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2019 | Buch

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Grundprinzipien der Mechatronik

Modellbildung und Simulation mit Bondgraphen

verfasst von: Prof. Dr. Werner Roddeck

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch zeigt das universelle Beschreibungstool "Bondgraph" und die dazugehörige Methode. Damit können wichtige Komponenten mechatronischer Systeme sowie komplexere technische Systeme domänenübergreifend modelliert werden. Aufgaben mit vollständigen Lösungen ermöglichen ein erfolgreiches Selbststudium. Die aktuelle Auflage wurde überarbeitet, die Lösungen zu den Aufgaben sind jetzt über QR-Codes kostenlos abrufbar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Begriff Mechatronik (engl. Mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde Mitte der 1960-er Jahre in Japan von einem Entwickler aus dem Bereich der Robotertechnik geprägt. Es setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieurwissenschaften - Mechanik oder Maschinenwesen (engl. Mechanics) und Elektronik (engl. Electronics) - zusammen. Damit ist dieser Name bereits Programm und deutet an, dass die Mechatronik Inhalte der beiden oben genannten Disziplinen zusammenfügt.
Das Kapitel behandelt einige allgemeine Grundlagen und die Prinzipien der Modellbildung.
Werner Roddeck
Kapitel 2. Modellbildung mit Bondgraphen
Zusammenfassung
Im Kapitel 1 ist bereits die Vorgehensweise der Dekomposition eines komplexeren Systems in Subsysteme behandelt worden und im Bild 1-27 wurde das Beispiel des Antriebs- und Fahrwerksstrangs eines Pkw als Wort-Bondgraph in für die Modellbildung einfacher zu behandelnde Baugruppen untergliedert. Diese Subsysteme werden in der Bondgraphen Literatur [1.7], [1.8], [1.10], [1.15] auch als Multiports bezeichnet. Viele der Beispiele in den folgenden Kapiteln stammen aus den vorgenannten Büchern.
Das Kapitel behandelt den Prozess der Modellbildung mit Hilfe von Bondgraphen und erläutert die wichtigsten Modellelemente und deren mathematische Eigenschaften.
Werner Roddeck
Kapitel 3. Herleitung des mathematischen Modells
Zusammenfassung
In den Abschnitten 1.2.3 und 1.2.4 war bereits das Thema behandelt worden, wie man für ein gegebenes technisches System ein mathematisches Modell herleitet. Ein solches Modell besteht dann aus einem Satz von algebraischen Gleichungen und Differentialgleichungen (DGL) die man auch als Systemgleichungen bezeichnet. Das Kapitel behandelt, wie man aus dem Bondgraphen eines Systems das zugehörige mathematische Modell ableitet.
Werner Roddeck
Kapitel 4. Simulationssysteme
Zusammenfassung
In der Entwicklungs- oder Planungsphase von komplexen Bewegungssystemen mit unübersichtlichen Bewegungsvorgängen ist es heute in der Regel üblich, solche Systeme nicht an körperlich vorhandenen Prototypeneinrichtungen zu erproben und zu optimieren, sondern sie auf einem Digitalrechner zu simulieren. Die dazu erforderliche Software wird als Simulationssystem bezeichnet. Solche Simulationssysteme gibt es zur Simulation der Kinematik (Beispiel Robotersimulationssystem), zur Simulation dynamischer Vorgänge (Beispiel regelungstechnisches Simulationssystem) oder auch zur Simulation statischer Belastungen (Beispiel Finite-Element-System). Weitere Simulationssysteme befassen sich mit der Simulation des elektrischen Verhaltens von Schaltungen und Bewegungssystemen. Neben den Methoden von Simulationssystemen wird in diesem Kapitel vor allem das Simulationssystem 20-sim zur Simulation von Bondgraphen behandelt.
Werner Roddeck
Kapitel 5. Analyse linearer Systeme
Zusammenfassung
In den vergangenen Kapiteln sind wiederholt Systeme untersucht, ihre grafischen und mathematischen Modelle aufgestellt und durch Simulation das Verhalten für bestimmte Parameterwerte ermittelt worden. Dabei hatte sich schon angedeutet, dass für das Verhalten des Systems die Anzahl unabhängiger Speicherelemente eine wichtige Rolle spielt. In diesem Kapitel werden zur Vertiefung des Systemverständnisses die prinzipiellen Eigenschaften linearer Systeme untersucht.
Werner Roddeck
Kapitel 6. Multiport-Felder und komplexe Strukturen
Zusammenfassung
Im Kapitel 2 sind grundlegende Modellelemente wie R-, C-, I-, TF-, GY-Elemente so behandelt worden, dass sie nur einen einzigen Eingangsport besitzen. Die Speicherelemente beispielsweise können Energie über das Port verlustlos aufnehmen, speichern und wieder verlustlos abgeben. Effort und Flow sind dabei nur von der Zeit abhängig. Dieses Kapitel behandelt Modellelemente mit mehreren Ports, bei denen die Effort- und Flowgrößen außer von der Zeit auch noch von anderen physikalischen Größen abhängen können. Solche Modellelemente werden als Multiport-Felder bezeichnet.
Werner Roddeck
Kapitel 7. Komponenten mechatronischer Systeme
Zusammenfassung
Bis jetzt sind die Modelle einfacher Systeme behandelt worden, deren Bauelemente in der Regel als so genannte konzentrierte Bauelemente modelliert werden konnten. Ihre Eigenschaften werden auf eine charakteristische Systemgröße reduziert und die das Verhalten bestimmenden Parameter sind konstant. Dieses Kapitel behandelt die Modellbildung komplexerer Komponenten mechatronischer Systeme wie mechanische Strukturen, Sensoren und Aktoren.
Werner Roddeck
Kapitel 8. Mechatronische Systeme
Zusammenfassung
Nachdem wir nun die meisten Komponenten von mechatronischen Systemen und deren Modellbildung mit Hilfe von Bondgraphen kennen gelernt haben, sollen noch einmal einige komplexere Gesamtsysteme wie CNC-Maschine, Segway-Rollern und Steer-By-Wire System modelliert und untersucht werden. In diesem Zusammenhang tauchen dann noch einige vor allem nichtlineare Phänomene auf, die wir noch nicht behandelt haben, was dann an dieser Stelle nachgeholt wird. Hierbei kommt uns zu Gute, dass nichtlineare Zusammenhänge bei der Modellierung mit Bondgraphen keine Probleme verursachen.
Werner Roddeck
Kapitel 9. Schlussbetrachtung
Zusammenfassung
Die Wissenschaftsdiziplin Mechatronik hat sich in den letzten 40 Jahren entwickelt und wird seit über 20 Jahren erfolgreich als neue Ingenieurdisziplin an Hochschulen ausgebildet. Wie schon im Eingangskapitel erwähnt, fehlt allerdings bis heute ein prinzipieller Ansatz, der domänenunabhängig das Konzept der Mechatronik in allen Studienfächern begleitet und das Grundgerüst dieser neuen Herangehensweise in den Ingenieurwissenschaften bilden kann. Die historischen Gründe für das heterogene Erscheinungsbild wurden ebenfalls im Eingangskapitel erläutert. Häufig an der Methode der Bondgraphen geäußerte Kritik über deren Eigenschaften bei der Modellbildung, werden als Vorurteile in Form von „Mythen“ dargestellt und auf ihren Wahrheitsgehalt hin überprüft.
Werner Roddeck
Backmatter
Metadaten
Titel
Grundprinzipien der Mechatronik
verfasst von
Prof. Dr. Werner Roddeck
Copyright-Jahr
2019
Electronic ISBN
978-3-658-23809-4
Print ISBN
978-3-658-23808-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-23809-4

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