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The Inverted Rotary Pendulum: Facilitating Practical Teaching in Advanced Control Engineering
(2024)
This paper outlines a practical approach to teach control engineering principles, with an inverted rotary pendulum, serving as an illustrative example. It shows how the pendulum is embedded in an advanced course of control engineering. This approach is incorporated into a flipped-classroom concept, as well as classical teaching concepts, offering students practical experience in control engineering. In addition, the design of the pendulum is shown, using a Raspberry Pi as the target platform for Matlab Simulink. This pendulum can be used in the classroom to evaluate the controller design mentioned above. It is analysed if the use of the pendulum generates a deeper understanding of the learning contents.
After a brief introduction of conventional laboratory structures, this work focuses on an innovative and universal approach for a setup of a training laboratory for electric machines and drive systems. The novel approach employs a central 48 V DC bus, which forms the backbone of the structure. Several sets of DC machine, asynchronous machine and synchronous machine are connected to this bus. The advantages of the novel system structure are manifold, both from a didactic and a technical point of view: Student groups can work on their own performance level in a highly parallelized and at the same time individualized way. Additional training setups (similar or different) can easily be added. Only the total power dissipation has to be provided, i.e. the DC bus balances the power flow between the student groups. Comparative results of course evaluations of several cohorts of students are shown.
Seit Ende 2022 prägt das Schlagwort „Künstliche Intelligenz“ (KI) nicht nur den rechtswissenschaftlichen Diskurs. Die allgemeine Verfügbarkeit von generativen KI-Modellen, allen voran die großen Sprachmodelle (Large Language Models, kurz: LLM) wie ChatGPT von OpenAI oder Bing AI von Microsoft, erfreuen sich größter Beliebtheit: LLM sind in der Lage, auf Grundlage statistischer Methoden – eine entsprechende Schnittstelle (Interface) vorausgesetzt – auch technisch wenig versierten Nutzern verständliche Antworten auf ihre Fragen zu liefern. Dabei werden nicht nur umfassend Nutzerdaten verarbeitet, sondern auch auf weitere personenbezogene Daten zugegriffen sowie neue Daten erzeugt. Der Beitrag geht der Frage nach, welche spezifischen datenschutzrechtlichen Herausforderungen sich für Unternehmen beim Einsatz solcher LLM stellen.
Frequency mixing magnetic detection (FMMD) is a sensitive and selective technique to detect magnetic nanoparticles (MNPs) serving as probes for binding biological targets. Its principle relies on the nonlinear magnetic relaxation dynamics of a particle ensemble interacting with a dual frequency external magnetic field. In order to increase its sensitivity, lower its limit of detection and overall improve its applicability in biosensing, matching combinations of external field parameters and internal particle properties are being sought to advance FMMD. In this study, we systematically probe the aforementioned interaction with coupled Néel–Brownian dynamic relaxation simulations to examine how key MNP properties as well as applied field parameters affect the frequency mixing signal generation. It is found that the core size of MNPs dominates their nonlinear magnetic response, with the strongest contributions from the largest particles. The drive field amplitude dominates the shape of the field-dependent response, whereas effective anisotropy and hydrodynamic size of the particles only weakly influence the signal generation in FMMD. For tailoring the MNP properties and parameters of the setup towards optimal FMMD signal generation, our findings suggest choosing large particles of core sizes dc > 25 nm nm with narrow size distributions (σ < 0.1) to minimize the required drive field amplitude. This allows potential improvements of FMMD as a stand-alone application, as well as advances in magnetic particle imaging, hyperthermia and magnetic immunoassays.
New insights into the influence of pre-culture on robust solvent production of C. acetobutylicum
(2024)
Clostridia are known for their solvent production, especially the production of butanol. Concerning the projected depletion of fossil fuels, this is of great interest. The cultivation of clostridia is known to be challenging, and it is difficult to achieve reproducible results and robust processes. However, existing publications usually concentrate on the cultivation conditions of the main culture. In this paper, the influence of cryo-conservation and pre-culture on growth and solvent production in the resulting main cultivation are examined. A protocol was developed that leads to reproducible cultivations of Clostridium acetobutylicum. Detailed investigation of the cell conservation in cryo-cultures ensured reliable cell growth in the pre-culture. Moreover, a reason for the acid crash in the main culture was found, based on the cultivation conditions of the pre-culture. The critical parameter to avoid the acid crash and accomplish the shift to the solventogenesis of clostridia is the metabolic phase in which the cells of the pre-culture were at the time of inoculation of the main culture; this depends on the cultivation time of the pre-culture. Using cells from the exponential growth phase to inoculate the main culture leads to an acid crash. To achieve the solventogenic phase with butanol production, the inoculum should consist of older cells which are in the stationary growth phase. Considering these parameters, which affect the entire cultivation process, reproducible results and reliable solvent production are ensured.
Wie kann man das Thema Forschungsdatenmanagement (FDM) konkret und anwendbar für Forschende gestalten, die bisher noch wenig Kontakt damit hatten? Auf diese Frage gibt das Konzept „30 Minuten FDM für HAW. Ein Informationsformat für Forschende an HAW in NRW“ eine Antwort. Es entstand als Projektarbeit im Zertifikatskurs Forschungsdatenmanagement 2023/24
06| Warum es gemeinsam besser geht
10| Interview
14| Wer ist hier der Boss?
18| Schnittstelle zwischen Mensch und Technik
22| Zweite Heimat Jülich
28| Zwischen Angst und Hoffnung
32| Eine Sternstunde für die FH Aachen
36| Gegen alle Widerstände
38| Ein Ort, der bleibt
42| Der Aufblühende
46| Der Computer sitzt am Steuer
52| Da geht das Herz auf
54| Hoch hinaus
58| Beratungsangebote
60| Das alte Schätzchen
This thesis aims at the presentation and discussion of well-accepted and new
imaging techniques applied to different types of flow in common hydraulic
engineering environments. All studies are conducted in laboratory conditions and
focus on flow depth and velocity measurements. Investigated flows cover a wide
range of complexity, e.g. propagation of waves, dam-break flows, slightly and fully
aerated spillway flows as well as highly turbulent hydraulic jumps.
Newimagingmethods are compared to different types of sensorswhich are frequently
employed in contemporary laboratory studies. This classical instrumentation as well
as the general concept of hydraulic modeling is introduced to give an overview on
experimental methods.
Flow depths are commonly measured by means of ultrasonic sensors, also known as
acoustic displacement sensors. These sensors may provide accurate data with high
sample rates in case of simple flow conditions, e.g. low-turbulent clear water flows.
However, with increasing turbulence, higher uncertainty must be considered.
Moreover, ultrasonic sensors can provide point data only, while the relatively large
acoustic beam footprint may lead to another source of uncertainty in case of
relatively short, highly turbulent surface fluctuations (ripples) or free-surface
air-water flows. Analysis of turbulent length and time scales of surface fluctuations
from point measurements is also difficult. Imaging techniques with different
dimensionality, however, may close this gap. It is shown in this thesis that edge
detection methods (known from computer vision) may be used for two-dimensional
free-surface extraction (i.e. from images taken through transparant sidewalls in
laboratory flumes). Another opportunity in hydraulic laboratory studies comes with
the application of stereo vision. Low-cost RGB-D sensors can be used to gather
instantaneous, three-dimensional free-surface elevations, even in flows with very
high complexity (e.g. aerated hydraulic jumps). It will be shown that the uncertainty
of these methods is of similar order as for classical instruments.
Particle Image Velocimetry (PIV) is a well-accepted and widespread imaging
technique for velocity determination in laboratory conditions. In combination with
high-speed cameras, PIV can give time-resolved velocity fields in 2D/3D or even as
volumetric flow fields. PIV is based on a cross-correlation technique applied to small
subimages of seeded flows. The minimum size of these subimages defines the
maximum spatial resolution of resulting velocity fields. A derivative of PIV for
aerated flows is also available, i.e. the so-called Bubble Image Velocimetry (BIV). This
thesis emphasizes the capacities and limitations of both methods, using relatively
simple setups with halogen and LED illuminations. It will be demonstrated that
PIV/BIV images may also be processed by means of Optical Flow (OF) techniques.
OF is another method originating from the computer vision discipline, based on the
assumption of image brightness conservation within a sequence of images. The
Horn-Schunck approach, which has been first employed to hydraulic engineering
problems in the studies presented herein, yields dense velocity fields, i.e. pixelwise
velocity data. As discussed hereinafter, the accuracy of OF competes well with PIV
for clear-water flows and even improves results (compared to BIV) for aerated flow
conditions. In order to independently benchmark the OF approach, synthetic images
with defined turbulence intensitiy are used.
Computer vision offers new opportunities that may help to improve the
understanding of fluid mechanics and fluid-structure interactions in laboratory
investigations. In prototype environments, it can be employed for obstacle detection
(e.g. identification of potential fish migration corridors) and recognition (e.g. fish
species for monitoring in a fishway) or surface reconstruction (e.g. inspection of
hydraulic structures). It can thus be expected that applications to hydraulic
engineering problems will develop rapidly in near future. Current methods have not
been developed for fluids in motion. Systematic future developments are needed to
improve the results in such difficult conditions.
High aerodynamic efficiency requires propellers with high aspect ratios, while propeller sweep potentially reduces noise. Propeller sweep and high aspect ratios increase elasticity and coupling of structural mechanics and aerodynamics, affecting the propeller performance and noise. Therefore, this paper analyzes the influence of elasticity on forward-swept, backward-swept, and unswept propellers in hover conditions. A reduced-order blade element momentum approach is coupled with a one-dimensional Timoshenko beam theory and Farassat's formulation 1A. The results of the aeroelastic simulation are used as input for the aeroacoustic calculation. The analysis shows that elasticity influences noise radiation because thickness and loading noise respond differently to deformations. In the case of the backward-swept propeller, the location of the maximum sound pressure level shifts forward by 0.5 °, while in the case of the forward-swept propeller, it shifts backward by 0.5 °. Therefore, aeroacoustic optimization requires the consideration of propeller deformation.
In this work, the effects of carbon sources and culture media on the production and structural properties of bacterial cellulose (BC) synthesized by Medusomyces gisevii have been studied. The culture medium was composed of different initial concentrations of glucose or sucrose dissolved in 0.4% extract of plain green tea. Parameters of the culture media (titratable acidity, substrate conversion degree etc.) were monitored daily for 20 days of cultivation. The BC pellicles produced on different carbon sources were characterized in terms of biomass yield, crystallinity and morphology by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), atomic force microscopy and X-ray diffraction. Our results showed that Medusomyces gisevii had higher BC yields in media with sugar concentrations close to 10 g L−1 after a 18–20 days incubation period. Glucose in general lead to a higher BC yield (173 g L−1) compared to sucrose (163.5 g L−1). The BC crystallinity degree and surface roughness were higher in the samples synthetized from sucrose. Obtained FE-SEM micrographs show that the BC pellicles synthesized in the sucrose media contained densely packed tangles of cellulose fibrils whereas the BC produced in the glucose media displayed rather linear geometry of the BC fibrils without noticeable aggregates.
Even the shortest flight through unknown, cluttered environments requires reliable local path planning algorithms to avoid unforeseen obstacles. The algorithm must evaluate alternative flight paths and identify the best path if an obstacle blocks its way. Commonly, weighted sums are used here. This work shows that weighted Chebyshev distances and factorial achievement scalarising functions are suitable alternatives to weighted sums if combined with the 3DVFH* local path planning algorithm. Both methods considerably reduce the failure probability of simulated flights in various environments. The standard 3DVFH* uses a weighted sum and has a failure probability of 50% in the test environments. A factorial achievement scalarising function, which minimises the worst combination of two out of four objective functions, reaches a failure probability of 26%; A weighted Chebyshev distance, which optimises the worst objective, has a failure probability of 30%. These results show promise for further enhancements and to support broader applicability.
Subtilisins from microbial sources, especially from the Bacillaceae family, are of particular interest for biotechnological applications and serve the currently growing enzyme market as efficient and novel biocatalysts. Biotechnological applications include use in detergents, cosmetics, leather processing, wastewater treatment and pharmaceuticals. To identify a possible candidate for the enzyme market, here we cloned the gene of the subtilisin SPFA from Fictibacillus arsenicus DSM 15822ᵀ (obtained through a data mining-based search) and expressed it in Bacillus subtilis DB104. After production and purification, the protease showed a molecular mass of 27.57 kDa and a pI of 5.8. SPFA displayed hydrolytic activity at a temperature optimum of 80 °C and a very broad pH optimum between 8.5 and 11.5, with high activity up to pH 12.5. SPFA displayed no NaCl dependence but a high NaCl tolerance, with decreasing activity up to concentrations of 5 m NaCl. The stability enhanced with increasing NaCl concentration. Based on its substrate preference for 10 synthetic peptide 4-nitroanilide substrates with three or four amino acids and its phylogenetic classification, SPFA can be assigned to the subgroup of true subtilisins. Moreover, SPFA exhibited high tolerance to 5% (w/v) SDS and 5% H₂O₂ (v/v). The biochemical properties of SPFA, especially its tolerance of remarkably high pH, SDS and H₂O₂, suggest it has potential for biotechnological applications.
Ambitious climate targets affect the competitiveness of industries in the international market. To prevent such industries from moving to other countries in the wake of increased climate protection efforts, cost adjustments may become necessary. Their design requires knowledge of country-specific production costs. Here, we present country-specific cost figures for different production routes of steel, paying particular attention to transportation costs. The data can be used in floor price models aiming to assess the competitiveness of different steel production routes in different countries (Rübbelke, 2022).
Deammonification for nitrogen removal in municipal wastewater in temperate and cold climate zones is currently limited to the side stream of municipal wastewater treatment plants (MWWTP). This study developed a conceptual model of a mainstream deammonification plant, designed for 30,000 P.E., considering possible solutions corresponding to the challenging mainstream conditions in Germany. In addition, the energy-saving potential, nitrogen elimination performance and construction-related costs of mainstream deammonification were compared to a conventional plant model, having a single-stage activated sludge process with upstream denitrification. The results revealed that an additional treatment step by combining chemical precipitation and ultra-fine screening is advantageous prior the mainstream deammonification. Hereby chemical oxygen demand (COD) can be reduced by 80% so that the COD:N ratio can be reduced from 12 to 2.5. Laboratory experiments testing mainstream conditions of temperature (8–20°C), pH (6–9) and COD:N ratio (1–6) showed an achievable volumetric nitrogen removal rate (VNRR) of at least 50 gN/(m3∙d) for various deammonifying sludges from side stream deammonification systems in the state of North Rhine-Westphalia, Germany, where m3 denotes reactor volume. Assuming a retained Norganic content of 0.0035 kgNorg./(P.E.∙d) from the daily loads of N at carbon removal stage and a VNRR of 50 gN/(m3∙d) under mainstream conditions, a resident-specific reactor volume of 0.115 m3/(P.E.) is required for mainstream deammonification. This is in the same order of magnitude as the conventional activated sludge process, i.e., 0.173 m3/(P.E.) for an MWWTP of size class of 4. The conventional plant model yielded a total specific electricity demand of 35 kWh/(P.E.∙a) for the operation of the whole MWWTP and an energy recovery potential of 15.8 kWh/(P.E.∙a) through anaerobic digestion. In contrast, the developed mainstream deammonification model plant would require only a 21.5 kWh/(P.E.∙a) energy demand and result in 24 kWh/(P.E.∙a) energy recovery potential, enabling the mainstream deammonification model plant to be self-sufficient. The retrofitting costs for the implementation of mainstream deammonification in existing conventional MWWTPs are nearly negligible as the existing units like activated sludge reactors, aerators and monitoring technology are reusable. However, the mainstream deammonification must meet the performance requirement of VNRR of about 50 gN/(m3∙d) in this case.
Das Multimar Wattforum ist das größte Informationszentrum zum Thema Wattenmeer in Deutschland. Auf über 3000 Quadratmetern können große und kleine Besucher:innen eine interaktive Ausstellung über Wale, Watt und Weltnaturerbe bestaunen. Das Wattenmeer ist ein ganz besonderer Lebensraum und bietet vielen Lebewesen Zuflucht. Es wird durch die Gezeiten geprägt, bei Ebbe trocken und der Sonne ausgesetzt, bei Flut nass und salzig. Das neue Erscheinungsbild für das Multimar Wattforum soll die zentralen Werte und Alleinstellungsmerkmale hervorheben und dem Informationszentrum helfen, seiner Aufgabe als bildende, wissenschaftliche und schützende Einrichtung gerecht zu werden. So wurde ein einheitliches und skalierbares Erscheinungsbild und eine flexible Bild- und Wortmarke entwickel
Jedes Jahr werden Hunderttausende Fahrradrahmen produziert. 90 % davon werden in Asien hergestellt und von dort über die ganze Welt versendet. Mehr als 80 % der Rahmen werden nach der Nutzung wieder nach Asien zurückgeschickt und landen dort auf riesigen Fahrradfriedhöfen. Das Kinderfahrradkonzept "KiBix" wirkt diesem Problem entgegen, indem es eine Alternative für das regelmäßige Kaufen von neuen Kinderfahrrädern bietet. Im Fokus stehen der Kinderfahrradrahmen und die Gabel aus Kunststoff, welche im Spritzgussverfahren produziert werden. Das City-Bike ist in ein Abo-Sharing-System mit Rädern in unterschiedlichen Größen eingebettet, welches durch eine monatliche Gebühr wie das Eigene genutzt werden kann. Der hohlgespritzte Rahmen ermöglicht die Integration kleiner Boxen im Inneren, in denen Kinder ihre persönlichen "Schätze" mitnehmen können. Somit vereint das Konzept die drei Segmente Material/Produktion, Sharing-System und die Mitnahme des "Schatzes". "KiBix" gibt Kindern in Zeiten der Digitalisierung und der globalen Erwärmung die Möglichkeit, selbstbestimmt und nachhaltig die Welt zu erkunden.
Atmen tut jeder, automatisch. Es wird nicht auf die Ausführung geachtet. Doch was, wenn nur ein wenig Feinschliff an unserer Atmung bereits Großes für unsere Gesundheit bewirkt?
Von etlichen unterschiedlichen Studien wurde bezeugt, dass Atmung und Empfinden eins sind. Das persönliche Empfinden ist unser Portal zur Außenwelt. Die Art wie wir auf äußerliche Reize reagieren, wie achtsam wir im Tun und Denken sind, spiegelt unsere Innenwelt und körperliches Wohlbefinden wieder.
FLOWCEAN QI dient dazu, Stress- und Angststörungen im Alltagsleben für Berufstätige mit hohem Stressfaktor zu reduzieren. Vor allem, um das Gesundheitssystem zu entlasten und die Psyche der Menschen gesund wieder aufzubauen. Sind Berufstätige viel gelassener, steigen auch Leistung und Produktivität. Es ist immer wichtig, die Kernursache von Problemen zu finden und zu lösen. So können auch vielerlei andere auf die Psyche zurückzuführende Probleme der Gesellschaft gelöst werden.
FLOWCEAN QI agiert durch modernste Technologie aktiv mit dem Nutzer. Die KI-Assistenz gestaltet das Lernen der Atemtechniken spaßiger, was wiederum den Lerneffekt verbessert. Der Beamer wird im Innenbereich platziert und der Tracker begleitet einen unterwegs und zeichnet die Datenanalyse auf. Für mehr Datenschutz ist das Armband ein reines offline Produkt. Förmlich sollte es dem Nutzer nah sein, naturverbunden, vertrauenswürdig und beruhigend wirken.
FLOWCEAN QI basiert gestalterisch auf eine antike japanische Philosophie namens „Kintsugi“. Nach der japanischen Philosophie Kintsugi werden zerbrochene Teegläser wiederzusammengeklebt statt weggeworfen. Die in Teile getrennten Elemente werden glatt und geschmeidig wieder zusammengefügt. Sie formen ein neues Ganzes, dass die Schönheit des Originals meist übertrifft. Die Ästhetik hinter „Kintsugi“ nennt man „Wabi-Sabi“. Es bedeutet, die Schönheit im Vergänglichen, Alten oder Fehlerhaften zu verstehen. Die Philosophie dahinter wird metaphorisch auf das Design abgebildet und auf unsere Gesundheit übertragen. Statt letztere zu ignorieren, schenken wir ihr unsere volle Aufmerksamkeit. Ziel der Produkte ist, uns stets an sie zu erinnern, sodass wir täglich an unserem Wohlbefinden arbeiten können.
Elektronische Musik umgibt uns alle. Der Einfluss elektronischer Musikproduktion auf moderne Popularmusik ist nicht von der Hand zu weisen und ihre Produktionstechniken für heutige Standards unverzichtbar. Über die Jahre ihrer Entwicklung und den dabei entstandenen Musikrichtungen verschwanden die individuellen Charakteristika der verschiedenen Subgenres allerdings oft einfach unter der Sammelbezeichnung elektronischer Musik.
»Electrovisuals« stellt die auditiven Eigenschaften elektronischer Musik in Form von klaren Infografiken dar und sorgt damit für ein besseres Verständnis von Rhythmus und Struktur der Songs. Die verschiedenen Subgenres werden multimedial inszeniert und einander gegenübergestellt, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zu betonen.
Mithilfe seiner Aufbereitung stellt das Projekt die hohe Diversität elektronischer Musik heraus und bereitet sie eindrucksvoll und greifbar auf.
Enma ist eine Energiemanagement-Anwendung, die verschiedene Nutzer:innengruppen zusammenführt und damit den Prozess vereinfacht. Die aktuelle Energiekrise betrifft insbesondere Unternehmen, die in der Energieerzeugung tätig sind. Die Digitalisierung wird für Unternehmen in der Zukunft immer wichtiger und sie werden sich ihr nicht entziehen können. Daher benötigen insbesondere Unternehmen, die keinen dedizierten Energiemanager:innen beschäftigen, gezielte Unterstützung von Anwendungen. Auch Vertriebspartner:innen und Hersteller:innen von Produkten wie PV-Anlagen und Stromspeichern, die von solch einer Anwendung profitieren können, wollen ihren Kunden:innen Sicherheit und Unterstützung bieten. Dafür ist eine Anwendung erforderlich, die dies vereint. Das Ziel war es, das Backend von OpenEMS (Energiemanagementsystems) zu nutzen und zusätzlich einen menschenzentrierten und umweltfreundlichen Ansatz zu bieten. Um die Anwendung realistischer zu gestalten, wurde sie in Kooperation mit dem Unternehmen Voltfang entwickelt.
Roverandom : eine illustrative Aufarbeitung und Neuinterpretation des Kinderbuches von J.R.R Tolkien
(2023)
Die Geschichte „Roverandom“ von J.R.R Tolkien lädt auf eine spannende Reise an der Seite des kleinen Hundes Rover ein, welche zum Mond und in die Tiefsee, vorbei an Zauberern und Drachen führt. Um das Abenteuer Tolkiens neu aufleben zu lassen, befasst sich dieses Projekt mit der illustrativen Aufarbeitung der Geschichte. Auf Grundlage der Betrachtung von Inspirationen und eigenen Illustrationen des englischen Schriftstellers entwickelte sich eine einheitliche Gestaltung innerhalb des Projekts. Durch die Kombination analoger und digitaler Medien entstanden über 40 Illustrationen, welche verschiedenste Szenen visualisieren und so die Welt des kleinen Hundes Rover auf eine anschauliche Art und Weise darstellen. Die Geschichte „Roverandom“ wird so durch eine ganz eigene Bildsprache visuell begleitet und für interessierte Leser:innen neu geöffnet.