Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
Search Results
Item Open Access Mechanistic studies on the DNA methyltransferases DNMT3A and DNMT3B(2021) Dukatz, Michael; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)In this work, both regulatory and catalytic mechanisms of de novo methyltransferases were investigated, which include interactions with other proteins and the specific recognition of the substrate sequence. Another part of this work strived to elucidate how enzymatic generation of 3-methylcytosine by DNMT3A can occur.Item Open Access User experience with the technology of virtual reality in the context of training and learning in vocational education(2021) Guo, Qi; Zinn, Bernd (Prof. Dr.)The virtual reality (VR) technology, with its features of simulation, interaction, and gamification, as well as the various technical aspects of input and output for movements and feedback, provides learners in the VR training and learning environment with the perception of immersion, spatial presence, and flow experience. Based on the theoretical research findings in terms of the learning processes and the learning motivation, the design and development of a VR training and learning environment should adhere to the principles of the UX design and the didactical design. This presented research focuses on the generation of an explanatory and description knowledge about user experience with virtual reality technology in the context of training and learning in virtual environments. Based on the current development of VR technology, as well as the significant application areas, two empirical studies (VILA and VPSL) on the user experience of learners and (prospective) teachers with different types of virtual reality technologies in the field of vocational education are conducted. To test the user experience in the virtual reality training and learning environment, several aspects related to the user experience will be analyzed, including usability of the application, spatial presence, learning motivation, and flow experience of the students. Based on the literature review, the empirical studies, as well as practical experience in the development of the VR training and learning environments, the recommendations for the design, development, evaluation, and implementation of the VR training and learning environments are discussed. With regards to the further implementation of the applications, the requirements from the technological, administrative, and didactical perspectives are discussed. The limitations in the current research, as well as the directions for further research, are outlined.Item Open Access Circumferential groove casing treatments in centrifugal compressor aerodynamics(2021) Bareiß, Simon; Vogt, Damian M. (Prof. Dr. Tekn.)Die vorliegende Dissertation untersucht die Anwendbarkeit von gehäuseseitigen Umfangsnuten in Radialverdichtern. Für Axialverdichter konnten mithilfe dieser Art von casing treatment bereits vielversprechende Verbesserungen erzielt werden, die auch für viele Anwendungsgebiete von radialen Maschinen sehr vorteilhaft wären. Allerdings fehlte es bisher an entsprechenden Studien und die Frage der Übertragbarkeit blieb ebenfalls noch ungeklärt. Aufgrund der stark unterschiedlichen Charakteristik der Strömungsfelder liegt das Hauptaugenmerk dieser Untersuchung einerseits auf der generellen Wirksamkeit dieser Nuten in Radialverdichtern. Andererseits befasst sich die Arbeit mit der zugehörigen Auslegung und den aerodynamischen Wirkmechanismen. Hierfür wurde eine kombinierte Studie konzipiert, bei der sowohl numerische als auch experimentelle Methoden zum Einsatz kommen. Zur Untersuchung verschiedener Nutvarianten wurde ein repräsentativer Radialverdichter samt dem zugehörigen Versuchsstand und den numerischen Modellen entwickelt und aufgebaut. Anschließend wurde im ersten Schritt eine Parameterstudie bezüglich des Einflusses verschiedener Designparameter der Nuten auf die Verdichterströmung durchgeführt. Dabei konnten eindeutige Trends identifiziert werden. Der größte Einfluss wurde für die Lage der Nut beobachtet, wobei sich eine Platzierung in Richtung des Verdichtereintritts als vorteilhaft für Wirkungsgrad und Druckverhältnis erwies. Außerdem erzielten große Anstellwinkel und normalisierte Öffnungsbreiten zwischen 4 und 10% der abgewickelten Schaufellänge die besten Ergebnisse, unabhängig von der Lage. Die Ergebnisse bei Verwendung mehrerer Nuten lassen darauf schließen, dass die Einzeleffekte überlagert werden können, ohne dass es zu einer negativen gegenseitigen Beeinflussung kommt. Darüberhinaus konnte ein vergleichmäßigender Effekt auf die gehäusenahe Strömung festgestellt werden, der Grund zur Annahme einer Stabilitätserweiterung darstellt. Basierend auf den Ergebnissen konnten entsprechende Auslegungsrichtlinien abgeleitet werden. Zusätzlich wurden zwei vielversprechende Varianten für weitere Tests und genauere Untersuchungen ausgewählt und gefertigt. Hierfür wurden zwei verschiedene Diffusoren, mit und ohne Beschaufelung, eingesetzt, um eine klare Abgrenzung der Effekte zu ermöglichen. Im Großen und Ganzen zeigten die Messungen eine deutliche Verbesserung des Verdichterkennfelds für beide Varianten. Der stabile Betriebsbereich konnte, abhängig von der jeweiligen Konfiguration und der entsprechenden Drehzahlkennlinie, um mehrere Prozentpunkte erweitert werden. Zusätzlich wurde eine Verbesserung der Wirkungsgrades und des Gesamtdruckverhältnisses beobachtet, wobei typische Verbesserungen von etwa einem halben Prozentpunkt im Gesamtwirkungsgrad erreicht werden. Sowohl die experimentellen Daten als auch die numerischen Resultate führen diese Effekte auf eine Beeinflussung der gehäusenahen Strömung zurück. Als Hauptmechanismus kann dabei die Verminderung von aerodynamischen Versperrungen identifiziert werden, die zu einer Erweiterung des Betriebsbereichs und zur verbesserten Verdichterleistung führt. Im Wesentlichen ermöglichen wirksame Nuten eine Umverteilung der lokalen Schaufelspaltströmungsanteile, was zu einer Abschwächung der saugseitigen Beeinflussung der Hauptströmung, und damit zu einer Abschwächung der Versperrungen, führt. Allerdings wurden Unterschiede bezüglich der Nutlage in Bezug auf die Verdichterstabilität ausgemacht. Nuten im unmittelbaren Eintrittsbereich beeinflussen direkt die Entstehung des Spitzenspaltwirbels, was zu einer entsprechenden Ablenkung und Abschwächung führt. Dies wiederum verzögert das Überströmen in benachbarte Passagen, was die Instabilität der Strömung im subsonischen Bereich initiiert. Nuten im gekrümmten Bereich des Verdichters hingegen entlasten die stark versperrten Bereiche nahe der Zwischenschaufeln durch die Vermeidung von Rückströmungen und Überströmeffekten, welche für die Destabilisierung bei transonischen Bedingungen verantwortlich sind.Item Open Access Studien zur biotechnologischen Anwendung und ökologischen Funktion von Pyrrolochinolinchinon(PQQ)-abhängigen Alkoholdehydrogenasen(2021) Wehrmann, Matthias; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Lokalisation, Speicherung und Synthese von Polyphosphat in Agrobacterium tumefaciens C58(2021) Hellenbroich, Celina; Jendrossek, Dieter (apl. Prof. Dr. rer. nat.)Polyphosphat (PolyP) besitzt eine ubiquitäre Verbreitung und erfüllt, je nach Organismus, unterschiedliche und extrem vielfältige Aufgaben. In Prokaryonten liegt PolyP in sogenannten Granula vor, während in einzelligen Eukaryonten, eine Membran das PolyP von dem Cytoplasma abtrennt. Vorangegangene Arbeiten weisen darauf hin, dass sogenannte Acidocalcisomen, eben jene membranumschlossene PolyP-Speicher aus Eukaryonten, auch in dem Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens vorhanden sein könnten. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch, dass sich in A. tumefaciens, wie in Bakterien übliche, PolyP-Granula befinden, die nicht von einer Membran umschlossen sind. Im weiteren Verlauf wurde die Synthese von PolyP sowie die Lokalisation der Polyphosphatkinasen (PPKs) und anderer aus der Literatur bekannter, PolyP-assoziierter Proteine untersucht. Die PPK1At stellte sich hierbei als PolyP-Syntheseenzym heraus. Es folgte eine biochemische Charakterisierung der PPKs in vitro, bei der für die PPK2At, neben der Bildung von NDP und NTP, eine oligophosphorylierende Funktion bis hin zu nonaphosphorylierten Nukleosiden entdeckt wurde. Außerdem stellte sich heraus, dass das PolyP-Granulum während des Zellzyklus wanderte und vielleicht durch die PPK1At mit der DNA assoziiert sein könnte. Aufgrund dieser Erkenntnisse konnte ein Modell des PolyP-Granulums und den in dieser Arbeit identifizierten, assoziierten Proteinen erstellt werden. Eine Deletion der ppk1 hatte zudem Auswirkungen auf die Zellmorphologie, die Infektionsrate von Pflanzenzellen und die Generationszeit von A. tumefaciens.Item Open Access Zur numerischen Berechnung des Betriebsverhaltens von Kreiselpumpen bei hydroabrasiver Erosion(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen, 2021) Hankeln, Fabian; Riedelbauch, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Der energieeffiziente Betrieb privater und industrieller Anlagen gewinnt seit geraumer Zeit stetig an Bedeutung. In den vergangenen Jahren wurde daher in vielen Bereichen vermehrte Entwicklungsarbeit zur Detektion und Ausschöpfung von energetischen Optimierungspotentialen geleistet. Im industriellen Umfeld haben Kreiselpumpen aufgrund ihrer Vielseitigkeit seit jeher einen merklichen Anteil am industriellen Stromverbrauch, wodurch sich gleichermaßen ein ebenso nicht unbeachtliches Einsparpotential aufzeigt. Energetische Optimierungspotentiale ergeben sich für Kreiselpumpen vorrangig aufgrund ihres Alters, einer überdimensionierten Ausführung oder aufgrund eines verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls. Im Zuge der Digitalisierung wurden hierzu bereits viele Systeme zur Vorhersage des Betriebszustands von Kreiselpumpen entwickelt und vertrieben. Die aktuell verfügbaren Systeme beschränken sich jedoch größtenteils auf die Vorhersage von Systemausfällen, sodass eine Aussage über eventuelle Effizienzeinbußen aufgrund von Verschleiß bisher nicht möglich ist. Vor diesem Hintergrund zeigt diese Arbeit eine Möglichkeit auf, den Einfluss hydroabrasiver Erosion auf das Betriebsverhalten und somit die Energieeffizienz von Kreiselpumpen mithilfe numerischer Strömungsfeldsimulation zu berechnen. Die so erhaltenen Daten können damit letztendlich in Verbindung mit den handelsüblichen Zustandsüberwachungen zu einer verbesserten Überwachung auch hinsichtlich der Energieeffizienz industrieller Kreiselpumpen beitragen. Der entwickelte Ansatz beruht in seinen Grundsätzen auf dem üblichem Vorgehen zur numerischen Betrachtung von Erosionserscheinungen. Hierzu zählen die Simulation einer zweiphasigen Strömung und die Vorhersage der verschleißbedingten Schäden mithilfe von Erosionsmodellen. Da die üblichen Erosionsmodelle in ihrer kommerziellen Form jedoch keinen Einfluss auf die hydraulische Kontur nehmen, wird das Simulationsmodell durch eine verschleißabhängige Verformbarkeit des Berechnungsgitters ergänzt. Zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit wird des Weiteren ein höherwertiges numerisches Verfahren zur Berechnung der im Lagrange-Verfahren betrachteten Partikelbahnen implementiert. Die Aussagefähigkeit der entwickelten Verschleißmodellierung wird anhand einer handelsüblichen Wassernormpumpe untersucht. Die numerischen Betrachtungen werden zur Validierung durch zusätzlich durchgeführte experimentelle Untersuchungen gestützt. Die Ergebnisse lassen eine weitreichend gute Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Ergebnisse erkennen. In detaillierteren Auswertungen können zudem die Ursachen des verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls erläutert und für verschiedene Szenarien Effizienzeinbußen deklariert werden.Item Open Access Analysis and design of MPC frameworks for dynamic operation of nonlinear constrained systems(2021) Köhler, Johannes; Allgöwer, Frank (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Wertschöpfung und Erlösgenerierung etablierter Unternehmen mit digitalen Innovationen : eine explorative Analyse anhand digitaler Services für das vernetzte Automobil(2021) Bosler, Micha; Burr, Wolfgang (Prof. Dr.)Digitale Innovationen implizieren für etablierte Unternehmen, deren Kerngeschäft ehemals auf rein physischen Angeboten basierte, radikale Veränderungen der Wertschöpfung und Erlösgenerierung. Neuartige Kombinationen digitaler und physischer Ressourcen bieten einerseits Innovationspotenziale, andererseits wandeln sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen fundamental. Da bisherige Veröffentlichungen zu digitalen Innovationen meist auf grundlegenden, konzeptionellen Überlegungen basieren, zeigt sich sowohl hinsichtlich empirischer Untersuchungen als auch theoretischer Erklärungen ein Forschungsdefizit. Daran setzt die vorliegende Arbeit an. Als konkreter Untersuchungsgegenstand dienen digitale Services für vernetzte Fahrzeuge. Mittels einer multiplen Fallstudienanalyse von vier Automobilherstellern trägt die explorative Studie zu einem tieferen Verständnis des Innovationsumfelds, den wertschöpfenden Aktivitäten, der damit intendierten Erlösgenerierung und den auftretenden Herausforderungen bei. Als primäre Datenquelle dienen 23 Experteninterviews. Die fallübergreifend generalisierten Erkenntnisse verdeutlichen, welche vielseitigen Veränderungen und Schwierigkeiten für etablierte Unternehmen entstehen, wenn digitale Innovationen ergänzend zu bestehenden Produkten veröffentlicht werden. Gerade das Kerngeschäft der Automobilhersteller zeichnet sich eigentlich durch sehr lange Entwicklungs- und Produktlebenszyklen aus. Entscheidungen über die Umfänge künftiger Baureihen, einschließlich der technologischen Innovationen, werden traditionell mit mehrjähriger Vorlaufzeit getroffen, um Risiken zu minimieren und zum Produktionsbeginn ein perfektioniertes Fahrzeug bei höchsten Qualitätsstandards zu gewährleisten. Das erweist sich als völlig konträr zum digitalen Geschäft, wo insbesondere die Schnelligkeit zum ausschlaggebenden Kriterium für Wettbewerbsvorteile wird. Es braucht deutlich kürzere Innovationsprozesse, hohe Investitionen, mehr Risikobereitschaft und eine veränderte Denkweise, die sich von ehemals bewährten Praktiken löst. Die erfolgreiche Veröffentlichung digitaler Innovationen geht - neben der langwierigen Transformation der eigenen Ressourcenbasis - mit einer Ausdehnung in Wertschöpfungsnetzwerke sowie der intensiven Integration von Partnern einher. Ohnehin endet das Geschäftsmodell der Hersteller nicht mehr mit dem Verkauf des Fahrzeugs an den Händler. Die Unternehmen agieren erstmals direkt im Endkundengeschäft und erhoffen sich kontinuierliche Einnahmen in Form kostenpflichtiger Services. Angesichts der Möglichkeit der nachträglichen Einführung digitaler Innovationen werden die vernetzten Automobile über ihren gesamten Lebenszyklus veränderbar. Allerdings sind die Automobilhersteller nicht nur mit einem veränderten Produktverständnis, sondern auch mit neuen Anforderungen der Kunden an digitale Dienste konfrontiert, die zunächst überhaupt erkannt und daraufhin berücksichtigt werden müssen. Abschließend richtet sich der Fokus auf die Theoretisierung digitaler Innovationen. Ausgehend von den empirisch identifizierten Zusammenhängen werden Eignung und Anpassungsbedarf ausgewählter Ansätze - wie Dynamic Capabilities, der Practice-based View oder das Dominante Design - diskutiert.Item Open Access Models for data-efficient reinforcement learning on real-world applications(2021) Dörr, Andreas; Toussaint, Marc (Prof. Dr.)Large-scale deep Reinforcement Learning is strongly contributing to many recently published success stories of Artificial Intelligence. These techniques enabled computer systems to autonomously learn and master challenging problems, such as playing the game of Go or complex strategy games such as Star-Craft on human levels or above. Naturally, the question arises which problems could be addressed with these Reinforcement Learning technologies in industrial applications. So far, machine learning technologies based on (semi-)supervised learning create the most visible impact in industrial applications. For example, image, video or text understanding are primarily dominated by models trained and derived autonomously from large-scale data sets with modern (deep) machine learning methods. Reinforcement Learning, on the opposite side, however, deals with temporal decision-making problems and is much less commonly found in the industrial context. In these problems, current decisions and actions inevitably influence the outcome and success of a process much further down the road. This work strives to address some of the core problems, which prevent the effective use of Reinforcement Learning in industrial settings. Autonomous learning of new skills is always guided by existing priors that allow for generalization from previous experience. In some scenarios, non-existing or uninformative prior knowledge can be mitigated by vast amounts of experience for a particular task at hand. Typical industrial processes are, however, operated in very restricted, tightly calibrated operating points. Exploring the space of possible actions or changes to the process naively on the search for improved performance tends to be costly or even prohibitively dangerous. Therefore, one reoccurring subject throughout this work is the emergence of priors and model structures that allow for efficient use of all available experience data. A promising direction is Model-Based Reinforcement Learning, which is explored in the first part of this work. This part derives an automatic tuning method for one of themostcommonindustrial control architectures, the PID controller. By leveraging all available data about the system’s behavior in learning a system dynamics model, the derived method can efficiently tune these controllers from scratch. Although we can easily incorporate all data into dynamics models, real systems expose additional problems to the dynamics modeling and learning task. Characteristics such as non-Gaussian noise, latent states, feedback control or non-i.i.d. data regularly prevent using off-the-shelf modeling tools. Therefore, the second part of this work is concerned with the derivation of modeling solutions that are particularly suited for the reinforcement learning problem. Despite the predominant focus on model-based reinforcement learning as a promising, data-efficient learning tool, this work’s final part revisits model assumptions in a separate branch of reinforcement learning algorithms. Again, generalization and, therefore, efficient learning in model-based methods is primarily driven by the incorporated model assumptions (e.g., smooth dynamics), which real, discontinuous processes might heavily violate. To this end, a model-free reinforcement learning is presented that carefully reintroduces prior model structure to facilitate efficient learning without the need for strong dynamic model priors. The methods and solutions proposed in this work are grounded in the challenges experienced when operating with real-world hardware systems. With applications on a humanoid upper-body robot or an autonomous model race car, the proposed methods are demonstrated to successfully model and master their complex behavior.Item Open Access Nanoscale magnetic resonance spectroscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond(2021) Paone, Domenico; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant bilden interessante Quantensysteme, welche für Quanten-Sensing Protokolle genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit, werden NV-Zentren genutzt, um einzelne Molekülsysteme auszulesen und supraleitende Proben lokal zu charakterisieren. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, um die Spineigenschaften der NV-Zentren zu optimieren, welche dann Einfluss auf das Sensorikverhalten des Systems haben.