Heimann / Albert / Ortmaier Mechatronik
1. Auflage 2015
ISBN: 978-3-446-44533-8
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Komponenten - Methoden - Beispiele
E-Book, Deutsch, 447 Seiten
ISBN: 978-3-446-44533-8
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Dieses Lehrbuch und Nachschlagewerk beschreibt die Methoden zur Analyse mechatronischer Systeme und der verschiedenen Komponenten zu ihrer Synthese. Die Darstellung enthält Beiträge zur Sensorik und Aktorik, zur Signal- und Prozessdatenverarbeitung sowie zur Modellierung und Regelung mechatronischer Systeme.
Das Buch richtet sich an Studierende des Maschinenbaus, der Elektrotechnik bzw. Elektronik, der Informatik und der Mechatronik an Technischen Universitäten und Hochschulen. Darüber hinaus dient es als Nachschlagewerk für den Ingenieur in der Praxis.
Die 4. Auflage wurde weitreichend überarbeitet und um Beiträge zur Robotik, zu Automotive-Anwendungen, zur Mikrosensorik, zur videobasierten Regelung sowie zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme einschließlich der Behandlung von Implementierungsaspekten erweitert.
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1;Inhalt;10
2;1 Einleitung und Grundbegriffe;14
2.1;1.1 Grundbegriffe der Mechatronik;14
2.2;1.2 Prozessanalyse mechatronischer Systeme;17
2.3;1.3 Modellbildung und Funktionsbegriff in der Mechatronik;22
2.4;1.4 Entwurf mechatronischer Systeme;25
2.5;1.5 Gliederung des Buches;28
3;2 Aktoren;30
3.1;2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Aktoren;31
3.2;2.2 Aufbau und Wirkprinzipien elektromagnetischer Aktoren;35
3.2.1;2.2.1 Grundlagen elektrodynamischer Wandler;36
3.2.2;2.2.2 Bauformen elektrodynamischer Wandler;40
3.2.3;2.2.3 Grundlagen elektromagnetischer Wandler;43
3.2.4;2.2.4 Bauformen elektromagentischer Wandler;47
3.2.5;2.2.5 Ausführungen und Kenndaten elektromagnetischer Aktoren;48
3.3;2.3 Fluidische Aktoren;52
3.3.1;2.3.1 Gegenüberstellung von hydraulischen und pneumatischen Aktoren;55
3.3.2;2.3.2 Grundlagen hydraulischer Wandler;56
3.3.3;2.3.3 Ausführungsformen und Kenndaten hydraulischer Aktoren;60
3.4;2.4 Neuartige Aktoren;63
3.4.1;2.4.1 Grundlagen piezoelektrischer Wandler;63
3.4.2;2.4.2 Ausführungsformen und Kenndaten piezoelektrischer Aktoren;68
3.5;2.5 Vergleich ausgewählter Aktoren;69
4;3 Sensoren;72
4.1;3.1 Einführung und Begriffe;73
4.2;3.2 Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Drehmoment und Druck;81
4.2.1;3.2.1 Sensoren zur Messung von Dehnungen;81
4.2.2;3.2.2 Auswertung von DMS und Kraftmessung;85
4.2.3;3.2.3 Weitere Sensoren zur Kraft- und Druckmessung;87
4.3;3.3 Sensoren zur Messung von Weg- und Winkelgrößen;92
4.3.1;3.3.1 Potentiometrische Verfahren;92
4.3.2;3.3.2 Photoelektrische Messgeräte;94
4.3.3;3.3.3 Längen- und Winkelmessung durch Nutzung magnetischer Prinzipien;104
4.3.4;3.3.4 Optische Triangulation;114
4.4;3.4 Geschwindigkeits- und Winkelgeschwindigkeitssensoren;116
4.4.1;3.4.1 Tachogeneratoren;117
4.4.2;3.4.2 Drehratensensoren;118
4.4.3;3.4.3 Laservibrometer;119
4.5;3.5 Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungssensoren;120
4.5.1;3.5.1 Beschleunigungssysteme basierend auf dem Feder-Masse-Prinzip;120
4.5.2;3.5.2 Ferraris-Sensor;124
4.5.3;3.5.3 Beschleunigungssensor mit magnetischer Wandlung;124
4.5.4;3.5.4 Weitere Beschleunigungssensorprinzipien;125
4.6;3.6 Sensoren zur Messung von Temperatur und Strömung;126
4.6.1;3.6.1 Thermistoren;126
4.6.2;3.6.2 Thermoelemente;129
4.6.3;3.6.3 Sensoren zur Strömungsmessung: Hitzdrahtanemometer;130
4.7;3.7 Ausblick auf weitere Sensoren;131
5;4 Signalverarbeitung;138
5.1;4.1 Darstellung von Signalen;138
5.1.1;4.1.1 Signalklassen;138
5.1.2;4.1.2 Verteilungs- und Verteilungsdichtefunktion;140
5.1.3;4.1.3 Signalkennwerte und Signalkennfunktionen;142
5.1.4;4.1.4 Formfiltersynthese;150
5.1.5;4.1.5 Überlagerung von Signalen;153
5.1.6;4.1.6 Zeitdiskrete Signale, periodische Abtastung;157
5.1.7;4.1.7 Näherungsformeln und Rechenvorschriften;160
5.2;4.2 Filtertechnologien;165
5.2.1;4.2.1 Filter zur Signalverarbeitung;165
5.2.2;4.2.2 Filter zur Erzeugung zeitlicher Ableitungen;170
5.2.3;4.2.3 Optimale Filterung: Kalman-Filter;173
5.2.4;4.2.4 Erweiterungen des Kalman-Filters;180
6;5 Prozessdatenverarbeitung;186
6.1;5.1 Begriffe der Echtzeitdatenverarbeitung;187
6.2;5.2 Ereignisbehandlung;188
6.3;5.3 Multitasking;192
6.3.1;5.3.1 Prozesszustände;192
6.3.2;5.3.2 Task-Einplanung und Schedulingstrategien;196
6.3.3;5.3.3 Synchronisation von Prozessen;200
6.3.4;5.3.4 Spezielle Hardware-Architekturen;208
6.4;5.4 Echtzeitkonforme Netzwerke;209
6.5;5.5 Bewertung von Echtzeitsystemen;212
7;6 Modellbildung von Mehrkörpersystemen;216
7.1;6.1 Kinematik von Mehrkörpersystemen;218
7.1.1;6.1.1 Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen;218
7.1.2;6.1.2 Beispiele für Rotationsmatrizen (Drehmatrizen);221
7.1.3;6.1.3 Homogene Koordinaten und homogene Transformationen;224
7.1.4;6.1.4 Mechanische Ersatzsysteme mit Baumstruktur;228
7.1.5;6.1.5 Direkte und inverse Kinematik;231
7.1.6;6.1.6 Differentielle Kinematik und Jacobi-Matrix;235
7.2;6.2 Kinetik von Mehrkörpersystemen;238
7.2.1;6.2.1 Grundgleichungen für den starren Körper;240
7.2.2;6.2.2 Newton-Euler-Methode;244
7.2.3;6.2.3 Lagrange'sche Methode;248
8;7 Systembeschreibung;254
8.1;7.1 Lineare, zeitinvariante Systeme;254
8.1.1;7.1.1 Klemmenmodell;255
8.1.2;7.1.2 Zustandsraumdarstellung;258
8.1.3;7.1.3 Stabilitätsbegriff;263
8.1.4;7.1.4 Stabilitätskriterien – Systemmatrix;266
8.1.5;7.1.5 Stabilitätskriterien – Übertragungsfunktion;269
8.2;7.2 Modellvereinfachung und -reduktion;274
8.2.1;7.2.1 Approximation;275
8.2.2;7.2.2 Linearisierung;278
8.2.3;7.2.3 Ordnungsreduktion;282
8.3;7.3 Parameter- und Systemidentifikation;287
8.3.1;7.3.1 Einführung in Schätzprobleme;288
8.3.2;7.3.2 Prozess zur Identifikation;292
8.3.3;7.3.3 Identifikation parametrischer, linearer, zeitdiskreter Systeme;294
8.4;7.4 Aspekte der Identifikation in der Praxis;302
8.4.1;7.4.1 Datenvorverarbeitung;302
8.4.2;7.4.2 Bestimmung der Modellordnung;303
8.4.3;7.4.3 Identifizierbarkeit und Anregung;308
8.4.4;7.4.4 Identifikation im geschlossenen Regelkreis;312
8.4.5;7.4.5 Identifikation kontinuierlicher Systeme;314
8.4.6;7.4.6 Parameteridentifikation mechatronischer Systeme;318
9;8 Regelung;322
9.1;8.1 Entwurfsziele und Grundlagen;323
9.1.1;8.1.1 Bewertungskriterien;324
9.1.2;8.1.2 Empfindlichkeitsfunktionen und Entwurfslimitierungen;327
9.2;8.2 Klassische Regelung linearer Systeme;337
9.2.1;8.2.1 PID-Regler;337
9.2.2;8.2.2 Auslegungsverfahren;339
9.3;8.3 Zustandsregelung;345
9.3.1;8.3.1 Einführung in die Zustandsregelung;345
9.3.2;8.3.2 Beobachter und beobachtergestützte Regelung;349
9.4;8.4 Optimale und robuste Regelung;354
9.4.1;8.4.1 Optimale Regelung mit quadratischem Gütemaß;355
9.4.2;8.4.2 Robuste Regelung (H2-, H-Regelung);362
9.5;8.5 Digitale Regelung (Abtastregelung);370
9.5.1;8.5.1 Zeitdiskrete Systembeschreibung;371
9.5.2;8.5.2 Entwurf und Implementierung digitaler Regelungen;383
9.6;8.6 Ausblick: Weitere Regelungsverfahren;397
10;9 Beispiele mechatronischer Systeme;400
11;A Mathematische Grundlagen;404
11.1;A.1 Integraltransformationen;404
11.1.1;A.1.1 Laplace-Transformation;404
11.1.2;A.1.2 Fourier-Transformation;405
11.1.3;A.1.3 Z-Transformation;407
11.1.4;A.1.4 Korrespondenztabellen und deren Anwendung;408
11.2;A.2 Matrizenrechnung;410
11.2.1;A.2.1 Begriffe und einfache Rechenregeln;410
11.2.2;A.2.2 Eigenwerte, Eigenvektoren;411
11.2.3;A.2.3 Ähnlichkeitstransformation (Hauptachsentransformation);412
11.2.4;A.2.4 Normen;413
11.2.5;A.2.5 Lineare Gleichungssysteme und Singulärwertzerlegung;415
11.3;A.3 Lineare, zeitinvariante dynamische Systeme;417
12;Formelzeichen und Abkürzungen;420
13;Literatur;428
14;Index;438
1. Grundbegriffe, Entwurf und entwicklungsmethodik
2. Aktoren
3. Sensoren
4. Signalverarbeitung
5. Prozessdatenverarbeitung, Echtzeit, Scheduling, Kooperative, preemptive Systeme, Filter- und Reglerstrukturen
6. Modellbildung von Mehrkörpersystemen
7. Regelung mechatronischer Systeme
8. Ausgewählte Beispiele für mechatronische Systeme
9. Mathematische Grundlagen
