Modell 7: Adaptronik - am IWE - KIT

Universität Karlsruhe (TH)
Fakultät für Elektrotechnik
und Informationstechnik
Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée
Prof. Dr.-Ing. Fernando Puente
Prof. Dr.-Ing. Volker Krebs
Prof. Dr. rer. nat. Michael Siegel
Juni 2009
Studienmodell 7
Adaptronik
Sensoren
Aktoren
Elektronik
Systeme
Adaptronik
Messtechnik
Regelungstechnik
Modellberatung
Dr.-Ing. Wolfgang Menesklou
Email: menesklou@kit.edu

AUF EINEN BLICK
ADAPTRONIK
Studienmodell 7 Adaptronik 3
Modellplan feste Modellfächer 4
Modellplan wählbare Modellfächer 5
Beschreibung der Vorlesungen 6
• Sensoren 6
• Praktikum: Sensoren und Aktoren 6
• Regelung linearer Mehrgrößensysteme 7
• Integrierte Systeme und Schaltungen 8
• Identifizierung und Optimierung technischer Prozesse 9
• Methoden der Signalverarbeitung 10
Forschungsgebiete 11
Beteiligte Institute 12
IWE
Anschrift des Modellberaters
Dr.-Ing. Wolfgang Menesklou
Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE)
Forschungszentrum Umwelt (FZU)
Adenauerring 20 b, Geb. 50.40
D-76131 Karlsruhe
Tel:
Email:
Link:
0721 608-7493
menesklou@kit.edu
http://www.iwe.uni-karlsruhe.de
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ADAPTRONIK
EINLEITUNG
Studienmodell 7 Adaptronik
Der Begriff Adaptronik hat sich in Deutschland in den neunziger Jahren etabliert und umfasst einen
Technologiebereich, der in den USA und Japan mit „smart materials“ oder „adaptive structures“
bezeichnet wird. Die Adaptronik zählt heute zu den 12 Leitinnovationen der Fraunhofergesellschaft.
Im Mittelpunkt stehen technische Systeme, die sich durch selbstregelnde Mechanismen an unterschiedliche
Betriebsbedingungen anpassen. Multifunktionale Werkstoffe wie Piezoelektrika, Magnetostriktiva,
elektrorheologische Fluide oder Formgedächtnislegierungen, die sich thermisch, elektrisch
oder magnetisch aktivieren lassen und dabei gleichzeitig sensorische und aktorische Aufgaben
übernehmen, spielen eine Schlüsselrolle bei der Konzeption adaptronischer Systeme. Das
daraus resultierende Potenzial eröffnet für Forschung und Entwicklung neue Wege und Lösungsansätze
in den verschiedensten Bereichen. Beispiele sind aktive Schwingungskompensatoren zur
Reduktion von Vibrationen und Instabilitäten an Verkehrsfahrzeugen, die Feinstpositionierung in
Optik und Maschinenbau, selbstjustierende Antennen und Satellitenstrukturen und intelligente
Sensornetzwerke (Structural Health Monitoring).
Die Realisierung adaptronischer Systeme erfordert, dass die Teildisziplinen Werkstoffwissenschaften
(Sensorik/Aktorik), Regelungstechnik und Informationstechnik von Beginn an in den Entwicklungsprozess
integriert werden, und verlangt somit vom angehenden Ingenieur eine interdisziplinäre
Denkweise. Im Studienmodell werden deshalb die Kompetenzen aus vier Instituten genutzt, um die
gewünschte breite Ausbildung zu gewährleisten. Der Katalog der festen Modellfächer des Studienmodells
berücksichtigt diesen Aspekt: In der Vorlesung „Sensoren“, sowie im Praktikum „Sensoren
und Aktoren“ werden wichtige Grundlagen multifunktionaler Werkstoffe vermittelt. Die systemtheoretische
Modellierung und Behandlung adaptronischer Systeme, sowie die regelungstechnischen
Grundlagen hierzu, werden in den Vorlesungen „Identifizierung und Optimierung technischer
Prozesse“ und „Regelung linearer Mehrgrößensysteme“ erarbeitet. Wichtige Teile der Informationstechnik
werden durch die Vorlesungen „Integrierte Systeme“ und „Methoden der Signalverarbeitung“
abgedeckt.
Die wählbaren Modellfächer bieten dem Studierenden die Möglichkeit, je nach Interesse und
Neigungen, sein Wissen in den oben genannten Teildisziplinen zu vertiefen. Aufgrund der Breite der
Anwendungen adaptronischer Systeme können neben den Lehrveranstaltungen aus der Fakultät
Elektrotechnik und Informationstechnik auch Fächer aus dem Vorlesungsangebot anderer Fakultäten
wie Maschinenbau, Physik und Informatik gewählt werden. Die Auswahl sollte aber frühzeitig mit
dem Modellberater abgesprochen werden. In der Master/Diplom- und Studienarbeit besteht für
den Studierenden die Möglichkeit aktiv an Forschungsprojekten auch in Zusammenarbeit mit der
Industrie mitzuarbeiten.
Durch die breit angelegte Ausbildung hat der angehende Ingenieur viele berufliche Möglichkeiten.
Die ständig steigenden Anforderungen an moderne Systeme führen dazu, dass konventionelle
Ansätze zunehmend an die Grenzen des technisch und wirtschaftlich Machbaren stoßen. Das noch
junge Gebiet der Adaptronik eröffnet neue Möglichkeiten, mittels intelligenter Systemkomponenten
zur Schonung von Rohstoffen, zu einer geringeren Umweltbelastung, zu niedrigen System- und
Betriebskosten, sowie zu höherer Funktionalität und Leistungsfähigkeit von Systemen beizutragen.
Aus diesem Grund beschäftigen sich auch namhafte Firmen und Forschungseinrichtungen wie
beispielsweise VW, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), EADS, DaimlerChrysler, Fraunhofergesellschaft,
Siemens, Philips und Carl Zeiss zunehmend mit adaptronischen Systemen.
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MODELLPLAN
ADAPTRONIK
Semesterwochenstunden
Diplom/Masterstudiengang
6. Sem. 7. Sem. 8. Sem.
Feste Modellfächer* V Ü V Ü V Ü
E 0402 IWE Sensoren - - 2 - - -
E 0406 IWE Praktikum: Sensoren und Aktoren - - - - - 4
E 0301 IRS Regelung linearer Mehrgrößensysteme - - 3 1 - -
E 0323 IRS Identifizierung und Optimierung technischer
- - 2 1 - -
Prozesse**
E 1205 IMS Integrierte Systeme und Schaltungen - - 2 - - -
E 0204 IIIT Methoden der Signalverarbeitung - - 3 1 - -
Gesamtsumme 19
*Aufgrund der Einführung der neuen Bachelor- und Materstudiengänge können Änderungen innerhalb
der festen Modellfächer vorkommen. Bitte wenden Sie sich ggf. an den Modellberater.
**Die Vorlesung wird letztmalig für den auslaufenden Diplomjahrgang im SS09 angeboten
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ADAPTRONIK
MODELLPLAN
WS SS
Wählbare Modellfächer im Diplom/Masterstudiengang V Ü V Ü
Elektronische Bauelemente und Systeme
E 0401 Studienarbeit (Diplom) - 8 od. 8
E 0421 (Sensorsysteme) Integrierte Sensor-Aktor-Systeme - - 2 -
E 0407 Systematische Produktentwicklung in der Sensorik - - 2 -
E 0404 Brennstoffzellen und Batterien I 2 - - -
E 1215 Nanoelektronik - - 2 -
MB 057 Mikroaktorik - - 2 -
E1309 Polymerelektronik 2 - - -
E1213 VLSI-Technologie 2 - - -
MB 051 Grundlagen der Mikrosystemtechnik I/II 2 - 2 -
Informationstechnik
E1213 VLSI-Technologie 2 - - -
E 0329 Automatisierung ereignisdiskreter und hybrider Systeme - - 2 -
E0231 Integrierte Signalverarbeitungssysteme 3 1 - -
E0231 Automotive Control Systems - - 2 -
E1107 Systemanalyse und Entwurf - - 2 -
I 0054 Robotik I (Einführung in die Robotik) 2 - - -
I 0091 Robotik II (Programmierung von Robotern) - - 2 -
I 0074 Robotik III (Sensoren in der Robotik) - - 2 -
I 0060 Roboterpraktikum - 4 od. 4
Messtechnik und Signalverarbeitung (Informationsverarbeitung)
E 0222 Praktikum: Digitale Signalverarbeitung - - - 4
E 0304 Nichtlineare Regelungssysteme 2 - - -
E 0305 Stochastische Regelungssysteme 2 - - -
E 0815 Mikrowellenmesstechnik - - 2 1
E 0837 Hochfrequenztechnik 2 1 - -
E 0205 Verteilte ereignisdiskrete Systeme - - 3 -
Management und Betriebswirtschaftslehre
IIE 004 Entrepreneurship I 2 - - -
IIE 005 Entrepreneurship II - - 2 -
WW 002 Industriebetriebswirtschaftslehre 2 2 - -
Die Auswahl der wählbaren Modellfächer ist nicht auf die aufgeführten Lehrveranstaltungen
beschränkt. Neben anderen Lehrveranstaltungen aus der Fakultät für Elektrotechnik
und Informationstechnik können Sie auch Fächer aus dem Vorlesungsangebot anderer
Fakultäten wählen. Die Modellpläne müssen vorab mit unserem Modellberater Herrn Dr.-
Ing. W. Menesklou abgestimmt werden.
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VORLESUNGSBESCHREIBUNG
ADAPTRONIK
Sensoren
Dozent: Dr.-Ing. W. Menesklou
Betreuung: Denis Kunz (Denis.Kunz@de.bosch.com)
Umfang: 2 SWS im Wintersemester
Prüfung: Schriftlich 2 h
Unterlagen: Vorlesungsskript
Link: http://www.iwe.uni-karlsruhe.de/vl_sensoren.php
Wie werden physikalische und chemische Sensoreffekte optimal in elektrische Signale umgesetzt?
Die Vorlesung veranschaulicht die Funktionsweise der wichtigsten Sensorprinzipien.
• Temperatursensoren
• Chemische Sensoren / Biosensoren
• Gassensoren
• Feuchtesensoren
• Ultraschallsensoren
• Mechanische Sensoren
• Faseroptische Sensoren
• Magnetische Sensoren
Im Rahmen der Vorlesung werden Fragestellungen zu den chemisch/physikalischen Grundlagen
der Sensoreffekte, den für die Umsetzung dieser Effekte notwendigen Materialeigenschaften und
der technischen Realisierung in Sensoren behandelt.
Praktikum: Sensoren und Aktoren
Dozent:
Umfang:
Prüfung:
Unterlagen:
Link:
Dr.-Ing. W. Menesklou
4 SWS im Sommersemester
Durchführung der Versuche, mündliche Befragungen und Versuchsprotokolle
Versuchsbeschreibungen
http://www.iwe.uni-karlsruhe.de/vl_praktikum.php
Ziel des Praktikums ist die Applikation und Charakterisierung von Sensoren, Aktoren und deren Materialien.
In der Versuchsvorbereitung werden die werkstoffwissenschaftlichen Grundlagen der
Bauelemente, deren Anwendungsgebiete sowie die messtechnischen
und analytischen Methoden erarbeitet, die während der Versuchsdurchführung
zur Anwendung kommen. Die Versuche werden in Gruppen
zu je drei Studierenden durchgeführt. Folgende Themengebiete
werden in den Versuchen abgedeckt.
• Abgassensoren
• Magnetische Sensoren
• Piezoelektrische Aktoren
• Adaptronik
• Impedanz-Spektroskopie
• Temperatursensoren (NTC, PTC)
• Rasterelektronenmikroskop (REM)
• Wissenschaftliches Vortragen
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ADAPTRONIK
VORLESUNGSBESCHREIBUNG
Regelung linearer Mehrgrößensysteme
Dozent: Dr.-Ing. M. Kluwe (Tel. 608-3182)
Betreuung: Dipl.-Ing. F. Wolff (Tel. 608-2467)
Umfang:
3+1 SWS im Wintersemester
Prüfung:
2 Stunden schriftlich
Unterlagen: Beiblätter zur Vorlesung
Institutshomepage: http://www.irs.uni-karlsruhe.de/342.php
Aufbauend auf der Vorlesung Systemdynamik und Regelungstechnik werden den Studierenden
grundlegende Kenntnisse und Fähigkeiten vermittelt, lineare Mehrgrößensysteme zu analysieren
und gemäß den Zielvorgaben geeignete Regelungen zu entwerfen. Als Ausgangspunkt hierzu
werden sowohl zeitkontinuierliche als auch zeitdiskrete Systemmodellierungen verfolgt. Neben der
eigentlichen Regelungs- und Steuerungssynthese werden insbesondere einige der in der Praxis
häufig anzutreffenden Randbedingungen behandelt. So erlernen die Studierenden etwa den bei
ungenügender Sensorik erforderlichen Entwurf geeigneter Beobachter oder den systematischen
Umgang mit auftretenden Störungen. Als weitere Ansätze werden Ausgangsgrößenrückführungen,
dynamische sowie robuste Regelungsmethoden vorgestellt.
Die Vorlesung gliedert sich in folgende Teilbereiche:
• Modellformen linearer Systeme in kontinuierlicher und diskreter Zeit (Ein-/Ausgangsmodelle im
Zeit und Bildbereich, Zustandsraummodelle)
• Analyse linearer Systeme (Stabilität, Steuer- und Beobachtbarkeit, Pole und Nullstellen)
• Regelung linearer Systeme im Bildbereich (SISO-
Fall: DeadBeat-Regelung, MIMO-Fall: Entkopplungsregelung)
• Regelung linearer System im Zustandsraum
(Grundprinzipien der Reglersynthese, ausgewählter
Reglerentwurfsverfahren: Modale Regelung,
Entkopplungsregelung, Vollständige Modale Synthese,
DeadBeat-Regelung, Riccati-Regelung)
• Synthese von Zustandsbeobachtern (Vollständige
Beobachter, reduzierte Beobachter)
• Reglersynthese zur Beseitigung von Dauerstörungen
(Störgrößenaufschaltung, Nutzung von Störmodellen, PI-Zustandsregelung)
• Synthese von Ausgangsrückführungen
• Synthese Dynamische Regler
• Synthese robuster Regelungen mittels Polbereichsvorgabe
• Ordnungsreduktion bei Modellen mit hoher Systemordnung (Grundprinzip der Ordnungsreduktion,
Modale Ordnungsreduktion)
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VORLESUNGSBESCHREIBUNG
ADAPTRONIK
Integrierte Systeme und Schaltungen
Dozent: Prof. Dr. rer. nat. M. Siegel
Übung: NN
Umfang: 2 SWS im Wintersemester
Prüfung: 25 Minuten mündlich
Unterlagen: Vorlesungsskript
Link: http://www.ims.uni-karlsruhe.de/646.php
Die Vorlesung vermittelt das Wissen über moderne Lösungen mittels integrierten Konzepten von
komplexen Aufgaben der Erfassung von Informationen bzw. Signalen, ihrer Verarbeitung sowie der
Erzeugung von Steuersignalen für Stellglieder, z.B. integrierte Aktuatoren.
Um Systemlösungen mit integrierten Schaltkreisen zu
realisieren, werden zunehmend heterogene Technologien,
wie Si-CMOS, GaAs, SiGe sowie metallische und
oxidische Funktionsschichten auf einem Chip benötigt.
Fragen der optimalen Chipfläche, des Leistungsumsatzes
und der Verarbeitungsgeschwindigkeit werden
behandelt. Konzepte zur Umsetzung von integrierten
"System-on-Chip"-Lösungen mit nanoelektronischen
Bauelementen auf der Sensorebene, über die analoge
und digitale Signalverarbeitung auf Halbleiterbasis bis
hin zum Aktuator werden behandelt. Dabei werden
insbesondere Konzepte für den Automotiv-Bereich
diskutiert.
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ADAPTRONIK
VORLESUNGSBESCHREIBUNG
Identifizierung und Optimierung technischer Prozesse
Dozent: Prof. Dr.-Ing. V. Krebs
Betreuung: Dipl.-Ing. Dino Klotz (Tel. 608-7571)
Umfang: 2+1 SWS im Wintersemester
Prüfung: 2 Stunden schriftlich
Unterlagen: Beiblätter zur Vorlesung, Übungsaufgaben
Link:
http://www.irs.uni-karlsruhe.de/342.php
Für den Entwurf von Regelungen und Steuerungen wird in der Regel ein mathematisches Prozessmodell
benötigt. Da jedoch oftmals die physikalischen Beziehungen der Komponenten untereinander
nicht bekannt sind oder sich eine theoretische Modellbildung als zu kompliziert erweist, wird
hierzu in der Regel eine experimentelle Modellbildung durchgeführt. Mit Hilfe von Messwerten ist es
hierbei möglich, sowohl die Struktur eines Systems, als auch die Parameter eines parametrischen
Modells zu schätzen. Diese so genannte Identifikation wird im ersten Teil der Lehrveranstaltung
ausführlich erläutert.
Der zweite Teil der Vorlesung befasst sich mit dem Entwurf von Regelungen und Steuerungen, die
bezüglich eines gegebenen Gütemaßes ein optimales Verhalten garantieren sollen.
Die behandelten Themengebiete sind:
• Methoden der Modellbildung
• Prozesse, Signale sowie Klassifizierung von Identifikationsverfahren
• Identifikation mit nichtparametrischen Modellen
• Identifikation mit parametrischen Modellen
• Parameterschätzung
• Optimierung dynamischer Systeme
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VORLESUNGSBESCHREIBUNG
ADAPTRONIK
Methoden der Signalverarbeitung
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Fernando Puente
Betreuung: Dipl.-Ing. Konrad Christ (Tel. 608-4622)
Umfang: 3 +1 SWS im Wintersemester
Prüfung: 2 Stunden schriftlich, mit Hilfsmitteln
Unterlagen: Vorlesungsskript, Übungsskript
Link: http://www.iiit.uni-karlsruhe.de/msv.php
Dem Ingenieur stehen heute eine ganze Reihe mächtiger Werkzeuge zur Signalverarbeitung zu
Verfügung. Sie ermöglichen es, gezielt Informationen aus mit Sensoren erfassten Signalen zu extrahieren
und entsprechend der Anwendung umzuformen. In der Vorlesung werden folgende Verfahren
erläutert:
• Short-Time-Fourier-Transformation
Schnelle Wavelet Transformation
• Wavelet-Transformation
Anzahl Samples
• Wigner-Ville-Transformation
Hochpass
Downsampling
Upsampling
• Karhunen-Loève-Transformation
1000
250
• Modellbildung
x(m)
500
Tiefpass
• Schätzfilter (Least-Squares-Schätzer,
Gauß-Markov-Schätzer, Matched Filter,
AR-Schätzung, Kalman-Filter,
Bayes-Schätzung)
Nachdem zu Beginn der Vorlesung die notwendigen theoretischen Werkzeuge bereitgestellt wurden,
werden die verschiedenen Verfahren der Signalverarbeitung nach ihrer Herleitung durch
Beispiele veranschaulicht. In der Übung wird das Verständnis durch weitere Beispiele und Rechenaufgaben
vertieft.
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ADAPTRONIK
FORSCHUNGSGEBIETE
Im Rahmen von Teamprojekten, Studien- und Diplomarbeiten haben Sie die Möglichkeit,
selbständig ein Teilgebiet aktueller Forschungsprojekte zu bearbeiten, Ihr erlerntes Wissen
umzusetzen und Ihre eigenen Ideen einzubringen. Die derzeitigen Forschungsrichtungen
der das Studienmodell unterstützenden Institute sind unter anderem:
Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE)
• Energiewandler: mobile und stationäre Brennstoffzellen
• Energiespeicher: Lithium-Batterien
• Fossile Kraftwerke: Gasseparationsmembranen
• Automobil: Abgassensoren
• Nanowissenschaften: Elektrolyt- und Elektrodenwerkstoffe
• Diagnose, Modellbildung und Simulation von Brennstoffzellen und Batterien
Institut für Industrielle Informationstechnik (IIIT)
• Bildverarbeitung und Mustererkennung
• Anwendungsschwerpunkte im Kraftfahrzeug (z.B. Sensordatenfusion)
• Integrierte Systeme in der Signalverarbeitung
• Powerline Communications (PLC)
Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme (IRS)
• Ferndiagnose
• Robuste Diagnose
• Anwendungen in der Automobiltechnik
• Betriebsführung und Diagnose von Brennstoffzellen
Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme (IMS)
• Entwurf und Design integrierter Schaltungen
• Technologische Herstellung von Sensoren und integrierten Schaltkreisen
• Charakterisierung und Test von Einzelbauelementen und integrierten Schaltungen
(DC - 67 GHz)
Für nähere Informationen zu möglichen Arbeiten stehen Ihnen unsere Mitarbeiterinnen
und Mitarbeiter gerne zur Verfügung.
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BETEILIGTE INSTITUTE
ADAPTRONIK
Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik
Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée
Gebäude 50.40 (Adenauerring 20 b, FZU)
Tel.: 0721/608-7491
Fax: 0721/608-7492
Email: sekretariat@iwe.uni-karlsruhe.de
Link: http://www.iwe.uni-karlsruhe.de
Institut für Industrielle Informationstechnik
Prof. Dr.-Ing. Fernando Puente
Geb. 6.35 (Hertzstr. 16, Westhochschule)
Tel.: 0721/608-4520
Fax: 0721/608-4500
Email: koffler@iiit.etec.uni-karlsruhe.de
Link: http://www.iiit.uni-karlsruhe.de
Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme
Kommissarische Leitung Prof. Dr.-Ing. Gert F. Trommer
(Stellvertreter: Dr.-Ing. Mathias Kluwe)
Geb. 11.20 (Engler-Villa)
Tel.: 0721/608-3181
Fax: 0721/608-2707
Email: sekretariat@irs.uni-karlsruhe.de
Link: http://www.irs.uni-karlsruhe.de
Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme
Prof. Dr. rer. nat. Michael Siegel
Geb. 6.41 (Hertzstr. 16, Westhochschule)
Tel.: 0721/608-4961
Fax: 0721/75 79 25
Email: d.duffner@ims.uni-karlsruhe.de
Link: http://www.ims.uni-karlsruhe.de
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