Bachelorprüfung MM I 2. März Vorname: Name: Matrikelnummer:

Transkript

1 Kurzfragen Bachelorprüfung MM I Kurzfragen Vorname: Matrikelnummer: Punkte Kurzfragen Aufgabe Erreichbare Punkte Erreichte Punkte Summe 40

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3 Kurzfragen Seite 3/ Energiespeicher (1P) Der elektrisch betriebene Fleischwolf soll in einer stationären und einer mobilen Variante auf den Markt kommen. Welche der folgenden Energiespeicher können bei den gegebenen Betriebssituationen für die mobile Version verwendet werden? Berücksichtigen Sie hierbei die abgegebene Energieart, Sicherheitsaspekte sowie das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen. Kreisen Sie jeweils die typischerweise verwendete Variante ein. Falsche Markierung führt zu Punktabzug. Überbrückung von Lastspitzen (kurzzeitig hoher Leistungsbedarf): Wärmespeicher Akkumulator Kapazitiver Speicher Memoryeffekt Kontinuierlicher Betrieb: Kapazitiver Speicher Kernbrennstoff Akkumulator Druckgasspeicher 1.4 Energieleiter (3,5P) Schätzen Sie die biegekritische Drehzahl der Welle ab. Kann die Welle im kritischen Bereich betrieben werden, wenn der Elektromotor netzbedingt maximal eine Drehzahl von aufbringen kann? Gehen Sie dabei von dem folgenden Modell aus, setzen Sie und begründen Sie Ihre Antwort durch eine Rechnung. Gegeben: (Biegestefigkeit der gesamten Welle)

4 x(t) E F Stör (t) Kurzfragen Seite 4/11 2 Piezoelektrische Aktoren / Modellbildung 8 Punkte 2.1 Grundlagen Piezoaktor (3P) 5l/6 Das skizzierte System stellt einen Demonstrator dar, an dem die aktive Dämpfung einer Struktur untersucht werden kann. Der Balken verfügt über das Trägheitsmoment Theta und kann als starr angenommen werden. Die Beruhigung soll mit Hilfe eines Piezostapelaktors erfolgen, der über eine Feder mit der Hälfte seiner Maximalkraft vorgespannt wird. u(t) Ab welcher Störkraft kann es zu einer Schädigung des Piezos kommen? k vor l /6 Zur Modellierung des Systems kann ein vorhandenes Subsystem verwendet werden. Dieses bildet die vom Piezoaktor gestellte Kraft in Abhängigkeit der angelegten Spannung und des Weges des Aktors ab. Sie testen den Block, indem Sie an den Eingang U_Piezo eine steigende Spannung anlegen. Welchen Verlauf erwarten Sie für das Verhältnis zwischen dem Weg des Piezos delta_x und der gestellten Kraft F_Piezo? Skizzieren Sie in das nebenstehende Diagramm einmal den Fall, dass der Piezo gegen eine Feder arbeitet und einmal gegen eine feste Einspannung. Beschriften Sie die Kennlinien. delta _x F_Piezo 2.2 Modellbildung (5P) Zur aktiven Dämpfung der Struktur wird die Geschwindigkeit am freien Ende des Balkens zurückgeführt und die einfachste mögliche Reglerstruktur verwendet. Vervollständigen Sie das Blockschaltbild für das oben abgebildete System.

5 Kurzfragen Seite 5/11 3 Sensoren 8 Punkte 3.1 Beurteilen Sie die folgenden Aussagen mit richtig oder falsch. (2,5P) In der unten dargestellten Tabelle sind einige Aussagen über Sensoren angegeben. Kennzeichnen Sie durch Ankreuzen, ob die formulierten Aussagen richtig oder falsch sind. Falsche Antworten führen zu Punktabzügen. Eine negative Gesamtpunktzahl innerhalb der Teilaufgabe ist nicht möglich. Ein Sensor wandelt ein elektrisches Eingangssignal in ein nichtelektrisches Ausgangssignal. Die Auflösung eines Sensors ist der minimale Abstand zweier Eingangswerte, bei welchem noch getrennte Ausgangswerte zu unterscheiden sind. Der Aliasing Effekt beschreibt die Möglichkeit, dass bei digitalisierten Signalen eine hohe Frequenz nicht mehr von einer niedrigen Frequenz unterschieden werden kann. Das frequenzabhängige Übertragungsverhalten eines Sensors kann ein mechatronisches System instabil werden lassen. Tiefpassfilter können niedrige Frequenzanteile aus Sensorsignalen herausfiltern. Richtig Falsch 3.2 Nennen Sie vier wesentliche Fehlerarten bei der Messgenauigkeit. (2P) 3.3 Ein Sensor besitzt einen Messbereich von 0 1 mm und einen Sensorsignalausgang von 0 5 V. Die angeschlossene Messkarte erfasst die Sensorsignale mit 0 10 V an ihrer Eingangsseite und der interne A / D Wandler besitzt 5 Bit. Berechnen Sie die digitale Amplitudenauflösung des Sensors nach dem A / D Wandler. (1P)

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8 Kurzfragen Seite 8/ Regelungssystem (3P) Das Regelungssystem ist mit dem entsprechenden Blockschaltbild in einem Arbeitspunkt dargestellt. Als Aktor dient der Elektromagnet mit der Stellgröße. Dieser kann in Betrachtung eines Betriebspunktes mit einem gewissen Abstand und zugehörigem stationärem Strom mit folgender linearer Gleichung vereinfacht werden: Bezeichnen Sie im BSB die Größen und. Falsche Antworten oder mehrfache Beschriftungen führen zu Punktabzügen! Eine negative Punktzahl innerhalb der Teilaufgabe Regelungssystem ist nicht möglich.

9 Kurzfragen Seite 9/ Regler (3P) In dieser Teilaufgabe werden die Komponenten bzw. die Parameter des PID-Reglers analysiert. In beiden folgenden Bildern sind die Antworten des Regelungssystems für eine sprunghafte Erhöhung der Störkraft, die an der Masse bei 5 s angreift, dargestellt Komponenten des PID-Reglers Im linken Diagramm ist die Soll- bzw. die Ist-Position dargestellt. Im rechten Diagramm sind die Anteile des PID-Reglers sowie die Stellgröße dargestellt und mit Ziffern 1, 2, 3 und 4 bezeichnet. Weisen Sie die Größen P, I, D und den entsprechenden Ziffern 1, 2, 3 und 4 zu: 1:, 2:, 3:, 4: Parameter des PID-Reglers Welcher Parameter ist im Gegensatz zur vorherigen Frage zu Null gesetzt (kreuzen Sie an)? kp:, ki:, kd: Falsche Antworten führen zu Punktabzügen! Eine negative Punktezahl innerhalb der Teilaufgabe Regler ist nicht möglich.

10 Kurzfragen Seite 10/11 5 Hydraulik und Pneumatik 8 Punkte 5.1 Analogie: Elektrik / Hydraulik (2,5P) Weisen Sie den elektrischen Begriffen die entsprechenden Begriffe der Hydraulik zu. Benutzen Sie keine Abkürzungen oder Formelzeichen. Elektrik Spannung Strom Kondensator Ohmscher Widerstand Spule Hydraulik 5.2 Hydrostatik / Hydrodynamik (2P) Kennzeichnen Sie im dargestellten Diagramm die entsprechenden Quadranten für die typischen Auslegungsbereiche der Hydrostatik und Hydrodynamik mit HS und HD. Strömungsgeschwindigkeit Druck 5.3 Hydraulik / Pneumatik (2P) Bewerten Sie in untenstehender Tabelle die Eigenschaften der Hydraulik gegenüber denen der Pneumatik mit jeweils einem - oder +. Hinweis: Falsche Einträge führen zu Punktabzug. Eine negative Punktzahl innerhalb der Teilaufgabe ist nicht möglich. geringe Kosten gute Regelbarkeit hohe Leistungsdichte hohe Kräfte/Momente Hydraulik Pneumatik

11 5.4 Ventile a) Kurzfragen Seite 11/11 (1P) Beschriften Sie das abgebildete 5/3 Wegeventil. Die Anschlüsse sollen so vorgenommen werden, dass der Hydraulikkolben in beide Richtungen bewegt werden kann. In welche Richtung muss der Ventilschieber bewegt werden, um den Hydraulikkolben nach rechts zu bewegen? 1: 2: 3: Bewegungsrichtung: b) (0,5P) Welcher Teil des dargestellten Schaltzeichens entspricht der oben dargestellten Bewegung? Kreuzen Sie entsprechend an.

12 Kurzfragen Bachelorprüfung MM I Kurzfragen Vorname: MUSTER LÖSUNG Matrikelnummer: Punkte Kurzfragen Aufgabe Erreichbare Punkte Erreichte Punkte Summe 40

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14 Kurzfragen Seite 3/ Energiespeicher (1P) Der elektrisch betriebene Fleischwolf soll in einer stationären und einer mobilen Variante auf den Markt kommen. Welche der folgenden Energiespeicher können bei den gegebenen Betriebssituationen für die mobile Version verwendet werden? Berücksichtigen Sie hierbei die abgegebene Energieart, Sicherheitsaspekte sowie das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen. Kreisen Sie jeweils die typischerweise verwendete Variante ein. Falsche Markierung führt zu Punktabzug. Überbrückung von Lastspitzen (kurzzeitig hoher Leistungsbedarf): Wärmespeicher Akkumulator Kapazitiver Speicher Memoryeffekt Kontinuierlicher Betrieb: Kapazitiver Speicher Kernbrennstoff Akkumulator Druckgasspeicher 1.4 Energieleiter (3,5P) Schätzen Sie die biegekritische Drehzahl der Welle ab. Kann die Welle im kritischen Bereich betrieben werden, wenn der Elektromotor netzbedingt maximal eine Drehzahl von aufbringen kann? Gehen Sie dabei von dem folgenden Modell aus, setzen Sie und begründen Sie Ihre Antwort durch eine Rechnung. Gegeben: (Biegestefigkeit der gesamten Welle) (0,5P) (je 1P f. Formel & Erg.) Unkritisch, da die kritische Drehzahl mit dem Motor nicht erreicht werden kann. (1P)

15 x(t) E F Stör (t) Kurzfragen Seite 4/11 2 Piezoelektrische Aktoren / Modellbildung 8 Punkte 2.1 Grundlagen Piezoaktor (3P) 5l/6 Das skizzierte System stellt einen Demonstrator dar, an dem die aktive Dämpfung einer Struktur untersucht werden kann. Der Balken verfügt über das Trägheitsmoment Theta und kann als starr angenommen werden. Die Beruhigung soll mit Hilfe eines Piezostapelaktors erfolgen, der über eine Feder mit der Hälfte seiner Maximalkraft vorgespannt wird. u(t) Ab welcher Störkraft kann es zu einer Schädigung des Piezos kommen? k vor - F max l /6 Zur Modellierung des Systems kann ein vorhandenes Subsystem verwendet werden. Dieses bildet die vom Piezoaktor gestellte Kraft in Abhängigkeit der angelegten Spannung und des Weges des Aktors ab. Sie testen den Block, indem Sie an den Eingang U_Piezo eine steigende Spannung anlegen. Welchen Verlauf erwarten Sie für das Verhältnis zwischen dem Weg des Piezos delta_x und der gestellten Kraft F_Piezo? Skizzieren Sie in das nebenstehende Diagramm einmal den Fall, dass der Piezo gegen eine Feder arbeitet und einmal gegen eine feste Einspannung. Beschriften Sie die Kennlinien. delta _x Feder (1P) gegen fest (1P) F_Piezo 2.2 Modellbildung (5P) Zur aktiven Dämpfung der Struktur wird die Geschwindigkeit am freien Ende des Balkens zurückgeführt und die einfachste mögliche Reglerstruktur verwendet. Vervollständigen Sie das Blockschaltbild für das oben abgebildeten Systems.

16 Kurzfragen Seite 5/11 3 Sensoren 8 Punkte 3.1 Beurteilen Sie die folgenden Aussagen mit richtig oder falsch. (2,5P) In der unten dargestellten Tabelle sind einige Aussagen über Sensoren angegeben. Kennzeichnen Sie eindeutig durch Ankreuzen, ob die formulierten Aussagen richtig oder falsch sind. Falsche Antworten führen zu Punktabzügen. Eine negative Gesamtpunktzahl innerhalb der Teilaufgabe ist nicht möglich. (je richtiger Antwort 0,5 P) Richtig falsch Ein Sensor wandelt ein elektrisches Eingangssignal in ein nichtelektrisches Ausgangssignal. X Die Auflösung eines Sensors ist der minimale Abstand zweier Eingangswerte, bei welchem noch getrennte Ausgangswerte zu unterscheiden sind. Der Aliasing Effekt beschreibt die Möglichkeit, dass bei digitalisierten Signalen eine hohe Frequenz nicht mehr von einer niedrigen Frequenz unterschieden werden kann. Das frequenzabhängige Übertragungsverhalten eines Sensors kann ein mechatronisches System instabil werden lassen. X X X Tiefpassfilter können niedrige Frequenzanteile aus Sensorsignalen herausfiltern. X 3.2 Nennen Sie vier wesentliche Fehlerarten bei der Messgenauigkeit. (2P) Nullpunktsf., Steigungsf., Linearitätsf., Hysteresefehler (je richtiger Antwort 0,5 P) 3.3 Ein Sensor besitzt einen Messbereich von 0 1 mm und einen Sensorssignalausgang von 0 5 V. Die angeschlossene Messkarte erfasst die Sensorsignale mit 0 10 V an ihrer Eingangsseite und der interne A / D Wandler besitzt 5 Bit. Berechnen Sie die Amplitudenauflösung des Sensors nach dem A / D Wandler. (1P)

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19 Kurzfragen Seite 8/ Regelungssystem (3P) Das Regelungssystem ist mit dem entsprechenden Blockschaltbild in einem Arbeitspunkt dargestellt. Als Aktor dient der Elektromagnet mit der Stellgröße. Dieser kann in Betrachtung eines Betriebspunktes mit einem gewissen Abstand und zugehörigem stationärem Strom mit folgender linearer Gleichung vereinfacht werden: Bezeichnen Sie im BSB die Größen und. Falsche Antworten oder mehrfache Beschriftungen führen zu Punktabzügen! Eine negative Punktzahl innerhalb der Teilaufgabe Regelungssystem ist nicht möglich. je 0.5 Punkte

20 Kurzfragen Seite 9/ Regler (3P) In dieser Teilaufgabe werden die Komponenten bzw. die Parameter des PID-Reglers analysiert. In beiden folgenden Bildern sind die Antworten des Regelungssystems für eine sprunghafte Erhöhung der Störkraft, die an der Masse bei 5 s angreift, dargestellt Komponenten des PID-Reglers Im linken Diagramm ist die Soll- bzw. die Ist-Position dargestellt. Im rechten Diagramm sind die Anteile des PID-Reglers sowie die Stellgröße dargestellt und mit Ziffern 1, 2, 3 und 4 bezeichnet. Weisen Sie die Größen P, I, D und den entsprechenden Ziffern 1, 2, 3 und 4 zu: P D i I je 0.5 Punkte 1:, 2:, 3:, 4: Parameter des PID-Reglers Welcher Parameter ist im Gegensatz zur vorherigen Frage zu Null gesetzt (kreuzen Sie an)? X kp:, ki:, kd: ±1 Punkt Falsche Antworten führen zu Punktabzügen! Eine negative Punktezahl innerhalb der Teilaufgabe Regler ist nicht möglich.

21 Kurzfragen Seite 10/11 5 Hydraulik und Pneumatik 8 Punkte 5.1 Analogie: Elektrik / Hydraulik (2,5P) Weisen Sie den elektrischen Begriffen die entsprechenden Begriffe der Hydraulik zu. Elektrik Hydraulik Spannung Strom Kondensator Ohmscher Widerstand Spule Druckdifferenz Volumenstrom Behälter, Tank Drossel, Blende Fluidmasse 5.2 Hydrostatik / Hydrodynamik (2P) Kennzeichnen Sie im dargestellten Diagramm die entsprechenden Quadranten für die typischen Auslegungsbereiche der Hydrostatik und Hydrodynamik mit HS und HD. Strömungsgeschwindigkeit HD HS Druck 5.3 Hydraulik / Pneumatik (2P) Bewerten Sie in untenstehender Tabelle die Eigenschaften der Hydraulik gegenüber der der Pneumatik mit jeweils einem - oder +. Hinweis: Falsche Einträge führen zu Punktabzug. Eine negative Punktzahl innerhalb der Teilaufgabe ist nicht möglich. Hydraulik Pneumatik geringe Kosten - + gute Regelbarkeit + - hohe Leistungsdichte + - hohe Kräfte/Momente + -

22 Kurzfragen Seite 11/ Ventile a) (1P) Beschriften Sie das abgebildete 5/3 Wegeventil. Die Anschlüsse sollen so vorgenommen werden, dass der Hydraulikkolben in beide Richtungen bewegt werden kann. In welche Richtung muss der Ventilschieber bewegt werden, um den Hydraulikkolben nach rechts zu bewegen? 1: _Reservoir, Tank 2: _Druckanschluss, Pumpe 3: _ Reservoir, Tank Bewegungsrichtung: links Alternative Lösung: 1: Druck, 2: Tank, Bewegungsrichtung rechts. 3: Druck. Dann ist die gefragte b) (0,5P) Welcher Teil des dargestellten Schaltzeichens entspricht der oben dargestellten Bewegung? Kreuzen Sie entsprechend an. Im Fall der alternative Lösung von a) muss hier die linke Schaltstellung angekreuzt werden!