Simulation mechatronischer Systeme

Siehe TUMonline

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Moduls ist der Studierende in der Lage, multi-disziplinäre Modellierungen und Simulationen großer Systeme mit mechanischen, elektrischen, thermischen und regelungstechnischen Komponenten zu verstehen und für Entwurfsaufgaben einzusetzen (zum Beispiel für den Entwurf einfacher und komplexer Regelungen, für die systemische Bewertung von Antriebsstrang-Topologien bei Elektrofahrzeugen und für Echtzeitsimulationen).

Das Online-Modul besteht aus einer Vorlesung (2 Semester-Wochenstunden) und einem Praktikum (1 Semester-Wochenstunde - Praktikum Simulation mechatronischer Systeme). Das Praktikum wird mit einer Simulationssoftware durchgeführt und vertieft die Inhalte der Vorlesung und setzt diese anhand von eigenen Implementierungen um. Als Simulationssoftware kann Dymola (empfohlen) oder OpenModelica 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; Modellierung mit Modelica)

Mathematische Beschreibung kontinuierlicher Systeme und Transformationsalgorithmen
(differential- algebraische Gleichungen (DAEs), singuläre DAEs, inverse Systeme, Sparse Methoden, BLT, Tearing, Dummy Derivative Methode).

Unstetige und strukturvariable Systeme
(Zeit- und Zustandsereignisse, Abtastsysteme, ideale Schalter, Diode, Thyristor, Gleichrichter, Reibung)

Integrationsverfahren
(feste 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).

Detailliertere Beschreibung des Inhalts und der Praktikumsaufgaben gibt es auf Moodle.

Grundkenntnisse von:
- gewöhnlichen Differentialgleichungen
- lineare Algebra (Gleichungssysteme, Eigenwerte, ...)
- einfache elektrische Systeme (Widerstand, Kapazität, ...)
- einfache ein-dimensionale mechanische Systeme (bewegte Masse, Feder, ...)

Hilfreich: Grundkenntnisse der Regelungstechnik

Vorlesung:
- Folien mit prüfungsrelevanten Übungsaufgaben (und Musterlösungen).
- Aufgezeichnete Videos (ca. 60-70 Minuten pro Woche).
- Termine 1 und 13 (19.10 und 1.2.): Zoom Start um 16:45
- Termine 2-12 (26.10-25.1.): Zoom Start um 17:45. Videos der Vorlesung (ca. 60-70 Minuten pro Woche) liegen auf Moodle. Vor der Vorlesung ansehen. Ab 17:45 werden Fragen zur Vorlesung beantwortet und Übungsaufgaben besprochen.

Praktikum
Zoom Session am Do. 18:30 - 19:15 ... 19:30 in kleinen Gruppen in Breakout-Rooms mit mehreren Betreuern (Dozent + Doktoranden, je nach Zahl der Teilnehmenden). Selbständige Erstellung von Modellen und Durchführung von Simulationen/Entwürfen.
Simulationssoftware für Praktikum: Es kann Dymola (kommerzielles Tool; Studentenlizenz wird von Dymola Distributor LTX und von Dassault Systèmes bezahlt; empfohlen) oder OpenModelica (Open Source Tool) verwendet werden. Details siehe Moodle.

Schriftliche Präsenzprüfung 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.

Online Unterlagen stehen auf Moodle zur Verfügung.

Folgende Literatur wird empfohlen:
- Modelica Fundamentals with Dymola (bei den Vorlesungsunterlagen auf Moodle dabei).

Weitere Literatur (wird aber für das Modul nicht benötigt):
- Modelica Language Specification (https://specification.modelica.org/maint/3.6/MLS.html).
- Modelica Quick Reference (https://webref.modelica.university/)
- Modelica by Example (https://mbe.modelica.university - open source book)
- Weitere Modelica Bücher https://modelica.org/publications/books