und Fahrmanöver zur reproduzierbaren gesamtsystemischen Bewertung).

Kenntnisse in:
- Differentialrechnung,
- lineare Algebra

Folgende Module sollten vor der Teilnahme bereits erfolgreich absolviert sein:
- Analysis 1 bis 3
- Signaltheorie
- Elektrizität und Magnetismus
- Systemtheorie

Als Lehrmethode wird in den Vorlesungen Frontalunterricht gehalten mit zum Teil integrierten Rechnerübungen.

Daneben steht die individuelle Lehrmethode des Studierenden im Vordergrund. Übungsaufgaben mit Musterlösungen sollen zum eigenverantwortlichen Üben und Ausprobieren anregen.
In Rechnerräumen können die Studierenden auf die entsprechenden Simulationswerkzeuge zugreifen und bei entsprechender Hilfestellung die Übungsaufgaben möglichst selbstständig bearbeiten.
Media
Folgende Medienformen finden Verwendung:
- Präsentation(en)
- Buch/Skript
- Präsentationsfolien als Download im Internet
- Übungsaufgaben (mit Musterlösungen) im Internet

Klausur mit 60 min Dauer.
Die Prüfung besteht aus ca. 12 Aufgaben, in denen jeweils Fragen zur Modellierung und Simulation von mechatronischen Systemen sowie zur Lösungsmethodik solcher Systeme zu beantworten sind.
Hilfsmittel sind nicht zugelassen, mit Ausnahme von Wörterbüchern für ausländische Studenten.

Folgende Literatur wird empfohlen:
- D. Schröder, "Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen", 4. Auflage 2015, Springer-Verlag, Berlin
- Skript zur Vorlesung