Berichte der Arbeitsgruppe Technomathematik (AGTM Report)
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Faculty / Organisational entity
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Nähen als dynamisches System
(1989)
Das Nähen und die Nähmaschine sind seit über hundert Jahren nahezu unverändert geblieben. Die Nähgeschwindigkeiten wurden gesteigert, der Nähvorgang automatisiert, aber das Prinzip ist gleichgeblieben.; Das entscheidende Problem beim Nähen ist die Erzeugung eines gut sitzenden Knotens. Um diesen Knoten zu bilden, wird der Oberfaden vom Greifer erfaßt und um den Unterfaden herumgeführt. Die Fadenführung mit beweglichen und festen Umlenkungen muß jetzt dafür sorgen, daß immer genügend Faden vorhanden ist, daß der Faden im Moment der Knotenbildung fest angezogen wird, aber muß verhindern, daß der Faden reißt.
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Behandlung Differential-Algebraischer Gleichungen (DAE" s). DAE" s treten beispielsweise bei der Modellierung der Dynamik mechanischer System, der Schaltkreissimulation sowie der chemischen Reaktionskinetik auf. Es werden Rosenbrock-Wanner ähnliche Verfahren zu deren Lösung hergeleitet und an technischen Modellen (Fahrzeugachse und Verstärker) getestet.
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Zeitreihen und Modalanalyse
(1987)
Die Arbeit ist zu verstehen als ein Teil im großen Projekt der Universität Kaiserslautern, das sich unter dem Namen Technomathematik um die dringend erforderliche Verständigung zwischen Technik und Mathematik bemüht.; Der große Leitfaden war das Buch von Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse, Schilderung der wesentlichen dort verwendeten Ideen der indirekten Systemidentifikation sowie des wahrscheinlichkeitstheoretischen und physikalisch-technischen Hintergrundes.
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Bei einem von VDO entwickelten Navigationsgerät stehen unterschiedliche Verfahren zur Durchführung der Navigation zur Verfügung. Das Problem besteht darin, daß die von dem jeweiligen Verfahren erzielten Navigationsendpunkte von dem gewünschten Ziel mehr oder weniger stark abweichen. Diese Abweichungen hängen nicht nur von Anfangs- und Endpunkt der Testfahrt und vom Navigationsverfahren ab, sondern ändern sich auch bei der Wiederholung solcher Testfahrten. Ordnet man nun jedem Navigationsverfahren einen Parameter (vektor) zu und bezeichnet man die Menge aller betrachteten Parameter (werte) mit M (M kann zunächst endlich oder unendlich sein), so besteht das Ziel darin, den Parameter p*EM aufzufinden, für den das zugehörige Verfahren im Mittel am besten abschneidet. Hierzu ist es notwendig, zunächst ein Gütekriterium festzulegen.
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Identifikation von Amplituden und Phasensprüngen im Intensitätsverlauf eines Nd-Yag Festkörperlasers
(1987)
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Die Aufgabe dieses Projektes ist die Untersuchung des Schallfeldes, das sich in einem geschlossenen Quader bei Erregung durch eine punktförmige Schallquelle einstellt. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Wechselwirkung zwischen dem Schallfeld und den Quaderplatten, die zu Schwingungen angeregt werden und so dem Schallfeld Energie entziehen. Der Zweck dieser Untersuchung ist, Erkenntnisse für die Berechnung des Innendrucks zu Fahrzeugkarosserien zu gewinnen. Dies muß bei der Dimensionierung des Quaders und bei der Wahl des Plattenmaterials berücksichtigt werden. Numerische Berechnungen des Schalldrucks in einem Quader wurden beispielsweise in [1] durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, daß zwei Arten von Resonanzen auftreten: Zum einen Strukturresonanzen, die durch Eigenschwingungen der Wände hervorgerufen werden und die von den Wandabmessungen und dem Plattenmaterial abhängen, zum anderen Hohlraumresonanzen, die auftreten, wenn die Luftwellenlänge in einem geeigneten Verhältnis zu den Abmessungen des Hohlraums steht. Es ist sehr zweifelhaft, welche Rückschlüsse gezogen werden können von den numerischen Resultaten in [1] auf kompliziertere Geometrien, wie sie bei Fahrzeugkarosserien vorliegen. Eine tiefere Einsicht in die Kopplung zwischen Schallfeld und Plattenschwingungen vor allem in den Resonanzbereichen ist nur zu erwarten, wenn die Berechnung dieser Wechselwirkung weitgehend analytisch durchgeführt wird. Eine solche analytische Berechnung ist das Ziel dieses Projektes.
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Algorithmus von Kalman zur Schätzung von gegenwärtigen und zukünftigen Zuständen in zeitdiskreten dynamischen Systemen. In der Literatur ist dieser Algorithmus allgemein als Kalman-Filter bekannt. Im Vordergrund der Betrachtungen stehen dabei die Schätzfehler des Kalman-Filters, insbesondere für den Fall, daß das benutzte Modell nicht mit dem realen System übereinstimmt. Es wird der Frage nachgegangen, welche Einflüsse die Modellfehler auf die Schätzfehler des Kalman-Filters haben. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt, den man bei der Anwendung des Kalman-Filters beachten sollte, da man i.a. nicht davon ausgehen kann, daß Modell und reales System übereinstimmen.; Um diese Fragestellung stärker zu motivieren, werden im nächsten Abschnitt ein paar allgemeine Überlegungen zur Modellbildung angestellt. Danach werden einige Modelle zur Behandlung von Zeitreihen angesprochen. Zur Hinführung auf den Kalman-Filter wird dann in Kapital 2 das Problem des Schätzens etwas allgemeiner behandelt. In Kapitel 3 erfolgt dann eine Herleitung des Kalman-Filters und die Untersuchung der Fehlerprozesse für den Fall, daß Modell und reales System übereinstimmen. Da für die zeitliche Entwicklung der Fehlerprozesse die Stabilität des Kalman-Filters von Bedeutung ist, wird auch diese besprochen. In Kapitel 4 werden schließlich die Fehlerprozesse für den Fall behandelt, daß Modell und reales System nicht übereinstimmen.
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Bei den bisherigen Untersuchungen auf dem Gebiet der passiven Solarnutzung mit speicherfähigen gemauerten Ziegelwänden stellte sich heraus, daß direkt im Strahlengang der Sonnenstrahlung liegende Wandbauteile keine ausreichende Speicherwirkung haben. Ausreichend heißt: Schnelle Wärmeabführung in eine Wärmesenke, ausreichende Speicherkapazität als Tagesspeicher. Abhilfe schaffen hier Latentspeicher oder großvolumige Wasserspeicher. In unserem konkreten Fall stand ein Texxor-Latentspeicher mit 2 l Inhalt und 100 Wh Kapazität bei 27oC in einem Poroton-Formstein zur Verfügung.
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Das Designproblem eines Kanals mit parallel eingeblasener Luft war der Ausgangspunkt für diese Untersuchung. Um ein Gefühl für das Verhalten von Strömungen in einem Kanal gemäß Abb. 1 zu bekommen, sollte von uns ein Verfahren entwickelt werden, welches für folgende Geometrie die relevanten strömungsdynamischen Daten liefert.; Durch die Schlitzdüsen wird Luft mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen. Für die sich dann einstellende quasistationäre Strömung im Kanal K soll die Entwicklung der Geschwindigkeitsprofile in Abhängigkeit vom Abstand zum Schlitz berechnet und die strömungsdynamischen Größen abgeleitet werden. Von besonderem Interesse sind hier der Druckverlauf, der Impulsverlust und die Wandschubspannung sowie die sich daraus ergebende mittlere Ansauggeschwindigkeit. Dabei sollen Geometrie, Einblasgeschwindigkeit sowie die Wandrauhigkeit variabel gehalten werden. Auf Grund von Experimenten erwartet man qualitativ etwa folgende Profile: Abb. 2