Lehre

Im Modul Messtechnik und Sensorik werden zunächst die Grundlagen der Messtechnik vermittelt. Dabei werden zentrale Begriffe wie Messgröße, Anzeigewert und Empfindlichkeit eingeführt sowie das internationale Einheitensystem vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Methoden zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Messgröße und Anzeigewert behandelt, darunter die lineare Regressionsrechnung und die Methode der kleinsten Fehlerquadrate.

Darauf aufbauend werden grundlegende Konzepte der Wahrscheinlichkeitsrechnung eingeführt, etwa Mittelwert, Standardabweichung und Wahrscheinlichkeitsdichte, sowie statistische Verfahren zur Bestimmung entsprechender Kenngrößen.

Im Bereich der elektrischen Messtechnik werden zunächst verschiedene Verstärkerschaltungen erläutert und anschließend Analog-Digital-Umsetzer behandelt. Dabei werden unter anderem der Parallelumsetzer, der SAR-Wandler sowie der Dual-Slope-Wandler vorgestellt.

Nachdem zunächst statische Messungen im Fokus standen, folgt eine Einführung in die dynamische Messung. Hierbei wird die Fourier-Transformation als Werkzeug zur Bestimmung des Frequenzgangs betrachtet. Auf Basis dieses Frequenzgangs werden Filter entworfen und in die Messschaltung integriert.

Zum Abschluss erfolgt eine ausführliche Vorstellung von Sensoren für mechanische, elektrische und thermodynamische Größen.

Studiengang:

Automatisierungstechnik

Dozenten:

Alexander Köthe, Ramazan Gezer

Im Modul Regelungstechnik werden die Grundlagen der Systemdynamik und der Regelungstechnik vermittelt. Zunächst werden Systeme im Zeitbereich mittels des Zustandsraums modelliert. Dabei werden sowohl lineare als auch nichtlineare Systeme behandelt, die mithilfe der Linearisierung in einen linearen Zustandsraum überführt werden. Nachdem das grundlegende Verständnis für das zeitliche Verhalten von Systemen aufgebaut wurde, werden die Systemgleichungen mithilfe der Laplace-Transformation in den Bildbereich überführt. Dort erfolgt eine ausführliche Analyse der Systeme.

Zudem werden einfache Verfahren der Systemidentifikation eingeführt. Anschließend werden Regler für die Systeme im Bildbereich ausgelegt. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem Verfahren wie Ziegler–Nichols, Loop-Shaping, die Vorgabe der komplementären Sensitivitätsfunktion sowie die Polvorgabe. Darüber hinaus wird das Nyquist-Kriterium behandelt, wodurch Stabilitäts- und Robustheitsanalysen anhand von Amplituden- und Phasenreserve durchgeführt werden können. Abschließend wird das Verfahren der Wurzelortskurven eingeführt.

Studiengang:

Automatisierungstechnik

Dozenten:

Alexander Köthe, Janine Breithecker

Im Modul Mikroprozessortechnik werden die Grundlagen der Mikrocontroller-Programmierung und deren praktische Anwendung vermittelt. Zu Beginn erfolgt eine Einführung in den Aufbau digitaler Rechensysteme. Dabei werden Halbleitermaterialien vorgestellt und deren Einsatz in Bipolar- und Feldeffekttransistoren erläutert. Anschließend wird gezeigt, wie aus Transistoren Logikelemente aufgebaut werden und wie sich diese wiederum zu komplexeren Strukturen wie Halb- und Volladdierern verknüpfen lassen.

Darauf aufbauend werden die zentralen Komponenten eines Mikrocontrollers – Bussysteme, Speicher, Rechen- und Steuerwerk, Taktgebung und weitere Funktionseinheiten – sowohl technisch als auch funktional beschrieben.

Nachdem die Hardware-Grundlagen verstanden wurden, folgt eine Einführung in die Programmausführung. Dabei wird der Zusammenhang zwischen Maschinen­code, Assembler­code und Hochsprachen (im Kurs: C) erläutert sowie der Kompilierungsprozess – insbesondere die Nutzung von Cross-Compilern – behandelt.

Im weiteren Verlauf werden wichtige Programmiertechniken wie Polling, Interrupts und DMA vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Anschließend stehen die grundlegenden Peripheriefunktionen eines Mikrocontrollers im Mittelpunkt: digitale Ein- und Ausgänge, Timer, Pulsweitenmodulation und analoge Eingänge. Am Beispiel des ATmega328P (Arduino Uno) wird demonstriert, wie ein Mikrocontroller auf Registerebene programmiert wird. Danach wird der Hardware Abstraction Layer (HAL) der STM32-Mikrocontroller eingeführt und die Unterschiede zur reinen Registerprogrammierung herausgearbeitet.

Darauf folgt die Behandlung gängiger Kommunikationsschnittstellen wie UART, I²C, SPI und CAN, einschließlich ihrer typischen Anwendung in Sensorik und Aktuatorik.

Zum Abschluss wird gezeigt, wie sich aus Matlab und Simulink automatisch C-Code generieren lässt, um diesen auf Mikrocontrollern auszuführen.

Studiengänge:

Automatisierungstechnik, Physikalische Technologien/ Energiesysteme

Dozenten:

Alexander Köthe, Janik Hopf

Im Modul Spezielle Regelungssysteme geht es um die Auslegung von Regelungssystemen als sicherheitskritische Komponenten. Zunächst erfolgt die Diskussion von Auslegungsverfahren im Frequenzbereich. Dabei wird zunächst das gemischte Sensitivitätsproblem behandelt und anschließend der allgemeine Reglerentwurf mittels H∞​-Loop-Shaping betrachtet. Darüber hinaus werden unstrukturierte Unsicherheitsbeschreibungen eingeführt, um beispielsweise nicht modellierte Dynamiken abzubilden. Verschiedene Formen solcher Unsicherheitsbeschreibungen werden dabei detailliert besprochen. Zum Abschluss dieses Abschnitts wird die Modellreduktion diskutiert.

Im zweiten Teil des Semesters steht die modellbasierte Entwicklung von Regelungssystemen in Matlab/Simulink im Mittelpunkt. Als Beispielsystem dient ein DC/DC-Wandler. Es erfolgt eine Einführung in Zustandsmaschinen (Stateflow) sowie in das Testen mittels Software-in-the-Loop- und Hardware-in-the-Loop-Simulationen. Gegen Ende des Semesters werden die Regler auf Mikrocontrollern und speicherprogrammierbaren Steuerungen implementiert, wobei für die automatische Codegenerierung der Embedded Coder und der PLC Coder zum Einsatz kommen.

Studiengang:

Automatisierte Energiesysteme

Dozenten:

Alexander Köthe, Janine Breithecker

Im Wahlpflichtmodul Entwicklung eingebetteter Regelungssysteme geht es um den Entwuf, die Realisierung und die Umsetzung eingebetteter Systeme, die als benutzerdefinierte Lösung auf gedruckten Leiterplatinen (PCBs) umgesetzt werden. Die Studierenden erarbeiten zunächst die funktionalen und nichtfunktionalen Anfroderungen, die das eingebettete System erfüllen müssen. Hierbei geht es um die Schnittstellen zur Aktuatorik und Sensorik. Dabei werden Grundschaltungen der Elektrotechnik (u.a. Transistorschaltungen, MOSFET-Treiber, Verstärker, Filter) wiederholt und für Aktuatorik und Sensorik angewandt. Danach werden für einfache Systeme (wie einem DC-Motor) Regler ausgelegt und die Implementierung auf dem Mikrocontroller STM32 besprochen. 

Nach erfolgreicher Auslegung der Teilsysteme werden diese Systeme vom Steckbrett und Breakout-Board auf einem PCB umgesetzt. Hierzu wird zunächst eine Einführung in den Entwurf von Leiterplatinen gegeben und anschließend eine eigene Leiterplatine entwickelt. Diese wird im weiteren Verlauf des Semesters produziert und zum Abschluss des Semesters vollständig getestet.

Studiengang:

Automatisierte Energiesysteme

Dozent:

Alexander Köthe

Im Modul Modellierung und Regelung von Robotiksystemen werden die Grundlagen der Modellbildung von Mehrkörpersystemen sowie der Regelung von Robotern behandelt. Der Fokus liegt dabei nicht auf der Programmierung kommerzieller Robotersysteme, sondern auf dem grundlegenden Verständnis der physikalischen und mathematischen Zusammenhänge des Gesamtsystems.

Zu Beginn werden die Grundlagen der Kinematik aus der Technischen Mechanik wiederholt. Darauf aufbauend werden die kinematischen Beschreibungsformen für Mehrkörpersysteme – etwa Euler-Winkel, Kardan-Winkel und Quaternionen – eingeführt, um Robotersysteme vollständig in ihrer Bewegung darstellen zu können.

Anschließend werden Transformationsmatrizen für Rotation und Translation hergeleitet und auf Robotersysteme angewendet. Damit sind die Grundlagen geschaffen, um die direkte und inverse Kinematik zu analysieren. Für die inverse Kinematik werden verschiedene Lösungsansätze diskutiert.

Darauf folgt die Berechnung von Trajektorien, um Roboter von einer Ausgangspose in eine gewünschte Zielpose zu überführen.

Im nächsten Schritt wird die Aktuatorik betrachtet. Verschiedene Motortypen – wie Schrittmotoren, Gleichstrommotoren und Servomotoren – werden vorgestellt und ihre jeweiligen Regelungskonzepte erarbeitet. Für die Simulation wird die Simscape-Toolbox von Matlab eingesetzt, um modellbasiert ein kaskadiertes Regelungssystem für den Roboter zu entwickeln.

Anschließend wird die Sensorik behandelt, einschließlich des Einsatzes von Schätzverfahren wie dem Kalman-Filter. Zum Abschluss des Moduls werden weiterführende Methoden der Regelungstechnik vorgestellt, darunter die modellprädiktive Regelung und der Sliding-Mode-Regler.

Studiengänge:

Automatisierungstechnik und Maschinenbau

Dozent:

Alexander Köthe