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Wireless sensor networks have found their way into a wide range of applications among which environmental monitoring systems have attracted increasing interests of researchers. The main challenges for the applications are scalability of the network size and energy efficiency of the spatially distributed motes. These devices are mostly battery-powered and spend most of their energy budget on the radio transceiver module. A so-called Wake-On-Radio (WOR) technology can be used to achieve a reasonable balance among power consumption, range, complexity and response time. In this paper, a novel design for integration of WOR into IEEE802.1.5.4 is presented, which flexibly allows trade-offs in energy consumption between sender and receiver station, between real-time capability and energy consumption. For identical behavior, the proposed scheme is significantly more efficient than other schemes, which were proposed in recent publications, while preserving backward compatibility with standard IEEE802.15.4 transceivers.
„Was ich in der deutschen Debatte nie verstehen werde, ist, warum am Ende so viel mehr Bereitschaft da ist, Apple, Google, Facebook oder auch Alibaba die eigenen persönlichen Daten jeden Tag zur Verfügung zu stellen, als dann, wenn der eigene Staat einen Rahmen dafür setzt, Daten zum Wohle des Einzelnen - anonymisiert oder pseudonymisiert - zur Forschung und zum Mehrwert für alle Patientinnen und Patienten zu nutzen. Dann gibt es so ein Grundmisstrauen. Solange das so ist und es ein Grundvertrauen in amerikanische Großkonzerne und ein Grundmisstrauen in den eigenen Staat gibt, werden wir in der Digitalisierung nicht vorankommen.“ Mit diesem Appell warnte der Bundesgesundheitsminister Jens Spahn am 3. Juli 2020 vor dem Setzen falscher Prioritäten beim Datenschutz, im Rahmen der von ihm forcierten Digitalisierung im Gesundheitswesen. Diese von ihm kritisierte Inkonsequenz betrifft in Teilen auch den Autor dieser Arbeit. So hat dieser bei seinem letzten Arztbesuch die ausgehändigte „Patienteninformation zum Datenschutz“ erstmals kritisch beäugt und sich Gedanken darüber gemacht, ob der Arzt den alten Praxiscomputer ausreichend vor unberechtigtem Zugriff auf seine Daten schützt. Weniger Bedenken hingegen hat er, während er im Wartezimmer am Smartphone durch die sozialen Netzwerke stöbert und hierbei seine persönlichen Daten in sozialen Netzwerken preisgibt, deren Firmensitze teilweise sogar im Ausland liegen. Dass nicht nur der Autor von der Datenverarbeitung im digitalen Zeitalter betroffen ist, zeigt die „ARD/ZDF-Onlinestudie 2020“, nach der mittlerweile über 90% der deutschen Bevölkerung online sind und ein Viertel der Gesamtbevölkerung regelmäßig soziale Netzwerke nutzt. Doch nicht nur beim Arztbesuch, sondern auch im alltäglichen Leben gewinnt das Thema Datenschutz im E-Health-Bereich eine immer bedeutender werdende Rolle. Im pandemiegeprägten Jahr 2020 wurde zur Einführung der Corona-Warn-App über die digitale Datenverarbeitung im Gesundheitswesen kontrovers diskutiert. Kritiker bemängelten die staatliche Kontrolle, während Befürworter die Effektivität der App zur Pandemiebekämpfung mittels Nachverfolgung sowie die hohen Datenschutzstandards hervorheben.
Das Projekt Yaffa "Yeast Analysis by Field Flow Fractionation" ist ein Verbundprojekt der Hochschule Offenburg und der Hochschule Wiesbaden in Kooperation mit der Forschungsanstalt Geisenheim, der Université Limoges, mehreren Industriepartnern der Weinbaubranche sowie der Postnova Analytics GmbH. Ziel ist es, für die Weinherstellung ein praxistaugliches und wirtschafltiches Analyseverfahren mit Feldflussfraktionierung zu entwickeln. Das Analyseverfahren soll zur Qualitätsüberwachung des Weinfermetationsprozesses eingesetzt werden, wodurch z. B. Gärstörungen rechtzeitig erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Der Fernsehmarkt im Bereich Live-Sport hat sich in den letzten Jahren verändert. Wir erleben das Vordringen eines neuen Mediums in den Sportsektor. Streaming-Plattformen etablierten sich bereits in den frühen 2010er Jahren in der Gesellschaft. Online-Plattformen, mit Fokus auf Unterhaltungsformate wie Filmen und Serien, stellen eine moderne Form der heutzutage bereits fast ausgestorbenen Video-Mediatheken dar. Doch auch der Sport und vor allem der Fußball erweist sich als interessantes Produkt für die Online-Streaming-Anbieter. Fußball wird in der heutigen Zeit nicht mehr nur im klassischen, linearen Fernsehen konsumiert, sondern auch im Internet. Dabei zeichnen sich signifikante Unterschiede zwischen den beiden Medienkanälen ab. Im Laufe der Zeit kommt es vor, dass ein altes Medium von einem neuen Medium komplett verdrängt oder in den Hintergrund gerückt wird. Das Radio nimmt beispielsweise in der heutigen Zeit eine komplett andere Rolle ein als noch vor 80 Jahren. Es wird in gewisser Weise vom Fernsehen abgelöst und muss sich neu positionieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu klären, ob eine ähnliche Entwicklung auch für den Sport- Fernsehmarkt denkbar ist. Außerdem soll die aktuelle Marktsituation analysiert und das Konsumverhalten der Menschen erleuchtet werden. Hinzu kommt eine qualitative Befragung, die neue Aspekte zur Forschung liefern soll. Basierend auf dieser Analyse und auf einer empirischen Datenerhebung, soll eine Prognose für die Zukunft getroffen werden.
Leadgenerierung durch Marketing Automation im Vorfeld einer Messe am Beispiel der Firma SensoPart
(2023)
This master’s thesis presents a comprehensive report on a research project carried out in collaboration with SensoPart, a prominent manufacturer of sensors for industrial automation processes. The study focuses on the strategic planning, execution and analysis of a targeted lead generation campaign to support SensoParts participation in a major automation themed trade show. The decision-making process and different approaches used throughout the project are explained in a well-founded way, allowing the reader to understand the underlying thoughts and strategies. In addition, the elements of the campaign, including visuals such as images, graphs and key statistics, are presented to enhance understanding.
An international study summarizes the threat situation in the OT environment under the heading "Growing security threats" [1]. According to this study, attacks on automation systems are likely to increase in the future. Accordingly, an automation system must be able to protect the integrity of the transmitted information in the future. This requirement is motivated, among other things, by the fact that the network-side isolation of industrial communication systems is no longer considered sufficient as the sole protective measure. This paper uses the example of PROFINET to show how the future requirements for a real-time communication protocol can be met and how they can be derived from the IEC 62443 standard.
We have developed a methodology for the systematic generation of a large image dataset of macerated wood references, which we used to generate image data for nine hardwood genera. This is the basis for a substantial approach to automate, for the first time, the identification of hardwood species in microscopic images of fibrous materials by deep learning. Our methodology includes a flexible pipeline for easy annotation of vessel elements. We compare the performance of different neural network architectures and hyperparameters. Our proposed method performs similarly well to human experts. In the future, this will improve controls on global wood fiber product flows to protect forests.
A prototype multiwavelength sensor able to characterise soot emissions in Diesel exhaust in terms of size and concentration has been tested against other methods for diesel particle measurements like electrical mobility sizing (SMPS) and raw exhaust gravimetric sampling (RES). Measurements carried out with the prototype sensor were correlated with the SMPS by assuming spherical and/or fractal aggregate morphology of the particles. Correlation of RES gravimetric data against the sensor and the SMPS led to the calculation of the solid density for soot particles to be 2.3 gr/cm3.
We propose secure multi-party computation techniques for the distributed computation of the average using a privacy-preserving extension of gossip algorithms. While recently there has been mainly research on the side of gossip algorithms (GA) for data aggregation itself, to the best of our knowledge, the aforementioned research line does not take into consideration the privacy of the entities involved. More concretely, it is our objective to not reveal a node's private input value to any other node in the network, while still computing the average in a fully-decentralized fashion. Not revealing in our setting means that an attacker gains only minor advantage when guessing a node's private input value. We precisely quantify an attacker's advantage when guessing - as a mean for the level of data privacy leakage of a node's contribution. Our results show that by perturbing the input values of each participating node with pseudo-random noise with appropriate statistical properties (i) only a minor and configurable leakage of private information is revealed, by at the same time (ii) providing a good average approximation at each node. Our approach can be applied to a decentralized prosumer market, in which participants act as energy consumers or producers or both, referred to as prosumers.
In this study, a high-performance controller is proposed for single-phase grid-tied energy storage systems (ESSs). To control power factor and current harmonics and manage time-shifting of energy, the ESS is required to have low steady-state error and fast transient response. It is well known that fast controllers often lack the required steady-state accuracy and trade-off is inevitable. A hybrid control system is therefore presented that combines a simple yet fast proportional derivative controller with a repetitive controller which is a type of learning controller with small steady-state error, suitable for applications with periodic grid current harmonic waveforms. This results in an improved system with distortion-free, high power factor grid current. The proposed controller model is developed and design parameters are presented. The stability analysis for the proposed system is provided and the theoretical analysis is verified through stability, transient and steady-state simulations.
Das Thema Elektromobilität wird immer wichtiger, was unter anderem durch den Ausbau eines kabelgebunden Ladenetzes deutlich wird. Aber auch die Entwicklung berührungsloser Ladetechnologien schreitet voran. So existieren bereits zahlreiche Projekte, die das Laden von Elektrofahrzeugen untersuchen. Untersucht wird hierbei das induktive statische sowie induktive dynamische Laden. In Norwegen, als einer der am schnellsten wachsenden Märkte in Bezug auf die Elektromobilität, wurde im Rahmen dieser Entwicklungsarbeit im Jahr 2020 ein Projekt initiiert, welches das berührungslose Laden mittels Induktion in der Praxis untersucht.
Da die Elektromobilität auch regional ein wichtiges Thema ist und weiter voran gebracht wird, brachte das Induktionsprojekt aus Norwegen den Anstoß, ein derartiges Vorhaben in Offenburg zu initiieren. Ziel des Vorhabens ist dabei, an Taxiständen am Offenburger Bahnhof eine Infrastruktur für induktiv ladbare Taxen aufzubauen, damit Elektro-Taxen während sie auf Kunden warten, kabellos aufgeladen werden können. Da die Durchführung eines solchen Projekts möglicherweise sehr teuer ist, ist es sinnvoll zunächst zu überprüfen, ob einem derartigen Vorhaben etwas im Wege steht.
Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit im Rahmen einer vorläufigen Machbarkeitsstudie die Frage zu erörtern, ob das Induktionsprojekt am Standort Offenburg eine detaillierte Machbarkeitsstudie rechtfertigt oder nicht und aufzuzeigen, welche noch zu klärenden Punkte es gibt.
Aus diesem Grund wurden sechs Bereiche einer Machbarkeitsstudie zur Analyse ausgewählt. Dabei wurden unter anderem die Themen Standortanalyse, Stakeholderanalyse oder die Technische Machbarkeit bearbeitet. Zur Veranschaulichung des Schwerpunkts des jeweiligen Analysebereichs, wurde zu Beginn jeden Analysebereichs eine oder mehrere Leitfragen gestellt. Weiterhin erfolgte eine Maßnahmenplanung, die den Erfolg des Projekts fördern könnte.
Das Ergebnis der vorläufigen Machbarkeitsstudie zeigt, dass keine Notwendigkeit zu einer detaillierten Machbarkeitsstudie besteht. Stattdessen könnte das Projekt direkt in die Projektvorbereitungs- bzw. Planungsphase übergehen, da über die wichtigsten Analysebereiche ausreichend Informationen gewonnen werden konnten und zu klärende Fragen aufgezeigt wurden. In einem nächsten Schritt könnte nun die konkrete Öffentlichkeitsarbeit und die Umsetzung der Maßnahmen durchgeführt werden.
Die Analytik von Pflanzenkohle ist besonders im Hinblick auf einen möglichen Einsatz in der Landwirtschaft als Düngemittel Ersatz wichtig, da bei der Herstellung krebserregende polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen. Die PAK-Analytik bietet die Möglichkeit zu überprüfen und zu kontrollieren, wie viel belastetes Material auf diese Weise in die Umwelt eingeführt wird. In dieser Arbeit werden mögliche Methoden zur Extraktion und Analyse im Hinblick auf einen Schnelltest mit der bestehenden Methode bestehend aus Soxhlet-Extraktion und GC-MS Analyse verglichen. Untersucht werden die 16 EPA-PAK. Ein Schnelltest würde den Herstellern von Pflanzenkohle eine günstigere und engmaschigere Überwachung ihrer Produkte bieten.
Für die Extraktion wurden Ultraschallbad, Schüttler und Mikrowelle getestet, sowie verschiedene grüne Lösemittel als mögliche Alternativen zum momentan verwendeten Toluol. Die Extraktion mit 6 h Ultraschallbad hat mit 64% im Verhältnis zur Soxhlet am besten abgeschnitten. Bei dem Vergleich zweier Ultraschallbad-Extrakte mit den Soxhlet-Referenzen wurden jedoch 43 % und 93 % für die Summe der 16 EPA PAK gemessen. Die Methode bedarf also weiterer Untersuchungen.
Für die Analyse wurde HPTLC mit RP-18 Platten und einem Acetonitril-Wasser-Gemisch als mobile Phase getestet. Es wurden drei mögliche Methoden für die Gestaltung eines Schnelltestes getestet, ein Summenpeak mit allen 16 EPA-PAK und Naphthalin oder Benzo[a]pyren als Indikatorsubstanz. Aus diesen Versuchen geht das Standard-Additionsverfahren mit Benzo[a]pyren erfolgreich hervor, da die Ergebnisse durch die GC-MS-Analyse der gleichen Extrakte bestätigt werden konnten. Die Bestimmung von LOD und LOQ bestätigt, dass die Methode empfindlich genug ist, um den nötigen Messbereich erfassen zu können. Es wurden auch Versuche mit Coffein imprägnierten Platten durchgeführt. Diese Methode ist jedoch wegen der notwendigen Zweifachentwicklung deutlich aufwendiger und wurde daher nicht für die quantitativen Versuche gewählt.
Die Auswirkungen der Entlüftung auf den Spritzgießablauf, das Formteil sowie das Verhalten bei teilevakuierter Kavität wurden im Rahmen einer Diplomarbeit untersucht. Die negativen Folgen für Formteil, Werkzeug und Spritzgießablauf, die aus einer ungenügenden Werkzeugentlüftung resultieren, werden aufgezeigt. Die grundsätzlichen Gestaltungsmöglichkeiten von Werkzeugentlüftungen sind zusammengestellt. In Versuchsreihen wurde das Entlüftungsverhalten bei teilevakuierter Kavität bei konstantem Einspritzdruck untersucht sowie der Einfluß der Werkzeugentlüftung bei unterschiedlichen Spalttiefen des Entlüftungskanals ermittelt. Die wichtigsten Resultate und konstruktiven Auslegungskriterien bezüglich der Entlüftungselemente, des Einspritzens unter teilevakuierter Kavität und des Einflusses der Werkzeugentlüftung, welche aus den Untersuchungen im Rahmen der Diplomarbeit hervorgehen, sind zusammengefaßt.
Die Folgen ungenügender Entlüftung wurden durch Umfragen bei Konstrukteuren und Werkzeugmachern aus sechs Betrieben ermittelt und sind für Formteil, Werkzeug, Spritzgießprozeß ebenso tabellarisch wie die Gestaltungsmöglichkeiten von Entlüftungen (in der Trennebene und Kavität) dargestellt. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurden mit Hilfe eines speziellen Versuchswerkzeuges die Auswirkungen der Entlüftung auf den Spritzgießablauf, das Formteil und das Verhalten bei teilevakuierter Kavität (der Einfluß des Evakuierungsgrades auf die gemittelte Füllhöhe wird anhand einer Kurve erläutert) untersucht. Die Konstanz der Werkzeuginnendrücke, die Berechenbarkeit der Druckabfälle (Tabelle mit Druckabfällen in Abhängigkeit der Entlüftungsspaltgeometrie), die Entlüftungselemente (bewegliche haben den Vorzug der Selbstreinigung) und das Einspritzen unter teilevakuierter Kavität werden beschrieben. Der Einfluß der Werkzeugentlüftung umfaßt die Spalttiefe des Entlüftungskanals, die Größe des Expansionsraumes und den Anschluß an die Dichtkante des Expansionsraumes.
Time Sensitive Networking (TSN) provides mechanisms to enable deterministic and real-time networking in industrial networks. Configuration of these mechanisms is key to fully deploy and integrate TSN in the networks. The IEEE 802.1 Qcc standard has proposed different configuration models to implement a TSN configuration. Up until now, TSN and its configuration have been explored mostly for Ethernet-based industrial networks. However, they are still considered “work-in-progress” for wireless networks. This work focuses on the fully centralized model and describes a generic concept to enable the configuration of TSN mechanisms in wireless industrial networks. To this end, a configuration entity is implemented to conFigure the wireless end stations to satisfy their requirements. The proposed solution is then validated with the Digital Enhanced Cordless Telecommunication ultra-low energy (DECT ULE) wireless communication protocol.
Low latency communication is essential to enable mission-critical machine-type communication (mMTC) use cases in cellular networks. Factory and process automation are major areas that require such low latency communication. In this paper, we investigate the potential of adopting the semi-persistent scheduling (SPS) latency reduction technique in narrowband LTE (NB-LTE) networks and provide a comprehensive performance evaluation. First, we investigate and implement SPS in an open-source network simulator (NS3). We perform simulations with a focus on LTE-M and Narrowband IoT (NB-IoT) systems and evaluate the impact of the SPS technique on the uplink latency of these narrowband systems in real industrial automation scenarios. The performance gain of adopting SPS is analyzed and the results is compared with the legacy dynamic scheduling. Our results show that SPS has the potential to reduce the latency of cellular Internet of Things (cIoT) networks. We believe that SPS can be integrated into LTE-M and NB-IoT systems to support low-latency industrial applications.
Enabling ultra-low latency is one of the major drivers for the development of future cellular networks to support delay sensitive applications including factory automation, autonomous vehicles and tactile internet. Narrowband Internet of Things (NB-IoT) is a 3 rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 13 standardized cellular network currently optimized for massive Machine Type Communication (mMTC). To reduce the latency in cellular networks, 3GPP has proposed some latency reduction techniques that include Semi Persistent Scheduling (SPS) and short Transmission Time Interval (sTTI). In this paper, we investigate the potential of adopting both techniques in NB-IoT networks and provide a comprehensive performance evaluation. We firstly analyze these techniques and then implement them in an open-source network simulator (NS3). Simulations are performed with a focus on Cat-NB1 User Equipment (UE) category to evaluate the uplink user-plane latency. Our results show that SPS and sTTI have the potential to greatly reduce the latency in NB-IoT systems. We believe that both techniques can be integrated into NB-IoT systems to position NB-IoT as a preferred technology for low data rate Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) applications before 5G has been fully rolled out.
Digital networked communications are the key to all Internet-of-Things applications, especially to smart metering systems and the smart grid. In order to ensure a safe operation of systems and the privacy of users, the transport layer security (TLS) protocol, a mature and well standardized solution for secure communications, may be used. We implemented the TLS protocol in its latest version in a way suitable for embedded and resource-constrained systems. This paper outlines the challenges and opportunities of deploying TLS in smart metering and smart grid applications and presents performance results of our TLS implementation. Our analysis shows that given an appropriate implementation and configuration, deploying TLS in constrained smart metering systems is possible with acceptable overhead.
Die Firma HYDRO Systems KG ist ein weltweit anerkanntes Unternehmen für Luftfahrt-Bodengeräte. Um im Wettbewerb mithalten zu können und die weltweit führende Position im Bereich der Luftfahrt-Bodengeräte weiter ausbauen zu können, muss die Firma HYDRO Systems KG ihre Produkte ständig verbessern und ausbauen. Dazu zählt auch eine Neuentwicklung des Hebeadapters zur Anwendung bei dem Triebwerkswechselsystem COBRA.
Hebeadapter dienen als Verbindungsglied zwischen dem Hubsystem COBRA und den Trieb-werksständen. Sie sind zwingend notwendig um die Triebwerksstände für den Ein- und Ausbau der Triebwerke anheben zu können. Aktuell reicht die Vielfalt von Einschiebe-Adaptern über mehrteilige Adapter-Kits bis hin zu klappbaren Lösungen. Für viele Triebwerksstände gibt es bereits Lösungen, mit denen das Hubsystem COBRA mit dem Triebwerksstand verbunden werden kann. Jeder Hebeadapter kann für mehrere Kombinationen zwischen Triebwerk und Triebwerkstand benutzt werden, jedoch betrifft dies nur eine geringe Anzahl von Kombinationen pro Hebeadapter. Um diese Vielfalt einzugrenzen, muss eine Universallösung gefunden werden. Die Universallösung soll auch als Anreiz für Kunden dienen, da mit ihr sowohl die Familie A320 von Airbus, wie auch die Familie B737 von Boeing bedient werden können, die aktuell das Duopol im Bereich der Narrow-Body-Flugzeugtypen haben.
Diese Bachelor-Thesis beschäftigt sich deshalb mit der Entwicklung und Konstruktion eines universellen COBRA-Hebeadapters zur Anwendung an möglichst allen Flugzeugen des Typs Narrow-Body. Zur Beschreibung der Anforderungen an den Hebeadapter werden im Rahmen der Ausarbeitung Normen analysiert und dokumentiert, woraus wiederum eine Anforderungs-liste (Compliance Matrix) erstellt wird. Mithilfe der VDI-Richtlinie 2225 wird eine Variantenbewertung zu den Konzepten durchgeführt. Dadurch lässt sich die Beste der gefundenen Lösungen ermitteln. Ebenfalls wird eine Auswertung zur Universalität des Hebeadapters gefahren. Im Rahmen der Auswertung werden auch Kollisionsprüfungen aufgezeigt.
Diese Arbeit beschreibt darüber hinaus nicht nur das Ergebnis der Ausarbeitung; auch die nötigen Grundlagen werden erläutert, z. B. wie das Hubsystem COBRA funktioniert oder was Flugzeuge des Typs Narrow-Body ausmachen.
We consider the local group of agents for exchanging the time-series data value and computing the approximation of the mean value of all agents. An agent represented by a node knows all local neighbor nodes in the same group. The node has the contact information of other nodes in other groups. The nodes interact with each other in synchronous rounds to exchange the updated time-series data value using the random call communication model. The amount of data exchanged between agent-based sensors in the local group network affects the accuracy of the aggregation function results. At each time step, the agent-based sensor can update the input data value and send the updated data value to the group head node. The group head node sends the updated data value to all group members in the same group. Grouping nodes in peer-to-peer networks show an improvement in Mean Squared Error (MSE).
We consider large scale Peer-to-Peer Sensor Networks, which try to calculate and distribute the mean value of all sensor inputs. For this we design, simulate and evaluate distributed approximation algorithms which reduce the number of messages. The main difference of these algorithms is the underlying communication protocol which all use the random call model, where in discrete round model each node can call a random sensor node with uniform probability.The amount of data exchanged between sensor nodes and used in the calculation process affects the accuracy of the aggregation results leading to a trade-off situation. The key idea of our algorithms is to limit the sample size using the Finite Population Correction (FPC) method and collect the data using a distribution aggregation using Push-Pull Sampling, Pull Sampling, and Push Sampling communication protocols. It turns out that all methods show exponential improvement of Mean Squared Error (MSE) with the number of messages and rounds.
The interaction between agents in multiagent-based control systems requires peer to peer communication between agents avoiding central control. The sensor nodes represent agents and produce measurement data every time step. The nodes exchange time series data by using the peer to peer network in order to calculate an aggregation function for solving a problem cooperatively. We investigate the aggregation process of averaging data for time series data of nodes in a peer to peer network by using the grouping algorithm of Cichon et al. 2018. Nodes communicate whether data is new and map data values according to their sizes into a histogram. This map message consists of the subintervals and vectors for estimating the node joining and leaving the subinterval. At each time step, the nodes communicate with each other in synchronous rounds to exchange map messages until the network converges to a common map message. The node calculates the average value of time series data produced by all nodes in the network by using the histogram algorithm. The relative error for comparing the output of averaging time series data, and the ground truth of the average value in the network will decrease as the size of the network increases. We perform simulations which show that the approximate histograms method provides a reasonable approximation of time series data.
Im Beitrag wird gezeigt, wie sich die Ackermann’sche Formel zur Polvorgabe bei zeitkontinuierlichen
Ein- und Mehrgrößenzustandsregelungen in einfacher
Weise auf nicht vollständig steuerbare Regelstrecken
erweitern lässt. Das vorgestellte Verfahren basiert
auf einer teilsystemorientierten Zustandstransformation
in Verbindung mit der Einführung zusätzlicher fiktiver Stellgrößen, über die nichtsteuerbare Streckeneigenwerte
formal beeinflusst werden könnten, aber durch Nullsetzen
dieser Stellgrößen nicht beeinflusst werden. Dem
Reglerentwurf vorausgehende Maßnahmen zur Elimination
von nicht steuerbaren Anteilen aus dem Streckenmodell
sind daher nicht erforderlich. Im Vergleich zum Fall
einer vollständig steuerbaren Regelstrecke erfordert die
Anwendung des vorgestellten Verfahrens kaum Mehraufwand,
was am Beispiel eines Eingrößen- und eines Mehrgrößensystems
illustriert wird.
In this paper, the performance of different continuous-time and discrete-time models of the electrical subsystem of induction machines and permanent-magnet synchronous machines as well as methods based on them for decoupling the direct and
quadrature axis components of the stator current are investigated and compared. The focus here is on inverter-fed, pulse width modulated drives when operated with a relatively large product of stator frequency and sampling time, where significant
differences between the models and decoupling methods used come to light. Recommendations for a discrete-time model to be used uniformly in the future are made, as well as statements on whether feedforward or feedback decoupling structures are better suited and whether state controllers improve decoupling measures for very steep speed ramps. Simulation studies and measurement results support the statements made above.
The paper compares different anti-windup strategies for the current control of inverter-fed permanent magnet synchronous machines (PMSM) controlled by pulse-width modulation. In this respect, the focus is on the drive behavior with a relatively large product of stator frequency and sampling time. A requirement for dynamically high-quality anti-windup measures is, among other things, a sufficiently accurate decoupling of the stator current direct axis and quadrature axis components even at high stator frequencies. Discrete-time models of the electrical subsystem of the PMSM are well suited for this purpose, of which the method found to be the most accurate in a preliminary investigation is used as the basis for all anti-windup methods examined. Simulation studies and measurement results document the performance of the compared methods.
Das fortwährende Streben nach Steigerung der Genauigkeit und Effizienz von industriellen Bearbeitungs- und Prüfprozessen führt bei elektrischen Antrieben zu immer höheren Forderungen an ihre dynamischen Eigenschaften. Hierbei kommt dem Stromregelkreis als dem am weitesten unterlagerten Regelkreis eines elektrischen Antriebs eine entscheidende Bedeutung zu. Mit zunehmender Dynamikerhöhung des Stromregelkreises treten jedoch aufgrund von Parameterunsicherheiten und von Messfehlem immer deutlicher Probleme der Regelkreisrobustheit und der Geräuschemission in den Vordergrund, die es oft nicht gestatten, die theoretisch erhaltenen Lösungen in vollem Umfang zu realisieren. Gegenüber der optimalen Lösung müssen dann Abstriche hinsichtlich der erreichbaren Dynamik gemacht werden. Wie diese Abstriche durch das Ausschöpfen verborgener Freiheitsgrade reduziert werden können, wird im vorliegenden Beitrag gezeigt. Als Lösungsansatz wird hierfür ein achsenunsymmetrischer Statorstromzustandsregler gewählt, der es erlaubt, in der d- und q-Achse eine unterschiedliche Dynamik einzustellen. Hierbei wird zunächst im Kapitel 2 ein kurzer Überblick über die Entwicklungsgeschichte und den Stand der Technik von pulsweitenmodulierten Stromregelverfahren für Drehstromantriebe in den zurückliegenden Jahrzehnten gegeben. Anschließend wird am Beispiel einer frequenzumrichtergespeisten Asynchronmaschine das zeitdiskrete Modell der Statorstromregelstrecke vorgestellt, das dem hier erläuterten Verfahren zugrunde liegt. Wegen des Zusammenhangs zwischen Dynamikerhöhung und Empfindlichkeitszunahme ist es naheliegend, die Dynamik des Statorstromregelkreises nur so weit zu steigern, wie es erforderlich ist. Diesbezüglich ist insbesondere zu gewährleisten, dass ein angefordertes Drehmoment möglichst schnellst eingeprägt wird. Die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses spielt hingegen eine untergeordnetere Rolle. Demzufolge sollte die drehmomentbildende Statorstrom-q-Komponente in der Praxis eine höhere Dynamik aufweisen als die flussbildende Statorstrom-d-Komponente. Um hierbei die aufwändige reelle Rechnung so weit wie möglich zu vermeiden, wird der Reglerentwurf in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wird ein schiefsymmetrisches, komplex beschreibbares Regelgesetz entworfen, das zwar zu einer möglichst einfachen Darstellbarkeit des geschlossenen Statorstromregelkreises führt, das jedoch noch nicht die endgültige Dynamik zur Folge haben muss. Insbesondere muss nach Abschluss dieses ZwischenSchritts bereits eine vollständige Entkopplung der d- und der q-Komponente des Statorstromraumzeigers vollzogen sein. Im zweiten Schritt wird dann ein weiterer Regler entworfen, der auf der Grundlage des im ersten Schritt erhaltenen entkoppelten Systems jeder Stromkomponente eine separate Dynamik zuweisen kann. Die Verkettung beider Teilregler führt schließlich zum gesuchten Statorstromregler, der zum einen relativ einfach berechenbar ist und der zum anderen alle an ihn gestellten Dynamikanforderungen erfüllt. Im vierten Kapitel wird schließlich der Entwurf des achsenunsymmetrischen Statorstromzustandsreglers skizziert und die daraus hervorgehenden Regelalgorithmen vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Zustandsreglers wird anhand von aufgenommenen Zeitverläufen eines Laborantriebs demonstriert, mit dem der Drehmomentverlauf von Verbrennungsmotoren nachgebildet wird.
Entwicklung eines Hybridantriebssystems für kommunale Spezialfahrzeuge in Off-Road-Anwendungen
(2010)
In [1] wurde bereits berichtet, dass im Labor für elektrische Antriebe und Leistungselektronik in Kooperation mit den Firmen Heinzmann GmbH & Co. KG und LADOGFahrzeugbau und Vertriebs GmbH ein Wechselrichter zur Speisung eines Synchronmotors für einen Hybridantrieb eines kommunalen Spezialfahrzeugs entwickelt wird. Während in [1] wegen der damals erst kurzen Projektlaufzeit nur die ersten Projektschritte beschrieben werden konnten, wird in diesem Beitrag der derzeit erreichte Entwicklungsstand dargestellt.
In den letzten Jahren ist die Photovoltaik, beflügelt durch das Erneuerbare Energiengesetz – zumindest so lang es noch eine hinreichend lukrative Einspeisevergütung gab -, zu einem immer bedeutenderen Applikationsfeld der Leistungselektronik geworden. Im Fokus des Interesses steht dabei der Photovoltaik-Wechselrichter, der den in den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom oder Drehstrom umwandelt und ins Netz einspeist.
The presented paper describes a development project for a formula 1 racing team which was performed at the laboratory for electrical drives and power electronics of the University of Applied Sciences in Offenburg. The kernel of that project was the simulation of an electrical machine with means of a load inverter and a passive filter, so that inverters from contractors could be tested easily without using a real test bench. The whole electrical drive, consisting of the real electrical machine and the inverter is part of a hybrid drive for a formula 1 racing car which is allowed to be used from the racing season 2009.
Dieses Buch beschreibt die regelungstechnische Modellbildung und die darauf basierende Regelung der gebräuchlichsten, in industriellen Anwendungen eingesetzten elektrischen Maschinen. Hinsichtlich des Reglerentwurfs wird eine sehr leistungsfähige Methodik angewendet, mit der alle analysierten Beispiele einheitlich behandelt werden können. Sie basiert auf der zeitdiskreten Zustandsraumbeschreibung stromrichtergespeister elektrischer Antriebe.
Durch die leicht verständliche einführende Beschreibung der Methodik wird es auch Lesern, denen die Zustandsraummethodik nicht geläufig ist, möglich, dynamisch sehr hochwertige Regelungen zu implementieren.
Eine weitere Besonderheit ist die Einbeziehung von rückspeisefähigen Netzstromrichtern in die Betrachtungen.
Nachweise für die Stabilität von Regelkreisen, deren Stellgrößen an ihre Begrenzungen gelangen können und bei denen die Regler Integratoren oder andere dynamische Glieder sowie Anti-Windup-Maßnahmen enthalten, sind gewöhnlich sehr aufwändig zu führen. Bei PI-Zustandsreglern, die mittels der in [1] vorgestellten Methode in einem mehrstufigen Verfahren für Regelstrecken entworfen wurden, die bis auf die Stellgrößenbegrenzungen linear sind, lassen sich jedoch äußerst hilfreiche allgemeine Stabilitätsaussagen treffen, die den konkreten Stabilitätsnachweis für das Gesamtsystem– selbst unter Einbeziehung von Beobachtern – erheblich vereinfachen. Im vorliegenden Beitrag werden die diesbezüglichen, auf Steuerbarkeitsbetrachtungen beruhenden, Zusammenhänge für zeitdiskrete Regelkreise aufgezeigt sowie daraus exemplarisch mittels Ljapunow-Funktionen eine einfache Reglerformel für Zustandsregler abgeleitet, die auch im Begrenzungsfall stabil arbeiten. Ein Beispielaus der elektrischen Antriebstechnik illustriert die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode.
Im vorliegenden Beitrag wird beschrieben, wie bereits entworfene Zustandsregler für proportional geregelte Systeme ohne Rechentotzeit auf einfache Art und Weise für Systeme mit Reglerintegratoren bzw. mit Rechentotzeit erweitert werden können. Das Ziel ist hierbei, den Aufwand zur Ermittlung der Reglermatrix zu reduzieren. Hierbei soll die bereits vorhandene, optimierte Regelkreisdynamik so wenig wie möglich verändert werden, wodurch bei Mehrgrößensystemen hinzukommende Freiheitsgrade sinnvoll festgelegt werden. Die Betrachtungen erfolgen für lineare zeitdiskrete Systeme und werden anhand eines Beispiels aus der elektrischen Antriebstechnik veranschaulicht.
Stromzustandsregelung
(2015)
Im Beitrag wird ein zweistufiges Verfahren für den Entwurf eines Störgrößenbeobachters für lineare, zeitinvariante Systeme vorgestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Beobachterrückführung für den Beobachter ohne Störmodell bereits vorliegt. Es wird dargestellt, wie darauf basierend mit einfachen formelmäßigen Zusammenhängen die Rückführkoeffizienten für den Störgrößenbeobachter ermittelt werden können. Die beschriebene Methode erhöht die Übersichtlichkeit hinsichtlich des Einflusses des Störmodells auf die Beobachterrückführkoeffizienten und ist außerdem für Modelle mit geringer Systemordnung rechenzeitsparender.
Drehzahlzustandsregelung
(2016)
Erweiterung der Ackermann-Formel für Mehrgrößensysteme um Freiheitsgrade zur Führungsentkopplung
(2019)
Der Beitrag zeigt bisher nicht genutzte Freiheitsgrade beim Entwurf eines linearen, zeitinvarianten Zustandsreglers für steuerbare Mehrgrößensysteme auf, wenn dieser auf der Basis der Ackermann´schen Formel durchgeführt wird. Darüber hinaus wird dargelegt, wie diese Freiheitsgrade zur Führungsentkopplung gezielt eingesetzt werden können. Damit dies gelingt, wird wie in der einschlägigen Literatur eine Transformation der Zustandsgleichungen in eine teilsystemorientierte Struktur vorgenommen. Jedoch werden modifizierte Transformationsbeziehungen verwendet, die die benötigten Freiheitsgrade hervorbringen. Der Beitrag konzentriert sich hierbei auf zeitdiskrete Systeme, wenngleich die geschilderte Vorgehensweise grundsätzlich auch bei zeitkontinuierlichen Systemen anwendbar ist. Angesichts der gewählten Methodik, die Regelungseigenwerte vorzugeben und die verbleibenden Freiheitsgrade zur Erfüllung weiterer Forderungen an den Regler heranzuziehen, ist das vorgestellte Verfahren eine unmittelbare Alternative zu anderen Polvorgabeverfahren wie z. B. zur Vollständigen Modalen Synthese. Im Fall einer nicht realisierbaren vollständigen Führungsentkopplung bietet die vorgestellte Methode die Möglichkeit einer Lösungsfindung, bei der die verbleibenden Verkopplungen im Sinne eines quadratischen Gütemaßes minimiert werden.