Universität Stuttgart

Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1

Browse

Filters

Settings

Publication Type: search.filters.UBSTyp.StudienarbeitSubject: search.filters.subject.620

Search Results

Now showing 1 - 10 of 27
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Eigenschaften und Verfahren zur Fertigung von superhydrophoben Oberflächen zur Anwendung in der Medizin und Life Science
    (2021) Felk, Dominique
    In dieser Studienarbeit werden die Eigenschaften, sowie die geometrische Gestalt von superhydrophoben Oberflächen anhand einer ausführlichen Literaturrecherche aufgezeigt. Wassertropfen nehmen auf superhydrophoben Oberflächen eine nahezu sphärische Gestalt an und rollen leicht von einer geneigten Oberflächen ab. Dabei nehmen die Wassertropfen etwaige Verschmutzungen mit. Diese reinigende Wirkung ist charakteristisch für den Lotus-Effekt, welcher physikalisch auf dem Vorhandensein des Cassie-Baxter Zustands beruht. So weisen superhydrophobe Oberflächen einen Kontaktwinkel θ0 von mindestens 150° auf. Aus dem großen Kontaktwinkel resultiert eine geringe Adhäsion der Oberfläche mit einem Wassertropfen. Dadurch gleitet der Tropfen bereits bei geringen Gleitwinkeln von kleiner als 10° von einer geneigten Ebene ab. Neben einem großen Kontakt- und einem kleinen Gleitwinkel weisen superhydrophobe Oberflächen eine Kontaktwinkelhysterese von kleiner als 5° auf. Außerdem bestehen die Oberflächen aus Materialien mit geringen Oberflächenenergien. Erzielbar ist der Lotus-Effekt durch eine Oberflächenmorphologie, die ein hohes Luftvolumen zwischen der Oberfläche und einem Wassertropfen einschließt. Dies ist möglich durch Strukturen im Größenbereich von einigen hundert Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern. Die Strukturen selbst müssen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, welches durch hierarchisch aufgebaute Strukturen erzielt werden kann. Außerdem werden in dieser Arbeit verschiedene Anwendungen aus dem Bereich der Medizin und der Life Science aufgeführt, die durch superhydrophobe Oberflächen ermöglicht werden. Beispielhafte Anwendungen sind superhydrophobe Textilwickel, welche eine Heilung bei Druckgeschwüren begünstigen sollen, oder eine kontrollierte in-vitro Freisetzung von Medikamenten. Die Literaturrecherche zeigt, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen auf Strukturen in Metall, Silizium und Kunststoff beruhen kann. So ist die Erzeugung von Strukturen in Metall und Silizium über konventionelle Fertigungsverfahren wie die Plasmabearbeitung (DRIE, ICP), das Tauchbad und die Laserbearbeitung möglich. Zur Erzeugung der Strukturen in Kunststoff eignet sich das Spritzgießen, das Formgießen und das Heißprägen. Für die stochastische Aufrauung der Kunststoffoberfläche eignet sich die Bearbeitung mit Plasma. Die am Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart (IFM) und Hahn-Schickard Gesellschaft Stuttgart (HS-S) vorhandenen Geräte ermöglichen grundsätzlich eine Herstellung der für superhydrophobe Oberflächen erforderlichen Größenordnungen. Dazu muss unter anderem untersucht werden, welche Anwendungen realisiert werden sollen und welche Medien in Kontakt mit der Oberfläche stehen werden. Darauf hin muss das Verhalten des Mediums mit verschiedenen Oberflächenmorphologien analysiert werden, um die am besten geeignete Struktur zu finden.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Zwei Algorithmen zur Zuflussregelung an Schnellstraßen : Implementation und Vergleich in einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation
    (2004) Waldherr, Steffen
    Es werden zwei Verfahren zur Zuflussregelung an Schnellstraßenauffahrten verglichen: Das ALINEA-Verfahren und die Fuzzy-Zuflussregelung nach Bogenberger. Beide Verfahren wurden dazu für ein in der mikroskopischen Simulationsumgebung VISSIM erstelltes Verkehrsnetz implementiert. Durch Simulation mit unterschiedlichen Belastungsfällen werden die Auswirkungen der Zuflussregelung auf den Verkehrszustand ermittelt. Mit diesen Ergebnissen werden die beiden Verfahren untereinander und mit dem ungeregelten Fall verglichen.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Learning an approximate model predictive controller with guarantees
    (2018) Hertneck, Michael
    In this thesis, a supervised learning framework to approximate a model predictive controller (MPC) with guarantees on stability and constraint satisfaction is proposed. The approximate controller has a reduced computational complexity in comparison to standard MPC which makes it possible to implement the resulting controller for systems with a high sampling rate on a cheap hardware. The framework can be used for a wide class of nonlinear systems. In order to obtain closed-loop guarantees for the approximate MPC, a robust MPC (RMPC) with robustness to bounded input disturbances is used which guarantees stability and constraint satisfaction if the input is approximated with a bound on the approximation error. The RMPC can be sampled offline and hence, any standard supervised learning technique can be used to approximate the MPC from samples. Neural networks (NN) are discussed in this thesis as one suitable approximation method. To guarantee a bound on the approximation error, statistical learning bounds are used. A method based on Hoeffding’s Inequality is proposed to validate that the approximate MPC satisfies these bounds with high confidence. This validation method is suited for any approximation method. The result is a closed-loop statistical guarantee on stability and constraint satisfaction for the approximated MPC. Within this thesis, an algorithm to obtain automatically an approximate controller is proposed. The proposed learning-based MPC framework is illustrated on a nonlinear benchmark problem for which we learn a neural network controller that guarantees stability and constraint satisfaction. The combination of robust control and statistical validation can also be used for other learning based control methods to obtain guarantees on stability and constraint satisfaction.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Versuchsstand Flexibler Roboter: Modellierung und Beobachterentwurf
    (2009) Burkhardt, Markus
    Diese Arbeit befasst sich mit der Modellbildung und dem Beobachterentwurf eines zweigelenkigen, ebenen Roboters mit flexiblen Verbindungselementen. Der Roboter wird dabei als ein flexibles Mehrkörpersystem betrachtet, um die Elastizitäten in den Verbindungen zu berücksichtigen. Durch die Variation der Anzahl an Moden und durch eine unterschiedliche Berücksichtigung der auftretenden Reibung werden mehrere verschiedene Modelle erstellt und anschließend miteinander verglichen. Um eine Zustandsrückführung zu ermöglichen, wird ein Beobachter entworfen. Dabei kommt ein Extended Kalman Filter zum Einsatz. Dabei gilt die Zielvorgabe, dass das Extended Kalman Filter echtzeitfähig ist. Die Implementierung am Versuchsstand erfolgt als C Mex S-Function. Nachdem verschiedene Varianten miteinander verglichen wurden und die geeignetste Variante gewählt wurde, wird das Konvergenzverhalten überprüft.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Entwicklung eines adaptiven autoregressiven Modells zur Kurzfristlastprognose im liberalisierten Energiemarkt
    (2002) Buchholz, Bastian
    Für Unternehmen in der Energiewirtschaft ist es von großer Bedeutung, die elektrische Lastnachfrage seitens der Verbraucher, vorhersagen zu können. Auf diese Weise können zum einen Stromproduzenten den Betrieb ihrer Kraftwerke, und zum Anderen die durch die Liberalisierung des Energiemarktes neu entstandenen Stromhändler ihre Strategie beim An- und Verkauf von elektrischer Energie besser planen. Ziel dieser Arbeit ist es, auf Basis eines autoregressiven Ansatzes (AR-Ansatz), verschiedene Modelle zu erstellen, welche eine Kurzfrist-Prognose, das heisst für den Zeitraum der nächsten 24 Stunden, der elektrischen Lastnachfrage ermöglichen. Der reine AR-Ansatz wird hierfür erweitert. Zuerst durch ein adaptives Prognosevorgehen, welches es dem Modell ermöglicht sich an veränderliche Bedingungen anzupassen, wie sie zum Beispiel durch die Fluktuationen im Kundenstamm, verursacht durch die Liberalisierung des Energiemarktes entstehen. Anschließend durch einen X-Anteil (ARX-Ansatz) welcher den Einfluss der Temperatur berücksichtigt und Konstanten zur Abbildung spezifischer elektrischer Tageslastverläufe enthält. Die Ergebnisse zeigen, dass der ARX-Ansatz, kombiniert mit einem adaptiven Prognosevorgehen, die besten Ergebnisse liefert. Werktage, speziell in der warmen Jahreszeit, lassen sich mit diesem Modell gut abbilden. Die Prognose von Wochenend- und Feiertagen, sowie Tagen in der kalten Jahreszeit muss noch verbessert werden. Dabei ist bei der Prognose von Tagen der kalten Jahreszeit eine Verfeinerung des Verfahrens zur Berücksichtigung der Temperatur vorzunehmen und eine Einbeziehung weiterer Einflussgrößen wie zum Beispiel der Helligkeit vorzusehen. Die Arbeit wurde betreut von Dipl.-Ing. Derk Jan Swider (ds@ier.uni-stuttgart.de).
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Potentiale des Finite-Elemente-Programms Ansys bei der Simulation von flexiblen Mehrkörpersystemen
    (2008) Fischer, Christian
    Es werden die Möglichkeiten zur Simulation von Mehrkörpersystemen in Ansys untersucht und mit Simpack verglichen. Es zeigt sich dass Ansys nur bedingt dafür geeignet ist und vor allem sehr hohe Rechenzeiten erfordert.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Untersuchung des Energieaufwands in Luftverteilsystemen für charakteristische Lastsituationen
    (2020) Kimmich, Joel
    Die Behaglichkeitsanforderungen an Wohn- und Bürogebäude wachsen stetig. Neben der Sicherstellung thermischer Behaglichkeit ist vor allem die stoffliche Behaglichkeit relevant, die mithilfe raumlufttechnischer (RLT) Anlagen gewährleistet werden kann. Die dabei für den Lufttransport erforderliche elektrische Ventilatorleistung im Betrieb einer RLT-Anlage ist vom geförderten Volumenstrom, der Druckerhöhung und dem Wirkungsgrad des Ventilators abhängig. Mittels numerischer Simulation verschiedener Luftverteilsystemvarianten werden in dieser Arbeit die Zusammenhänge des Luftverteilsystems auf den Druckabfall bzw. die benötigte Leistung im Betrieb sowie die erforderlichen Investitionskosten unter Verwendung verschiedener Anlagenkonzepte an einem beispielhaften Bürogebäude untersucht. Mithilfe von Matlab erfolgt die Modellierung der Luftverteilnetzvarianten, welche für die Untersuchungen Daten einer gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulation (TRNSYS) erhält. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem bei Nur-Luft-Anlagen der Betriebspunkt oftmals wesentlich vom Auslegungsfall abweicht. In über der Hälfte eines Jahres werden lediglich 5 % bis 10 % des Auslegungsvolumenstroms genutzt. Bei über zweifach höheren Luftgeschwindigkeiten gegenüber der Referenzgeschwindigkeit weisen die Ventilatoren einen ca. um das 1,5-fache höheren Energieaufwand auf. Dem steht jedoch ein reduziertes Bauvolumen von ca. 60 % gegenüber. Wird beim Einsatz von Lüftungsanlagen die CO2-Grenzkonzentration auf die Hälfte reduziert und damit eine deutlich höhere Luftqualität erzielt, steigt der Energieaufwand der Ventilatoren gleichermaßen auf annähernd das Doppelte an. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Auslegungskriterien für Luftverteilsysteme Bestandteil eines integralen Planungsprozesses darstellen sollten, da diese insbesondere bei Nichtwohngebäuden einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch, die Investitions- sowie die Betriebskosten haben.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Systemtransformation und Gezeitenmodellierung
    (2005) Bulach, Katharina
    Die Bestimmung des Schwerefeldes der Erde gewinnt immer mehr an Bedeutung. Der Nutzen und die Anwendung reichen von der Bestimmung der Meerestopographie über die Bestimmung des Geoids in Zentimetergenauigkeit bis hin zur Analyse von Mechanismen und Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern sowie der besseren Bestimmung hydrologischer Prozesse. Grundlegend für eine möglichst genaue Bestimmung des Erdschwerefeldes ist eine genaue Bestimmung der Satellitenbahn. Da die Messdaten der Satelliten neben der gravitativen Wirkung der Erde auch gravitative Wirkungen der direkten und indirekten Gezeiteneffekte beinhalten, gilt es diese Störeinflüsse zu reduzieren, um schließlich das Gravitationsfeld der Erde bestimmen zu können. Die Modellierung der Gezeiten ermöglicht es schließlich, die Messungen der sich frei um die Erde bewegenden Satelliten um die Einflüsse der gravitativen Störkräfte zu befreien. Somit können Aussagen über die gravitativen Eigenschaften des Erdkörpers an beliebigen Beobachtungspunkten gewonnen werden. Die Modellierung der Gezeiteneffekte bezieht sich auf das erdfeste Referenzsystem (International Terrestrial Reference System, ITRS), welches üblicherweise auch als Beobachtungssystem dient. Oftmals werden Koordinaten aber beschrieben in einem von der Erdrotation entkoppelten raumfestes System, wie es beispielsweise durch das International Celestial Reference System (ICRS) definiert wird. Aufgrund der Tatsache, dass Beobachtungspunkte nicht immer im gewünschten Referenzsystem vorliegen, müssen diese zunächst entsprechend transformiert werden. Die Erstellung eines C-Programmes zur Transformation von Koordinaten bezüglich des ITRS in Koordinaten bezüglich des ICRS oder umgekehrt ist Teil dieser Arbeit. Liegen die Beobachtungspunkte im erdfesten Referenzsystem vor, so können die Gezeitenbeschleunigungen der direkten Gezeiten, der Gezeiten der festen Erde sowie der Ozeangezeiten an den gewünschten Punkten berechnet werden. Hierzu wurde ein bereits bestehendes C-Programm überarbeitet, was den zweiten Teil dieser Arbeit bildet. Mit Hilfe der beiden C-Programme besteht somit die Möglichkeit Beobachtungspunkte zum einen in das richtige Referenzsystem zu transformieren, zum anderen Gezeiteneffekte in diesen Punkten zu berechnen. Zudem wurde eine Art "Handbuch" erstellt, welches sowohl die Grundlagen als auch die Programme selbst dokumentiert. Im Grundlagenteil werden zunächst die verschiedenen Zeitsysteme und deren Zusammenhänge erläutert. Die Referenzsysteme, welche bei der Systemtransformation von fundamentaler Bedeutung sind, werden vorgestellt sowie deren Zusammenhänge über Präzession, Nutation und Polbewegung dargelegt. Des weiteren erfolgt die Herleitung des Gezeitenpotenzials, welches für die Gezeitenmodellierung von Bedeutung ist. Die Programmdokumentationen zur Systemtransformation und zur Gezeitenmodellierung werden getrennt voneinander behandelt. Dabei wird zum einen der detaillierte Aufbau der Programme mit den zur Berechnung notwendigen Formeln dargestellt, zum anderen werden die Ein- und Ausgabefils sowie wichtige Programmeinstellungen näher erläutert. Die aus dem Programm gewonnenen Ergebnisse der Systemtransformation werden anhand eines Vergleichprogrammes beurteilt. Zuletzt werden einige Berechnungsbeispiele zur Systemtransformation als auch zur Gezeitenmodellierung dargestellt um die verschiedenen Berechnungsmöglichkeiten, welche die Programme bieten, aufzuzeigen.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Photography-aided gravity modeling of solid bodies
    (2010) Lorenz, Christof
    Not all secrets of the The Great Pyramid of Giza were revealed, even after centuries of observation and research. One of the main questions concerns the construction of the pyramid. The most popular and reasonable theory assumes the old Egyptians to use an exterior ramp in the lower third and an interior ramp in the upper two thirds of the pyramid on which the stones were carried upstairs. However, there is no evidence that this is really true. Microgravimetry-measuring techniques are able to give information about the inner mass distribution of the pyramid and hence reveal yet unknown facts about the inner structure. Therefore, a reference gravity signal must be computed in order to detect mass deviations in the inside. In this work, an approach is discussed which uses photographs to construct a three-dimensional model of a body. It is shown that the information gained from three-dimensional reconstruction can be used to construct a solid body. For the computation of the gravity signal of this solid body an algorithm is applied which transforms the volume integral in Newton's law of gravity into line integrals, which allows the computation of gravitational quantities for arbitrary polyhedra. With the help of a small section of the Great Pyramid it is shown that detecting inner mass deviations from a reference body requires detailed knowledge about the surface. As the errors in the measured gravity signal caused by a mis-modeled body might have a high magnitude, the signal from inner mass deviations might completely vanish. However, if the surface of an object is well known it is indeed possible to make a statement about the inner structure of a body based on close-mesh measurements on its surface.