Das ReMech-Labor bietet ab dem Sommersemester 2021 das Wahlpflichtmodul Modellbasierter Entwurf mechatronischer Systeme (kurz: MEMS) für Studierende des Masterstudiengangs Maschinenbau / Smart Systems der Fakultät 09 an. Das Modulkonzept wurde von Prof. Dr. Mohieddine Jelali in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern Manuel Widdel und Robert Rosenthal ausgearbeitet, um interessierten Studierenden die Möglichkeit zu bieten, sich in den Entwurf und die Analyse von mechatronischen Systemen einzuarbeiten.

Was ist Mechatronik?

Die Mechatronik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das Inhalte aus den Bereichen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik, der Informatik, der Simulationstechnik und der Regelungstechnik vereint. Sie befasst sich mit der Entwicklung von technischen Systemen, die über mechanische, hydraulische, elektrische und informationsverarbeitende Komponenten verfügen. 

Was bietet das Modul? Wie ist es aufgebaut?

Das Modul MEMS soll einen kleinen aber intensiven Einblick in alle fünf dieser Fachgebiete bieten. Durch eine ausgewogene Kombination von Theorie und Praxis in Form einer Vorlesung und eines freiwilligen Projekts wird die gelernte Materie direkt praxisnah angewendet. Im Verlauf des Semesters wechseln sich die Vorlesungsveranstaltungen mit den Praxis-Terminen wöchentlich ab.

Gemäß Modulhandbuch werden die Learning Outcomes wie folgt definiert:


„Die Studierenden können mechatronische Systeme, insbesondere modellbasierte Regelungen entwerfen sowie in einer modernen CAE/Software-Plattform simulieren und realisieren, indem sie Systemmodelle mit Hilfe der Methoden zur Modellidentifikation aus Daten ableiten und Verfahren der modellprädiktiven Regelung anwenden, die vorausschauend mit komplexen (Mehrgrößen-)Systemen mit dominanten Totzeiten und Nichtlinearitäten umgehen können, sowie in Rapid-Prototyping-Plattform umsetzen, um später selbstoptimierende Maschinen und Anlagen entwickeln und realisieren zu können.“

Welche Themen werden in der Veranstaltung vermittelt?

MEMS steht für „Modellbasierter Entwurf mechatronischer Systeme“. Modellbasiert bedeutet in diesem Kontext, dass für die Umsetzung einer mechatronischen Aufgabenstellung mit mathematischen Modellen von realen Systemen gearbeitet wird. Für die Herleitung dieser Modelle wird in der Vorlesung zunächst das Prinzip der Lagrange’schen Bewegungsgleichungen gelehrt. Darauf aufbauend gibt es eine Einführung in die Grundprinzipien der Kinematik und Kinetik.

Zu jedem mathematischen Modell gehören Parameter. Diese zu bestimmen und zu identifizieren ist das Thema der dritten Theorie-Einheit. Die darauffolgende Vorlesung zur digitalen Regelungstechnik vermittelt die Methoden zu realen Umsetzung digitaler Regler. Anschließend folgen noch ein Überblick über erweiterte Regelungskonzepte sowie eine Einführung in die Regelung im Zeitbereich, die sogenannte Zustandsregelung.

Worum geht es im Projekt?

Als vorlesungsbegleitendes Projekt wird an einem realen Versuchsaufbau von Grund auf eine Regelung entworfen und umgesetzt. Dabei handelt es sich um ein Wippe-Ball-System, welches durch ein Gleichstrommotor angetrieben wird. Die Kugel verfügt über alle Freiheitsgrade und kann durch die Auslenkung der Wippe hin und her rollen.

Das Ziel des Projektes ist es, für die Wippe ein mathematisches Modell zu entwickeln und dessen Parameter zu identifizieren. Im Anschluss erfolgt der Entwurf einer Positionsregelung für die Kugel, so dass die Kugelposition auf der Wippe beliebig vorgegeben und gehalten werden kann.