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Die Entwicklung der Rechentechnik ermöglichte in den vergangenen Jahrzehnten eine fortschreitende Miniaturisierung und zugleich eine erhebliche Steigerung der Rechenleistung. Einhergehend mit technisch immer besser einsetzbaren Peripherien, größeren Speichern und sinkenden Kosten eröffneten sich vielfältige Möglichkeiten, diese Technologien etwa in Form von Mikrocontrollern in verschiedensten Lebensbereichen einzusetzen. Die fortschreitende Integration führte zu einer starken Diversifikation und großen Typenvielfalt von Rechnerarchitekturen. Es entstand ein Spannungsfeld, in dem Entwickler die Aufgabe haben, diese Vielfalt zu überschauen und die geeignetste Rechnerarchitektur für die gestellten Anforderungen zu wählen. Auf der einen Seite stehen dabei die große Komplexität sowie die eingeschränkten Hilfsmittel der Auswahl, auf der anderen Seite die Bedeutung einer optimalen Auswahl für die gesamte Entwicklung, einschließlich der entstehenden Kosten, der Entwicklungszeit, dem Erfolg am Markt und der Möglichkeit zukünftiger Erweiterungen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den Anwendungskriterien von Ein-Chip-Mikrocontrollern und der Möglichkeit, den beschriebenen Auswahlprozess optimal zu unterstützen. Ausgehend von einer Abgrenzung der in dieser Arbeit thematisierten Mikrocontroller von anderen Rechnerarchitekturen werden in einem ersten Schritt qualitative Einflussgrößen auf Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten untersucht. Darauf aufbauend erfolgt eine Analyse quantitativer Bewertungsmöglichkeiten der Leistungsfähigkeit. Im Anschluss wird der Auswahlprozess im Rahmen der Anwendungs- bzw. Produktentwicklung näher betrachtet, um davon wesentliche Auswahlkriterien und Anforderungsbereiche abzuleiten. Das bestehende Spannungsfeld bezüglich der optimalen Auswahl einer Rechnerarchitektur wird hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Unterstützungsmöglichkeiten untersucht und bewertet. Als Folge der dabei festgestellten Optimierungspotentiale wird ein Bewertungsmodell zur automatisierten und projektspezifischen Bewertung und Visualisierung von Rechnerarchitekturen entwickelt. Dessen Funktion wird durch die softwaretechnische Umsetzung und Anwendung auf ein spezifisches Auswahlproblem eines Inspektionsroboters nachgewiesen.

Die Saint Venant Gleichungen (Englisch: Saint Venant Equations; SVEs) werden sehr häutig eingesetzt, um das Fließverhalten im offenen Kanal / Fluss zu beschreiben. Einerseits benötigen Modelle, die auf den SVEs basieren, sehr viele Daten für die Parametrierung und auch große Rechenzeiten, um das Fließverhalten zu simulieren. Andererseits sind vereinfachte Modelle eine oft angewandte Technik, um komplexe hydrodynamische Modelle für die modellbasierte Steuerung einzusetzen ohne die wichtigsten dynamischen Attribute zu vernachlässigen. Das adaptive Zeitverzögerungsmodell (Englisch: Adaptive Time Delay; ATD) erweitert den Anwendungsbereich des bisher eingesetzten Zeitverzögerungsmodells durch Simulation des Durchflusses mit einer prismatischen Trapezgeometrie. In dieser Arbeit wird die mathematische Herleitung des ATD-Modells aus dem linearisierten Saint Venant-Modell (SVEs) dargestellt. Die Übertragungsfunktionen des ATD-Modells und des komplexen hydraulischen Modells (SVEs) werden mittels Laplace-Transformation abgeleitet. Es wird die Taylor-Reihen-Entwicklung verwendet, um die Kumulanten der beiden Übertragungsfunktionen zu finden, und um daraus die Zeitkonstante und Totzeit des ATD-Modells als Funktionen der komplexen hydraulischen Modellparameter abzuleiten. Eine weitere Neuerung ist die Kopplung des ATD-Modells mit dem Reservoir-Modell, um den Effekt des Rückstaus zu simulieren. Das Gerinne ist dabei grundsätzlich in zwei Teile unterteilt: der stromaufwärtige gleichförmige Durchflussbereich und der stromabwärtige Rückstaubereich. Die Länge ist abhängig von der Fließgeschwindigkeit und dem stromabwärtigen Zustand. Die Modellparameter sind damit Funktionen sowohl der Fließgeschwindigkeit als auch der Länge der genannten Bereiche. Der dritte Beitrag in dieser Dissertation ist ein Verfahren, um Parameter des ATD-Modells anhand eines komplexen hydraulischen Modells zu identifizieren. Zunächst wird die typische Hydrographie eines extremen Hochwasserereignisses durch das Verfahren der medianen Hydrographanalyse erzeugt. Zweitens wird der typische Abfluss durch das komplexe Hydraulikmodell simuliert, um das Abflussverhalten zu bestimmen. Dann werden diese Daten verwendet, um Parameter des ATD-Modells durch ein Optimierungsverfahren zu ermitteln. Die Anwendung der neu entwickelten Verfahren wird am Beispiel der optimalen Steuerung einer Staustufenkaskade gezeigt. Der Vorteil ist, dass das ATD-Modell die Systemdynamik sehr gut beschreiben kann. Alle Modellerweiterungen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, wurden in die WaterLib Toolbox von der MATLAB SIMULINK zur Simulation von Wassersystemen integriert.