Inhaltsverzeichnis Integrierte mechanisch-elektronische Systeme

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Integrierte mechanisch-elektronische Systeme VommechanischenzummechatronischenSystem Mechanische Systeme und mechatronische Entwicklungen MechatronischeSystemedesMaschinenwesens MechatronischeSystemeinderFeingerätetechnik Mechanische Systeme des Apparatebaus (Anlagentechnik) MikromechatronischeSysteme Eingrenzung und Definition mechatronischer Systeme FunktionenmechatronischerSysteme Mechanischer Grundaufbau FunktionsaufteilungMechanik-Elektronik Betriebseigenschaften NeueFunktionen Sonstige Entwicklungen IntegrationsformenvonProzessundElektronik ArtenderInformationsverarbeitung Mehr-Ebenen-System Signalvorverarbeitung Informationsgewinnung Modellgestützte Methoden der Regelung Überwachung und Fehlerdiagnose Intelligente Systeme Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme RechnergestützterEntwurfmechatronischerSysteme ZumInhaltdiesesBuches... 41

2 X Inhaltsverzeichnis Teil I Grundlagen der Modellbildung 2 Grundlagen der theoretischen Modellbildung technischer Prozesse Theoretische und experimentelle Modellbildung KlassifikationvonProzesselementen Materieformen HauptstromundNebenströme ProzesselementefürkonzentrierteParameter Prozesselemente für verteilte Parameter Grundgleichungen für Prozesselemente mitenergie-undmaterieströmen Bilanzgleichungen Konstitutive Gleichungen Phänomenologische Gleichungen Energiebilanzgleichungen für Prozesse mitkonzentriertenparametern EnergiebilanzbeimechanischenSystemen Energiebilanz bei thermischen Systemen (festekörper,flüssigkeiten) EnergiebilanzfürGaseundDämpfe EnergiebilanzbeielektrischenSystemen Gemeinsame Eigenschaften der Bilanzgleichungen VerschaltungvonProzesselementen Knotengleichung und Umlaufgleichung Zur Kausalität von Prozesselementen AnalogienzwischenmechanischenundelektrischenSystemen Zusammenfassung Aufgaben Grundgleichungen für die Dynamik mechanischer Systeme mit bewegten Massen Newtonsche Grundgesetze der Kinetik Translation Rotation Prinzipien der Mechanik DasPrinzipvond Alembert Lagrangesche Gleichungen 2. Art Aufgaben

3 Inhaltsverzeichnis XI Teil II Modelle mechanischer und elektrischer Komponenten und Maschinen 4 Modelle mechanischer Komponenten Stäbe Federn Dämpfer DämpfermittrockenerundviskoserReibung Feder-Dämpfer-Systeme Lager Gleitlager Wälzlager Einmassenschwinger(Feder-Masse-Dämpfer-Systeme) Längsschwinger Drehschwinger Mehrmassenschwinger Zweimassen-DrehschwingermiteinerFeder Zweimassen-DrehschwingermitzweiFedern Zweimassen-Drehschwinger mit Getriebe und einer Feder Getriebebauarten Riemengetriebe TilgerundDämpfer Mechanische Systeme mit Reibung Mechanische Systeme mit Lose (Spiel) Aufgaben Modelle elektrischer Antriebe BauartenelektrischerAntriebe Elektromagnete BauformenvonElektromagneten MagnetischesFeld StatischesVerhaltenvoneinfachenMagnetkreisen DynamischesVerhaltenvoneinfachenMagnetkreisen StatischesVerhaltenvonElektromagneten Dynamisches Verhalten von Elektromagneten undpositions-regelung Gleichstrommotoren Induzierte Spannung Drehmomenterzeugung DynamischesVerhalten StatischesVerhalten Drehzahl-undPositions-Regelung Bürstenlose Gleichstrommotoren (elektronische Kommutierung) Besondere Bauarten von Gleichstrommotoren

4 XII Inhaltsverzeichnis 5.4 Drehstrommotoren(AC) DrehfelderundKoordinatensysteme Asynchronmotoren Synchronmotoren Wechselstrommotoren Kommutatormotoren(Universalmotoren) Kurzschlussrotormotoren FremdgeführteundselbstgeführteElektromotoren Leistungselektronik Bauelemente der Leistungselektronik Schaltungen der Leistungselektronik Aufgaben Modelle von Maschinen Kopplung von Maschinenelementen zu Maschinen Kennlinien und Stabilität von Maschinen StatischesVerhaltenvonKraft-undArbeitsmaschinen DynamischesVerhalteneinesMotorenprüfstandes Dynamisches Verhalten eines Werkzeugmaschinen-Vorschubantriebs Der Vorschub und seine Komponenten Experimentelle Identifikation des Vorschubantrieb-Regelsystems Dynamisches Modell einesdrehstrommotor-kreiselpumpen-aggregates TheoretischesModellderKreiselpumpe Gesamtmodell der Pumpanlage und ihre Identifikation DynamischesModelleinesKraftfahrzeug-Antriebsstranges Komponenten des Antriebsstranges AntriebsstrangmodellmitWellenelastizität Abhängigkeit des Verhaltens vom Betriebspunkt Speicher ohne und mit Rückführung EinstellungvonReglerparametern ZurRegelungmechatronischerSysteme Regelungen der unteren Ebene Regelungen der höheren Ebenen AdaptiveRegelung FuzzyRegelung Aufgaben

5 Inhaltsverzeichnis XIII Teil III Methoden der experimentellen Modellbildung 7 Identifikation dynamischer Systeme (experimentelle Modellbildung) Identifikationsmethoden AllgemeinesVorgehen KlassifikationvonIdentifikationsmodellen Identifikationsmethoden Testsignale GeschlossenerRegelkreis Art der Anwendung ParameterschätzungfürzeitdiskreteSignale Methode der kleinsten Quadrate (LS) Rekursive Methode der kleinsten Quadrate Modifikation der Methode der kleinsten Quadrate ParameterschätzungfürzeitkontinuierlicheSignale Methode der kleinsten Quadrate ZeitvarianteSysteme Nichtlineare Prozesse Parameterschätzung mit klassischen nichtlinearen Modellen Künstliche neuronale Netze Fuzzy-logischeModelle Kennfeld-Darstellungen für nichtlineares statisches Verhalten Parameterschätzung für nicht stetig differenzierbare nichtlineare Prozesse (Reibung und Lose) Aufgaben Modelle von periodischen Signalen und ihre Identifikation Harmonische Schwingungen Einzelne Schwingungen Superposition Amplitudenmodulation Frequenz- und Phasenmodulation Schwebung Superposition und nichtlineare Kennlinien Identifikation periodischer Signale (Schwingungsanalyse) Bandpassfilter Fourieranalyse Korrelationsfunktionen Fouriertransformation(zeitbegrenzteSignale) SchnelleFouriertransformation(FFT) ParametrischeSpektralschätzung Cepstrumanalyse AnalysenichtstationärerperiodischerSignale

6 XIV Inhaltsverzeichnis 8.3 Schwingungsanalyse für Maschinen Schwingungen rotierender Maschinen Zur Anwendung der Schwingungsanalysemethoden Aufgaben Teil IV Komponenten der Online-Informationsverarbeitung 9 Sensoren Messkette KlassifikationvonSensoren EigenschaftenvonSensoren Signalformen,Messumformer,Messverstärker Wegmessung Geschwindigkeitsmessung Beschleunigungsmessung Schwingungsmessung Kraft-undDruckmessung Drehmomentmessung Temperaturmessung Durchflussmessung Analog-Digital-Wandlung ElektromagnetischeVerträglichkeit(EMV) Integrierte und intelligente Sensorik Aufgaben Aktoren Grundstrukturen von Aktoren ÜbersichtderAktoren ArtderHilfsenergie Art des Übertragungsverhaltens Anforderungen an Aktoren und Servoantriebe ElektromechanischeStellantriebe ElektromotorenalsStellantriebe Elektromagnete HydraulischeAktoren HydraulischeStellantriebe Hydraulische Komponenten und ihre Modelle Modell einer servo-hydraulischen Achse PneumatischeAktoren PneumatischeStellsysteme Pneumatische Komponenten und ihre Modelle Modellbasierte Regelung einer pneumatischen Servoachse Modelle eines pneumatischen Stellventils

7 Inhaltsverzeichnis XV 10.6 UnkonventionelleAktoren Aktoren mit Umgebungsenergie Aktoren mit elektro-rheologischen undmagneto-rheologischenflüssigkeiten PiezoelektrischeAktoren ElektrostriktiveundmagnetostriktiveAktoren Mikroaktoren Vergleich der Anwendungsbereiche Aktoren als Systemkomponenten Schnittstellen BaulicheIntegrationmitdemProzess AusgeführteFunktionen Aufgaben Mikrorechner AufbaueinesMikrorechners Standardprozessoren ArchitekturvonStandardprozessoren SoftwarefürStandardprozessoren Speicher Schnittstellen zum Prozess (Prozessperipherie) AnalogeEingaben DigitaleundbinäreEingaben AnalogeAusgaben DigitaleundbinäreAusgaben Mikrocontroller ArchitekturvonMikrocontrollern SoftwarefürMikrocontroller Signalprozessoren Anwendungsspezifische Prozessoren (ASIC) Feldbussysteme Netztopologien Busgrundfunktionen OSI(OpenSystemInterconnection) Referenzmodell DerProfibus DerCAN-Bus FlexRay-Bus Aufgaben Fehlertolerante mechatronische Systeme Zum Ausfallverhalten der Komponenten Fehlerarten Zuverlässigkeits-undSicherheits-Analyse Fehlertoleranz-Strukturen Grundsätzliche redundante Strukturen

8 XVI Inhaltsverzeichnis Degradationsstufen Fehlermanagement Methoden der Fehlererkennung FehlertoleranteSensoren Hardware-Sensor-Redundanz Analytische-Sensor-Redundanz FehlertoleranteAktoren BeispielefehlertoleranterSysteme ElektrischerDrosselklappen-Aktor Redundanter Asynchronmotor-Antrieb Brake-by-wireSystem Schlussbemerkungen Aufgaben Ausblick Literaturverzeichnis Sachverzeichnis