Simulation mechatronischer Systeme

Siehe TUMonline

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Moduls ist der Studierende in der Lage, multi-disziplinäre Modellierungen und Simulationen großer Systeme mit mechanischen, elektrischen, thermischen und regelungstechnischen Komponenten zu verstehen und für Entwurfsaufgaben einzusetzen. Dies betrifft insbesondere den Entwurf einfacher und komplexer Regelungen für die systemische Bewertung von Antriebsstrang-Topologien bei Elektrofahrzeugen, sowie Echtzeitsimulationen multi-disziplinärer Systeme.

Das Online-Modul wird nur im Wintersemester angeboten und besteht aus einer Vorlesung (2 Semester-Wochenstunden) und einem Praktikum (1 Semester-Wochenstunde). Video-Aufzeichnungen der Vorlesung vom WS2023/2024 werden zur Verfügung gestellt.
Das Praktikum wird mit einer Simulationssoftware durchgeführt und vertieft die Inhalte der Vorlesung und setzt diese anhand von eigenen Implementierungen um. Es kann eine der Desktop Simulatoren (für Windows/Linux): Dymola, OpenModelica oder eine der WebApps (alle Geräte, inkl. Tablet, Smartphone): Modiator, ODE verwendet werden.

Es werden folgende Inhalte vermittelt:

Modellierung und Simulation kontinuierlicher Systeme
(Signal und Energiefluss, Objektdiagramme, Simulation von elektrischen Schaltungen, elektrischen Maschinen, Antriebssträngen, 2D-mechanischen Systemen, Wärmeleitung,
Ein/Ausgangsblöcke; Modellierung mit Modelica)

Mathematische Beschreibung kontinuierlicher Systeme und Transformationsalgorithmen
(differential- algebraische Gleichungen (DAEs), singuläre DAEs, inverse Systeme, Sparse Methoden, BLT, Tearing, Dummy Derivative Methode).

Unstetige und strukturvariable Systeme
(Zeit- und Zustandsereignisse, Abtastsysteme, ideale Schalter, Diode, Thyristor, Gleichrichter, Reibung)

Integrationsverfahren
(feste und variable Schrittweite, Verfahrensordnung, Stabilitätsgebiet, Echtzeit-Anwendungen)

Simulation von Elektrofahrzeugen
(virtuelle Entwicklung von Fahrzeugen, Bewertung von Fahrzeugkonzepten/Antriebsstrangtopologien, wichtige Komponenten und Fahrmanöver zur reproduzierbaren gesamtsystemischen Bewertung).

Detailliertere Beschreibung des Inhalts und der Praktikumsaufgaben gibt es auf Moodle.

Grundkenntnisse von:
- gewöhnlichen Differentialgleichungen
- lineare Algebra (Gleichungssysteme, Eigenwerte, ...)
- einfache elektrische Systeme (Widerstand, Kapazität, ...)
- einfache ein-dimensionale mechanische Systeme (bewegte Masse, Feder, ...)

Hilfreich: Grundkenntnisse der Regelungstechnik

Vorlesung:
- Folien mit prüfungsrelevanten Übungsaufgaben und Musterlösungen (Unterlagen stehen spätestens einige Tage vor der Vorlesung zur Verfügung).
- Online-Vorlesung mit Zoom, jeweils Di. 13:15-14:45. Aufgezeichnete Videos vom WS2023/2024.

Praktikum
Zoom Session jeweils Di. 15:00 - 15:45 (oder länger) in kleinen Gruppen in Breakout-Rooms mit mehreren Betreuern (Dozent + Doktoranden, je nach Zahl der Teilnehmenden). Selbständige Erstellung von Modellen und Durchführung von Simulationen/Entwürfen.

Schriftliche Präsenzprüfung mit 60 min Dauer sowohl im Wintersemester als auch im Sommersemester. Die Prüfung besteht aus ca. 12 Aufgaben, in denen jeweils Fragen zur Modellierung und Simulation von mechatronischen Systemen sowie zur Lösungsmethodik solcher Systeme zu beantworten sind. Hilfsmittel sind nicht zugelassen, mit Ausnahme von Wörterbüchern für ausländische Studenten.
Die bearbeiteten Aufgaben der zwei letzten Praktika über Elektrofahrzeuge können abgegeben werden. Wenn Ihre Lösung eine ausreichende Punktzahl hat, gibt es einen Noten-Bonus von einer Stufe für die Prüfung (1,3 -> 1.0; 1,7 -> 1,3; 2.0 -> 1,7 etc.)

Folien, Übungsaufgaben mit Musterlösungen, eine ältere Prüfung und Aufzeichnung der Vorlesungen vom WS2023/2024 werden auf Moodle zur Verfügung gestellt.
Ev. gibt es noch ein Online-Buch zur Vorlesung (falls bis dahin fertiggestellt).

Weitere Literatur (wird aber für das Modul nicht benötigt):
- Modelica Bücher: https://modelica.org/publications/books/
- Modelica Language Specification (https://specification.modelica.org/maint/3.6/MLS.html).
- Modelica Quick Reference (https://webref.modelica.university/)