| Inhalt | 10 |
| 1 Einleitung und Grundbegriffe | 14 |
| 1.1 Grundbegriffe der Mechatronik | 14 |
| 1.2 Prozessanalyse mechatronischer Systeme | 17 |
| 1.3 Modellbildung und Funktionsbegriff in der Mechatronik | 22 |
| 1.4 Entwurf mechatronischer Systeme | 25 |
| 1.5 Gliederung des Buches | 28 |
| 2 Aktoren | 30 |
| 2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Aktoren | 31 |
| 2.2 Aufbau und Wirkprinzipien elektromagnetischer Aktoren | 35 |
| 2.2.1 Grundlagen elektrodynamischer Wandler | 36 |
| 2.2.2 Bauformen elektrodynamischer Wandler | 40 |
| 2.2.3 Grundlagen elektromagnetischer Wandler | 43 |
| 2.2.4 Bauformen elektromagentischer Wandler | 47 |
| 2.2.5 Ausführungen und Kenndaten elektromagnetischer Aktoren | 48 |
| 2.3 Fluidische Aktoren | 52 |
| 2.3.1 Gegenüberstellung von hydraulischen und pneumatischen Aktoren | 55 |
| 2.3.2 Grundlagen hydraulischer Wandler | 56 |
| 2.3.3 Ausführungsformen und Kenndaten hydraulischer Aktoren | 60 |
| 2.4 Neuartige Aktoren | 63 |
| 2.4.1 Grundlagen piezoelektrischer Wandler | 63 |
| 2.4.2 Ausführungsformen und Kenndaten piezoelektrischer Aktoren | 68 |
| 2.5 Vergleich ausgewählter Aktoren | 69 |
| 3 Sensoren | 72 |
| 3.1 Einführung und Begriffe | 73 |
| 3.2 Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Drehmoment und Druck | 81 |
| 3.2.1 Sensoren zur Messung von Dehnungen | 81 |
| 3.2.2 Auswertung von DMS und Kraftmessung | 85 |
| 3.2.3 Weitere Sensoren zur Kraft- und Druckmessung | 87 |
| 3.3 Sensoren zur Messung von Weg- und Winkelgrößen | 92 |
| 3.3.1 Potentiometrische Verfahren | 92 |
| 3.3.2 Photoelektrische Messgeräte | 94 |
| 3.3.3 Längen- und Winkelmessung durch Nutzung magnetischer Prinzipien | 104 |
| 3.3.4 Optische Triangulation | 114 |
| 3.4 Geschwindigkeits- und Winkelgeschwindigkeitssensoren | 116 |
| 3.4.1 Tachogeneratoren | 117 |
| 3.4.2 Drehratensensoren | 118 |
| 3.4.3 Laservibrometer | 119 |
| 3.5 Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungssensoren | 120 |
| 3.5.1 Beschleunigungssysteme basierend auf dem Feder-Masse-Prinzip | 120 |
| 3.5.2 Ferraris-Sensor | 124 |
| 3.5.3 Beschleunigungssensor mit magnetischer Wandlung | 124 |
| 3.5.4 Weitere Beschleunigungssensorprinzipien | 125 |
| 3.6 Sensoren zur Messung von Temperatur und Strömung | 126 |
| 3.6.1 Thermistoren | 126 |
| 3.6.2 Thermoelemente | 129 |
| 3.6.3 Sensoren zur Strömungsmessung: Hitzdrahtanemometer | 130 |
| 3.7 Ausblick auf weitere Sensoren | 131 |
| 4 Signalverarbeitung | 138 |
| 4.1 Darstellung von Signalen | 138 |
| 4.1.1 Signalklassen | 138 |
| 4.1.2 Verteilungs- und Verteilungsdichtefunktion | 140 |
| 4.1.3 Signalkennwerte und Signalkennfunktionen | 142 |
| 4.1.4 Formfiltersynthese | 150 |
| 4.1.5 Überlagerung von Signalen | 153 |
| 4.1.6 Zeitdiskrete Signale, periodische Abtastung | 157 |
| 4.1.7 Näherungsformeln und Rechenvorschriften | 160 |
| 4.2 Filtertechnologien | 165 |
| 4.2.1 Filter zur Signalverarbeitung | 165 |
| 4.2.2 Filter zur Erzeugung zeitlicher Ableitungen | 170 |
| 4.2.3 Optimale Filterung: Kalman-Filter | 173 |
| 4.2.4 Erweiterungen des Kalman-Filters | 180 |
| 5 Prozessdatenverarbeitung | 186 |
| 5.1 Begriffe der Echtzeitdatenverarbeitung | 187 |
| 5.2 Ereignisbehandlung | 188 |
| 5.3 Multitasking | 192 |
| 5.3.1 Prozesszustände | 192 |
| 5.3.2 Task-Einplanung und Schedulingstrategien | 196 |
| 5.3.3 Synchronisation von Prozessen | 200 |
| 5.3.4 Spezielle Hardware-Architekturen | 208 |
| 5.4 Echtzeitkonforme Netzwerke | 209 |
| 5.5 Bewertung von Echtzeitsystemen | 212 |
| 6 Modellbildung von Mehrkörpersystemen | 216 |
| 6.1 Kinematik von Mehrkörpersystemen | 218 |
| 6.1.1 Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen | 218 |
| 6.1.2 Beispiele für Rotationsmatrizen (Drehmatrizen) | 221 |
| 6.1.3 Homogene Koordinaten und homogene Transformationen | 224 |
| 6.1.4 Mechanische Ersatzsysteme mit Baumstruktur | 228 |
| 6.1.5 Direkte und inverse Kinematik | 231 |
| 6.1.6 Differentielle Kinematik und Jacobi-Matrix | 235 |
| 6.2 Kinetik von Mehrkörpersystemen | 238 |
| 6.2.1 Grundgleichungen für den starren Körper | 240 |
| 6.2.2 Newton-Euler-Methode | 244 |
| 6.2.3 Lagrange'sche Methode | 248 |
| 7 Systembeschreibung | 254 |
| 7.1 Lineare, zeitinvariante Systeme | 254 |
| 7.1.1 Klemmenmodell | 255 |
| 7.1.2 Zustandsraumdarstellung | 258 |
| 7.1.3 Stabilitätsbegriff | 263 |
| 7.1.4 Stabilitätskriterien – Systemmatrix | 266 |
| 7.1.5 Stabilitätskriterien – Übertragungsfunktion | 269 |
| 7.2 Modellvereinfachung und -reduktion | 274 |
| 7.2.1 Approximation | 275 |
| 7.2.2 Linearisierung | 278 |
| 7.2.3 Ordnungsreduktion | 282 |
| 7.3 Parameter- und Systemidentifikation | 287 |
| 7.3.1 Einführung in Schätzprobleme | 288 |
| 7.3.2 Prozess zur Identifikation | 292 |
| 7.3.3 Identifikation parametrischer, linearer, zeitdiskreter Systeme | 294 |
| 7.4 Aspekte der Identifikation in der Praxis | 302 |
| 7.4.1 Datenvorverarbeitung | 302 |
| 7.4.2 Bestimmung der Modellordnung | 303 |
| 7.4.3 Identifizierbarkeit und Anregung | 308 |
| 7.4.4 Identifikation im geschlossenen Regelkreis | 312 |
| 7.4.5 Identifikation kontinuierlicher Systeme | 314 |
| 7.4.6 Parameteridentifikation mechatronischer Systeme | 318 |
| 8 Regelung | 322 |
| 8.1 Entwurfsziele und Grundlagen | 323 |
| 8.1.1 Bewertungskriterien | 324 |
| 8.1.2 Empfindlichkeitsfunktionen und Entwurfslimitierungen | 327 |
| 8.2 Klassische Regelung linearer Systeme | 337 |
| 8.2.1 PID-Regler | 337 |
| 8.2.2 Auslegungsverfahren | 339 |
| 8.3 Zustandsregelung | 345 |
| 8.3.1 Einführung in die Zustandsregelung | 345 |
| 8.3.2 Beobachter und beobachtergestützte Regelung | 349 |
| 8.4 Optimale und robuste Regelung | 354 |
| 8.4.1 Optimale Regelung mit quadratischem Gütemaß | 355 |
| 8.4.2 Robuste Regelung (H2-, H-Regelung) | 362 |
| 8.5 Digitale Regelung (Abtastregelung) | 370 |
| 8.5.1 Zeitdiskrete Systembeschreibung | 371 |
| 8.5.2 Entwurf und Implementierung digitaler Regelungen | 383 |
| 8.6 Ausblick: Weitere Regelungsverfahren | 397 |
| 9 Beispiele mechatronischer Systeme | 400 |
| A Mathematische Grundlagen | 404 |
| A.1 Integraltransformationen | 404 |
| A.1.1 Laplace-Transformation | 404 |
| A.1.2 Fourier-Transformation | 405 |
| A.1.3 Z-Transformation | 407 |
| A.1.4 Korrespondenztabellen und deren Anwendung | 408 |
| A.2 Matrizenrechnung | 410 |
| A.2.1 Begriffe und einfache Rechenregeln | 410 |
| A.2.2 Eigenwerte, Eigenvektoren | 411 |
| A.2.3 Ähnlichkeitstransformation (Hauptachsentransformation) | 412 |
| A.2.4 Normen | 413 |
| A.2.5 Lineare Gleichungssysteme und Singulärwertzerlegung | 415 |
| A.3 Lineare, zeitinvariante dynamische Systeme | 417 |
| Formelzeichen und Abkürzungen | 420 |
| Literatur | 428 |
| Index | 438 |
