Systems Engineering: Modellierung & Regelung mit Simulink

Hochschulkurs in Systems Engineering mit MATLAB und Simulink an der FH OÖ: V-Modell, physikalische Differentialgleichungen und PID-Reglerentwurf.

Komplexe mechatronische und cyber-physische Systeme erfordern eine interdisziplinäre, modellbasierte Sichtweise (Model-Based Systems Engineering, MBSE). Dieser Kurs führt von den V-Modell-Grundlagen über die physikalisch-mathematische Modellierung in MATLAB/Simulink bis hin zum regelungstechnischen Reglerentwurf und systematischer Testabsicherung.

Target Audience

Bachelor- und Master-Studierende der Fachrichtungen Mechatronik, Automatisierungstechnik, Systems Engineering und Informatik.

Course Prerequisites

  • Gute mathematische Grundlagen (Analysis, lineare Algebra, gewöhnliche Differentialgleichungen)
  • Grundverständnis physikalischer Gesetze (Mechanik, Elektrotechnik)
  • Erste Erfahrungen im Umgang mit numerischen Entwicklungsumgebungen

Learning Goals

  • Model-Based Systems Engineering (MBSE): Strukturierung mechatronischer Systeme nach dem V-Modell mit Black-Box/White-Box-Abstraktionen.
  • Mathematische Dynamik-Modellierung: Überführung physikalischer Systeme in Differentialgleichungen und Übertragungsfunktionen.
  • Simulation in Simulink: Aufbau hierarchischer Blockdiagramme, Solver-Parametrierung und Zustandsraum-Modelle.
  • Regelung & Stabilitätsanalyse: Entwurf von PID-Regelkreisen, Stabilitätsbewertung im Bodediagramm und Sprungantwortanalyse.

Course Syllabus

  1. Einführung in Systems Engineering & V-Modell: Methodische Grundlagen des interdisziplinären Systems Engineering: Systemgrenzen, Anforderungsmanagement, Funktionszerlegung und das VDI-2206-V-Modell.
  2. Physikalisch-mathematische Systemmodellierung: Physikalisch-mathematische Modellbildung mechatronischer Systeme: Bilanzgleichungen, Feder-Masse-Dämpfer, RLC-Netzwerke und Zustandsraumdarstellung.
  3. Blockdiagramme & Simulation in Simulink: Grafische Systemmodellierung und Zeitbereichssimulation in MATLAB/Simulink: Signalflusspläne, Integratorketten, Subsysteme und Wahl geeigneter ODE-Solver.
  4. Klassische Regelungstechnik & PID-Entwurf: Entwurf geschlossener Regelkreise: Führungs- und Störübertragungsfunktion, Charakteristik von P-, I- und D-Gliedern, Einstellregeln und Anti-Windup.
  5. Stabilitätsbewertung & Systemverifikation: Stabilitätsanalyse und formale Systemverifikation: Polstellenlage, Bode-Diagramm, Phasen- und Amplitudenreserve sowie modellbasiertes Testen (MiL/SiL/HiL).

Course Modules

Structured learning units covering theoretical foundations, practical implementations, and industry tooling.

Module 01

Einführung in Systems Engineering & V-Modell

Methodische Grundlagen des interdisziplinären Systems Engineering: Systemgrenzen, Anforderungsmanagement, Funktionszerlegung und das VDI-2206-V-Modell.

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Module 02

Physikalisch-mathematische Systemmodellierung

Physikalisch-mathematische Modellbildung mechatronischer Systeme: Bilanzgleichungen, Feder-Masse-Dämpfer, RLC-Netzwerke und Zustandsraumdarstellung.

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Module 03

Blockdiagramme & Simulation in Simulink

Grafische Systemmodellierung und Zeitbereichssimulation in MATLAB/Simulink: Signalflusspläne, Integratorketten, Subsysteme und Wahl geeigneter ODE-Solver.

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Module 04

Klassische Regelungstechnik & PID-Entwurf

Entwurf geschlossener Regelkreise: Führungs- und Störübertragungsfunktion, Charakteristik von P-, I- und D-Gliedern, Einstellregeln und Anti-Windup.

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Module 05

Stabilitätsbewertung & Systemverifikation

Stabilitätsanalyse und formale Systemverifikation: Polstellenlage, Bode-Diagramm, Phasen- und Amplitudenreserve sowie modellbasiertes Testen (MiL/SiL/HiL).

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