Echtzeitsysteme - Klausur

Behandelter Stoff

Vorlesung

Der Dozent verwendete einige Abkürzungen, die mir nicht geläufig waren. Diese habe ich unter anderem in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Abkürzungen

• LLF: Least-Laxity-First-Scheduling
• EDF: Earliest-Deadline-First-Scheduling
• GPS: Guaranteed Percentage Scheduling

Wichtiges

• Ist eine Übertragungsfunktion in Pol-und-Nullstellenform \(G(s)\) stabil? → Ja, falls der Realanteil aller Pole negativ ist.
• Ist eine Funktion \(G(s)\) stabile? → Ja, falls die Nullstellen der Gleichung \(G(s)+1=0\) links der \(i\)-Achse liegen.
• Ist \(G(i \omega)\) stabil? → Ja, falls die Kurve (-1, 0i) NICHT umfährt (siehe Nyquistkriterium)

Hurwitz-Kriterium

Ein System \(a_n x^{(n)} + a_{n-1} x^{(n-1)} + \dots + a_1 \dot{x} + a_0 x = 0\) ist dann stabil, wenn

1. alle Koeffizienten \(a_i > 0\) UND
2. alle Hauptabschnittsdeterminanten (auch Hauptminoren genannt) positiv sind.

Insbesondere gilt für \(a_2 \cdot \ddot{x} + a_1 \dot{x} + a_0 x = 0\), dass die Hauptabschnittsdeterminanten von

zu überprüfen sind. Das ist jedoch schon durch das erste Kriterium erfüllt.

Bei \(a_3 \cdot x^{(3)} + a_2 \cdot \ddot{x} + a_1 \dot{x} + a_0 x = 0\) ist

zu überprüfen, also:

• \(a_2 > 0\)?
• \(a_2 \cdot a_1 - a_0 > 0\)? (the determinant of size 2 and 3 is the same)

Schaltungen

• Subtrahierer: \(U_A = \frac{R_0 (R_1 + R_3)}{R_1 (R_0 + R_2)} \cdot U_2 - \frac{R_3}{R_1} \cdot U_1\)
• Invertierender Addierer: \(U_A = - \left (\sum_{i=1}^{N-1} \frac{U_i}{R_i} \right ) \cdot R_N\)
• Integrierer: \(- \frac{1}{RC} \int U_E \mathrm{d}t\)
• Differenzierer: \(U_A = - R_N \cdot I_E\)
• Invertierender OP: \(y = - \frac{R_N}{R_1}\)
• Nicht-Invertierender OP: \(y = \frac{R_N+R_1}{R_1}\)
• Parallelverfahren (vgl. ES 2 - 37)

Typische Klausur

Die Klausuren sind alle sehr ähnlich zu einander:

• Regelung
  • Zeitkonstante Regelung: 7 Punkte
    • Definition Regelung / Steuerung: 1 Punkt
    • Laplace-Bereich / Übergangsfunktion: 1 Punkt
    • Transformationstabelle / Differentialgleichung: 1 Punkt
    • Ist ein gegebenes System stabil? (mit Übergangsfunktion): 1 Punkt
    • PID-Regler / stabilität / Fehler: 2 Punkte
    • Gütegrad von Regelungssystem: 1.5 Punkte
    • Bode-Diagramm: 1.5 Punkte
  • Zeitdiskrete Regelung: 8 Punkte
    • Aliasing / Abtasttheorem: 1 Punkt
    • Z-Transformierte Übertragungsfunktion G(z): 2 Punkte
    • Z-Transformierte / PD-Regelalgorithmus: 1 Punkt
    • Z-Transformierte / Regelkreis: 1 Punkt
    • Differenzialgleichungen → Differenzengleichung: 2 Punkte
    • Digital vs. Kontinuierlich (Diskretisierung): 1 Punkte
    • Stabilität eines Systems: 1 Punkt
• Rechnerarchitekturen / Busse / Operationsverstärker
  • Rechnerarchitekturen und Busse: 10 Punkte
    • Watchdog: 1 Punkt
    • Echtzeitausgabeeinheit (Konzept, Definition, Eigenschaften): 1 Punkt
    • Befehlsskalarer Prozessor / Sprungbedingungen: 1 Punkt
    • Bus-Eigenschaften: 2 Punkte
      • Echtzeitfähig oder nicht
      • Synchron ↔ asynchron
      • Getrennter Adress- und Datenbus ↔ multiplex
      • Burst-Datentransfer erlaubt oder auch nicht
  • Operationsverstärker in Analog- und Digitaltechnik: 8 Punkte
    • Schaltsymbol Operationsverstärker (mit Versorgungsspannung), Anschlüsse beschriften: 1 Punkt
    • Eingangsströme (real/ideal): 1 Punkt
    • Operationsverstärker: 4 Punkte
    • Prinzip Operationswandler: 1 Punkt
    • Asymmetrische / differenzielle Datenübertragung: 1 Punkt
    • A/D-Wandler: 2 Punkte
• Echtzeitkommunikation / Programmierung: 7 Punkte
  • ISO / OSI-Schichtenmodell: 1.5 Punkte
  • Manchester-Codierung: 1.5 Punkte
  • Übertragungsfehler: 1.5 Punkte
  • CAN-Dataframes: 2.5 Punkte
  • Zusätzliche Forderungen an Echtzeitsysteme: 1 Punkt
  • FPP-Scheduling: 2 Punkte
  • Periodenabweichung: 2 Punkte
  • Optimales Scheduling: 1 Punkt
  • Schwankungen: 1 Punkt
• Echtzeit-OS / SPS
  • Echtzeit-OS: 7 Punkte
    • Zusätzliche Anforderungen: 1 Punkt
    • Zusätzliche Anforderungen Middleware: 1 Punkt
    • Beispiele: 1 Punkt
    • Sperrsynchronisation: 2 Punkte
    • Seitenadressierung: 2 Punkte
  • SPS: 8 Punkte
    • FUP → AWL: 2.5 Punkte
    • FUP → Structured Text: 2.5 Punkte
    • 3 Verarbeitungsschirtte von SPS im zyklischen Programmbetrieb: 1 Punkt
    • Konventionelle SPS ↔ Soft: 1 Punkt
    • Graphische ↔ textuelle Programmiersprache: 1 Punkt

Material und Links

• Vorlesungswebsite
• Ilias
• Klausur-Musterlösungen
• Meine Anki-Karten (bestehend aus Teilen von Echtzeitsysteme - KIT Wörn und Echtzeitsysteme KIT Wörn Wissensfragen Klausur sowie weiteren Karten)

StackOverflow:

• What is the difference between DMA and memory-mapped IO?

Übungsbetrieb

• Wo sind die Übungsblätter: ? (Ilias?)
• Abgabeform: Keine Abgabe
• Abgabe (wochentag): Keine Abgabe
• Rücknahme: -
• Turnus: ?
• Übungsschein verpflichtend: Es gibt keinen Übungsschein.
• Bonus durch Übungsschein: Es gibt keinen Übungsschein.

Termine und Klausurablauf

Datum: Donnerstag, der 24.09.2015 von 14:00 Uhr-15:00 Uhr (Quelle)
Ort: Gehrtsen HS (Geb. 30.21)
Punkte: 60
Punkteverteilung: 4 Aufgaben à 15 Punkte:

• Regelung
• Rechnerarchitekturen, Busse, Operationsverstärker, Analog-/Digitaltechnik
• Echtzeitkommunikation und Echtzeitprogrammierung
• Echtzeitbetriebssysteme und SPS

Bestehensgrenze: ?
Übungsschein: Gibt es nicht.
Bonuspunkte: Gibt es nicht.
Ergebnisse: Die Noten der Klausur werden am Schwarzen Brett im IAR-IPR (Geb. 40.28, Foyer, links) ausgehängt. Noch ist nichts da (Stand: 24.09.2015)
Einsicht: wird über Ilias bekannt gegeben
Erlaubte Hilfsmittel: Keine

Fazit

Dieses Modul kann man sich getrost schenken. Wenn man vorher nichts von Regelungstechnik weiß, ist man hinterher auch nicht schlauer. Es scheint so zu sein, dass die klausurrelevanten Teile alle in den Übungen besprochen werden.

Die bereitgestellten Materialien hätten besser sein können. Es gibt zwar ein Skript welches sogar eine ISBN-Nummer hat, aber insbesondere bei dem Regelungstechnik-Teil ist es nicht sonderlich hilfreich. Ich hatte das Gefühl, dass mir da einfach Grundlagen fehlen. Diese werden auch nicht erklärt. Zu den PDF-Folien muss man sagen, dass diese zwar schnell im Ilias hochgeladen wurden, aber teilweise zu viele Informationen hatten. Es war nicht klar, was wichtig ist. Außerdem hat teilweise, wenn man nur die Folien angesehen hat, der Kontext gefehlt.

Ein Highlight waren Videos, in denen Roboter Kugeln auf einem Tablett sehr schnell transportieren. Dazu müssen die Roboter das Tablett im richtigen Winkel neigen. Das war ein Highlight der Vorlesung. Schade, dass nie erklärt wurde wie so etwas berechnet wird.

Vorwissen in der Regelungstechnik und bei Differentialgleichungen ist sicher hilfreich.

Die Klausurvorbereitung besteht hauptsächlich aus Auswendiglernen. Verständnis ist wohl nicht nötig (mal schauen... ich konnte keinen Notenschlüssel finden.), da die Klausuren immer nahezu identisch aufgebaut sind.

Meine Empfehlung an Studenten ist, in die Übung zu gehen. Da kommen die klausurrelevanten Sachen. Teilweise 1-zu-1 die gleichen Fragen.

Verbesserungsvorschläge für die Dozenten hätte ich auch ein paar:

1. Es sollte Tutorien geben.
2. Es sollte einen verpflichtenden Übungsschein geben. Mit 50% der Punkte hat man den Übungsschein, ab 75% gibts Bonuspunkte für die Klausur. Diese Übungsblätter werden von den Tutoren korrigiert und besprochen. Wenn die Studenten es reihenweise nicht schaffen merkt man schon, wo man die Vorlesung verbessern muss.
3. Veröffentlichung der Musterlösungen zu den Klausuren.
4. Anpassung des Skripts, z.B. wurde der VME-Bus durch den PCIe-Bus ersetzt.
5. Anpassung des Modulhandbuchs. Man sollte den Leuten empfehlen, zuvor die Vorlesung "Betriebssysteme" gehört zu haben.
6. Ein Wikibook beginnen. Wenn man das für jedes Modul machen würde, könnte man auch Abhängigkeiten besser sehen und Studenten könnten fehlendes Wissen leichter nachholen. Außerdem würde man das Wissen frei verfügbar machen und man könnte die Exzellenz der Lehre zeigen, falls man wirklich der Meinung ist die Lehre am KIT sei exzellent. Über die Diskussionsseiten könnten Studenten und andere weitgehend anonym ihre Fragen stellen und Verbesserungsvorschläge machen. Über das Wiki-System könnten freiwillige Helfer insbesondere bei zeitaufwendigen Grafiken helfen.