Definieren Sie den Begriff „Mechatronik“ nach der VDI 2206.
Mechatronik bezeichnet das synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und der Herstellung industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung.
Zeichnen Sie die Grundstruktur eines mechatronischen Systems nach der VDI 2206 und beschriften Sie die wesentlichen Komponenten und Verbindungen.
Welche Reifegrade sind in der Luft- und Raumfahrt üblich?
Nennen Sie zwei Prozessbausteine für die Systemintegration nach dem V-Modell!
Teillösungen zusammenführen
Unverträglichkeiten erkennen und eliminieren
optimale Gesamtlösung finden
Zeichnen Sie das V-Modell nach der VDI 2206.
Erklären Sie kurz den Unterschied zwischen den Begriffen Validierung und Verifikation im Kontext ihres V-Modells.
Verifikation überprüft, ob ein System korrekt gemäß den spezifizierten Anforderungen entwickelt wurde – also „Haben wir das System richtig gebaut?“.
Validierung prüft, ob das entwickelte System den tatsächlichen Bedarf erfüllt – also „Haben wir das richtige System gebaut?“
Was versteht man unter dem Begriff „Technologie-Reifegrad“?
Der Technologie-Reifegrad (Technology Readiness Level) beschreibt auf einer Skala von 1 bis 9, wie weit entwickelt eine Technologie ist.
Nennen Sie vier Prozessbausteine beim Systementwurf nach dem V-Modell!
Abstrahieren, um wesentliche Probleme zu erkennen
Funktionsstruktur aufstellen
prinzipielle Lösungsvarianten konkretisieren
Bewerten und Auswählen von Lösungsvarianten
domänenübergreifendes Lösungskonzept festlegen
Nennen Sie zwei Prozessbausteine für die Eigenschaftsabsicherung nach dem V-Modell!
Funktionsnachweis (Software-in-the-Loop)
Applikation (Rapid Control Prototyping)
Zielsoftware- / Schnittstellennachweis (Hardware-in-the-Loop)
Integration
Nennen Sie vier Gründe bzw. Ziele des modellbasierten Systementwurfs!
Zielgerichtete Reglerauslegung
Analyse und Optimierung
Keine Ergebnisverfälschung (Messungen verursachen oft Rückwirkungen auf das System)
Experimentelle Untersuchungen sind nicht durchführbar (Kosten, Sicherheit, etc.)
Reduzierung des Prototypenaufwandes durch „virtual prototyping“
Welche Abstraktionsebenen gibt es bei der Modellbildung im Rahmen des modellbasierten Entwicklungsprozesses?
Topologisches Modell
Physikalisches Modell
Mathematisches Modell
Numerisches Modell
Nennen Sie drei Aufgaben, die mit der Mehrkörpersimulation abgedeckt werden können?
Konzeptstudien
Parameterstudien
Echtzeitsimulation
Leistungs- und Nachweisrechnungen
Aus welchen drei Grundgleichungen lässt sich die akustische Wellengleichung herleiten?
Erläutern Sie die Schallschnelle und die Schallgeschwindigkeit!
Wie lautet die allgemeine Wellengleichung für den Schallwechseldruck p(x,t)?
Wie lautet die eindimensionale Wellengleichung für den Schallwechseldruck p(x)?
Leiten Sie die Schallschnelle aus gegebenen Ansätzen ab!
Leiten Sie die Helmholtzgleichung her! Welche Voraussetzung muss erfüllt sein?
Vorraussetzung: Die Helmholtzgleichung gilt für harmonische Zeitfunktionen, wie sie bei einer tonalen Druckwelle gegeben sind.
Herleitung:
Wie lautet die Lösung der eindimensionalen Wellengleichung für den Schalldruck p(x,t) (harmonische Schwingungen, hin- und rücklaufende Welle)?
Wie lautet die Helmholtzgleichung für den eindimensionalen Fall (harmonische Zeitfunktion)?
Wie lautet die Lösung für die eindimensionale Helmholtzgleichung (hin- und rücklaufende Welle)?
Was gilt für die Schnelle bzw. den Schalldruck im eindimensionalen Schallrohr bei a) schallhartem Abschuss und b) schallweichem Abschuss?
Was folgt aus der Bedingung: Unendliches Schallrohr?
Es treten keine Reflexionen auf.
Skizzieren Sie eine stehende Welle (hin- und rücklaufende Welle) im Schallrohr bei a) schallhartem Abschuss und b) schallweichem Abschuss?
Welche Problematik tritt bei der Berechnung des Übertragungsverhaltens eines Schallrohrs an den Resonanzstellen auf und wie lässt es sich beheben?
Problem: Sofern keine Dämpfung vorhanden ist, kann das System sich bis ins Unendliche aufschwingen.
Behebung: Eine Dämpfung ist somit notwendig, um dies zu vermeiden.
Welches physikalische Prinzip wird bei der aktiven Schallreduktion ausgenutzt?
destruktive Interferenz
In welchen Domänen und auf welche Weise lässt sich die Rückwirkung des Sekundärlautsprechers auf das Referenzsignal bei der aktiven Schallreduktion vermeiden?
Domäne Akustik: zweiter Lautsprecher
Domäne Informatik: Entkopplungsfilter
Was sind wesentliche (Dirichlet) und was natürliche (Neumann) Randbedingungen bei der akustischen Finite Elemente Simulation?
Was gilt für die Randbedingungen in der „schwachen Form“ der akustischen Wellengleichung?
Nach dem Galerkin-Verfahren wird in der akustischen FEM über einen virtuellen Druck integriert, da dieser mit den wesentlichen Randbedingungen verträglich ist. Lediglich der virtuelle Teil muss Null sein, da eine Mittelung vorgenommen wird. Die natürlichen Randbedingungen erfüllen die DGL somit im integralen Mittel und die wesentlichen Randbedingungen sind von p zu erfüllen.
Was versteht man unter dem Ritz-Ansatz?
Diskretisierung eines Schallrohres, um z.B. den Schalldruckverlauf mittels der Finiten Elemente Methode zu berechnen. Die Bereiche zwischen sogenannten Knotenpunkten werden durch lokal begrenzte (lineare) Formfunktionen beschrieben. Daraus ergeben sich z.B. Massen- und Steifigkeitsmatrix.
Wie sehen die linearen Formfunktionen h_1 und h_2 für ein Element in lokalen Koordinaten aus?
Benennen Sie die Bestandteile des folgenden DGL-Systems:
Was kann eine Ursache für die Abweichung zwischen analytischer und FEM-Berechnung sein?
Die Anzahl der Knotenpunkte bei der Diskretisierung beschränkt die Anzahl der berechenbaren Eigenfrequenzen.
Nennen Sie drei Wirkprinzipien für elektroakustische Wandler!
Elektrodynamisch
Piezoelektrisch
Elektrostatisch
Skizzieren Sie den theoretischen Frequenzgang eines Kondensatormikrofons und benennen Sie charakteristische Frequenzen!
Skizzieren Sie den theoretischen Frequenzgang eines elektrodynamischen Mikrofons und benennen Sie charakteristische Frequenzen!
Was ist die Ursache für Knickfrequenz und Resonanzfrequenz beim Kondensatormikrofon?
Die Knick- und Resonanzfrequenzen entstehen beim Kondensatormikrofon durch das elektrische Knick- und mechanische Resonanzverhalten.
Was ist der Unterschied zwischen einem Elektret- und einem Kondensatormikrofon?
Elektretmikrofone sind vergleichbar mit einem Niederspannungskondensatormikrofon. Sie benötigen lediglich eine Spannung von 1,5 Volt statt den üblichen 48 Volt normaler Mikrofone und finden somit breite Anwendung in jedem modernen Kommunikationsmittel.
Wofür steht das Akronym MEMS?
Micro-Electro-Mechanical Systems – Mikrosysteme
Ergänzen Sie in der Abbildung die Bestandteile des elektrodynamischen Lautsprechers!
Nach welchem Prinzip arbeiten optische Mikrofone, was ist ihr Vorteil und wo werden sie eingesetzt?
Vorteil: keine Beeinflussung eines elektrischen Feldes (Licht als Signal leitendes Medium über Lichtwellenleiter)
Einsatzgebiete: Expolsionsgefährdete Bereiche, Einsatz in Kernspintomographen, Elektromagnetische Laboratorien
Was ist der Unterschied zwischen einem zeitkontinuierlichen und einem zeitdiskreten System? Zeichnen Sie jeweils die Schaubilder!
Quelle: T. Frey et al., Signal- und Systemtheorie; https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/978-3-322-96727-5_1
Geben Sie die Definition des zeitdiskreten Einheitsimpuls und der Sprungfolge an. Zeichnen Sie beide!
Quelle: https://www.mathematik.uni-marburg.de/~thormae/lectures/mmk/mmk_3_1_ger_web.html#1
Wie lässt sich das Ausgangssignal eines digitalen Systems bei Anregung durch ein beliebiges Eingangssignal mit Hilfe der Impulsantwort beschreiben?
Was versteht man unter dem Linearitätsprinzip und Zeitinvarianz im Zusammenhang mit digitalen Systemen?
Ein System ist zeitinvariant, wenn die Parameter zur mathematischen Beschreibung zeitlich unverändert bleiben. Es zeigt sich folglich zu jeder Zeit das gleiche Verhalten.
Ein Übertragungssytem ist linear, wenn für beliebige Eingangsgrößen sowohl das Verstärkungs- als auch das Überlagerungsprinzip gelten.
Was versteht man unter der Impulsantwort eines Systems?
Die Impulsantwort ist das Ausgangssignal eines Systems, dem ein (Dirac-) Impuls zugeführt wurde. Der Frequenzgang / die Übertragungsfunktion eines linearen zeitdiskreten Systems kann so mittels Fourier-Analyse ermittelt werden.
Bei der Sprungantwort wird das Ausgangssignal nach zugeführter Sprungfunktion (Heaviside) beobachtet.
Geben Sie die Formel für die zeitdiskrete Faltung an!
Was ist die Funktion eines Filters?
Ein Filter dient dazu, aus einer Gesamtheit an Signalen frequenzselektiv ein bestimmtes Signal zu isolieren.
Was versteht man unter einem FIR-System? Zeichnen Sie das Blockschaltbild!
Ein FIR-Filter ist ein Filter mit endlicher Impulsantwort. Sie können demzufolge nie instabil und zu selbstständigen Schwingungen angeregt werden. Ein FIR-Filter ist ein nichtrekursives System!
Was versteht man unter einem IIR-System? Zeichnen Sie das Blockschaltbild!
Ein IIR-Filter ist ein Filter mit unendlicher Impulsantwort. Es findet eine Rückkopplung und Gewichtung des Ausgangssignals statt.
Was versteht man unter dem komplexen Frequenzgang?
Geben Sie die Formel für die zeitdiskrete Fouriertransformation an!
Was gilt für die Eingangs-/ Ausgangsbeschreibung von Systemen im Frequenzbereich?
Ausgangssignal: Aus der diskreten Faltung im Zeitbereich wird das Produkt der Fouriertransformierten im Frequenzbereich.
Welche Operation im Zeitbereich entspricht einer Multiplikation im Frequenzbereich?
Zeichnen Sie das Blockschaltbild für die adaptive Systemidentifikation und benennen Sie die Größen!
Das Ausgangssignal des unbekannten Systems soll durch den adaptiven Filter nachgebildet werden, um somit das System identifizieren zu können. Das adaptive System wird so berechnet (eingestellt), dass die Energie des Differenzsignals minimiert wird.
Zeichnen Sie das Blockschaltbild für die adaptive lineare Approximation (ALP) durch ein adaptives Filter und benennen Sie die Größen! „Adaptive Lineare Prädiktion“
Aus den vergangenen Werten von x(n) soll ein Schätzwert für ein zukünftiges x(n) erzeugt werden.
Wie lautet die Gleichung für den Prädiktionsfehler bei der ALP?
Welche Kostenfunktion wird bei der ALP mit der Wiener-Hopf-Gleichung minimiert?
Wozu dient die ALP mit der Wiener-Hopf-Gleichung?
Mittels eines Algorithmus werden die Eingangssignale des adaptiven Systems vorhergesagt und so die Koeffizienten des Systems kalibriert.
Wie lautet die Formel für das LMS-Verfahren?
Welche vereinfachte Kostenfunktion wird beim LMS-Verfahren minimiert?
Zeichnen Sie das Blockschaltbild für den FxLMS Algorithmus!
Nennen Sie den Unterschied zwischen Standard-LMS uns Normalized LMS (NLMS)!
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