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Projekte

  • Automatisiertes Rangieren von Fahrzeuggespannen
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. September 2019 - 31. August 2022
    Mittelgeber: Industrie
  • Modulare und hierarchische Ansätze für die Regelung nebenläufiger zeitbewerteter ereignisdiskreter Systeme
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 15. Juli 2019 - 14. Juli 2022
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Neue Technologien haben zur Entwicklung von Systemen geführt, die
    weitgehend autonom agieren und typischerweise aus einer Vielzahl
    vernetzter Komponenten bestehen. Die Komplexität solcher Systeme
    erfordert neuartige Ansätze zur Modellierung und Reglersynthese, um die
    gewünschte Funktionalität zu garantieren. Ereignisdiskrete Systeme
    (discrete-event systems, DES) sind Modelle, deren Dynamik durch das
    Auftreten asynchroner Ereignisse charakterisiert wird. Solche Modelle
    eignen sich für viele "man made Systems", wie beispielsweise
    automatisierte Transportvorrichtungen und flexible Fertigungsanlagen.
    Die Modellierung ereignisdiskreter Systeme erfolgt mit aus der
    Informatik bekannten Beschreibungsmitteln, wie etwa endlichen Automaten,
    formalen Sprachen oder Petri-Netzen. Zur Reglersyn these hat sich die
    sog. "supervisory control theory" etabliert, bei der der Regler bzw.
    supervisor aus vergangenen Ereignissen ableitet, welche Ereignisse
    aktuell unterbunden werden müssen, um einen wunschgemäßen Ablauf des
    geregelten Systems zu gewährleisten. Eine zentrale Herausforderung ist
    hierbei die in der Komponentenzahl exponentiell wachsende Zahl von
    Zuständen des Gesamtsystems. Dieser begegnet man durch modulare oder
    hierarchische Ansätze, die das explizite Erstellen eines Gesamtmodells
    umgehen. In ihrer Grundform beschreiben ereignisdiskrete Systeme nur die
    Reihenfolge der Abfolge von Ereignissen. Dies reicht aus, um Regler zu
    entwerfen, die einen sicheren und zielführenden Betrieb des geregelten
    Systems garantieren. In vielen Anwendungen spielt aber neben Sicherheit
    auch Performanz eine Rolle. Letztere bezieht sich i.A. nicht nur auf die
    Reihenfolge sondern auch auf die Zeitpunkte, zu denen Ereignisse
    auftreten. Dazu bietet die Literatur eine Auswahl von Modellformen, die
    sich hinsichtlich ihrer Ausdrucksstärke deutlich unterscheiden. Am
    unteren Ende rangieren Ansätze nach Brandin/Wonham, bei denen das
    Verstreichen von Zeit durch das globale Ereignis "tick" abgebildet wird,
    sowie sog. zeitbewertete Ereignisgraphen (timed event graphs, TEGs),
    deren Verhalten sich als Lösungen linearer (max,+)- Gleichungen
    darstellen lässt. Für beide Ansätze ist die Reglersynthese gut
    erforscht. Allerdings wird die hier verfügbare Ausdrucksstärke vielen
    Anwendungen nicht gerecht: Modelliert man nach Brandin-Wonham, so lassen
    sich nebenläufige Prozesse, die mehrere unabhängige Echtzeituhren
    erfordern, nicht darstellen; verwendet man zeitbewertete
    Ereignisgraphen, so können logische Verzweigungen nicht dargestellt
    werden. In diesem Projekt wollen wir effiziente Methoden zur
    ereignisdiskreten Regelung für Modellformen untersuchen, die in ihrer
    Ausdrucksstärke über die beiden genannten Ansätze deutlich hinaus gehen.
    Wir streben insbesondere an, mit Hilfe modularer und hierarchischer
    Methoden für sog. (max,+)-Automaten und ausgewählt strukturierte
    Petri-Netze Regler zu entwerfen, die gegebene Anforderungen hinsichtlich
    Korrektheit und Performanz garantieren.
  • Agentensysteme zur intelligenten und robusten Steuerung komplexer Energiesysteme in Nichtwohngebäuden als Bestandteil des übergeordneten Energiesystems; Teilvorhaben: Regelungsentwicklung und Analyse
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Agentensysteme zur intelligenten und robusten Steuerung komplexer Energiesysteme in Nichtwohngebäuden als Bestandteil des übergeordneten Energiesystems (AGENT)
    Laufzeit: 1. Mai 2019 - 30. April 2022
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
  • Formale Verifikation in der Fertigungsautomatisierung (Projektabschnitt B1)
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 15. April 2019 - 14. April 2020
    Mittelgeber: Siemens AG
  • Trajektorienplanung für Off-Road-Fahrzeuge
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. April 2019 - 31. Oktober 2021
    Mittelgeber: Industrie
  • Modulare verteilte modellprädiktive Regelung nichtlinearer nachbaraffiner Systeme
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. April 2019 - 31. Dezember 2020
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Steigende Anforderungen an die Effizienz und Flexibilität moderner Automatisierungs- und Regelungssysteme erfordern einen ganzheitlichen Ansatz für den Aufbau und die Regelung des Gesamtsystems, der über den isolierten Reglerentwurf für einzelne Subsysteme hinausgeht. Dezentrale und verteilte Regelungsansätze versuchen diesem ganzheitlichen Anspruch Rechnung zu tragen, indem wechselseitige Abhängigkeiten der einzelnen Elemente eines zu regelnden Systems im Modellierungsprozess abgebildet und beim Entwurf der Regelstrategie explizit berücksichtigt werden.  In diesem Umfeld hat sich die modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control - MPC) als geeignet erwiesen. Im Kern basiert MPC auf der Lösung eines Optimalsteuerungsproblems über einem endlichen Horizont, das gemäß der Abtastrate des Systems iterativ gelöst wird. Eine Erweiterung von MPC für verteilte bzw. gekoppelte Systeme stellt die verteilte modellprädiktive Regelung dar, bei der jedem Subsystem ein lokaler modellprädiktiver Regler (Agent) zugeordnet wird. In diesem Forschungsprojekt wird ein verteiltes modellprädiktives Regelungsverfahren für nichtlineare, gekoppelte Systeme entwickelt, bei dem jeder MPC-Agent ein Modell seiner Nachbarschaftsdynamik berücksichtigt und somit das dynamische Verhalten der an das entsprechende Subsystem gekoppelten Nachbarsysteme antizipieren kann, um die Konvergenzeigenschaften und Robustheit des Gesamtalgorithmus maßgeblich zu verbessern. Neben der Entwicklung und mathematischen Untersuchung dieser Methodik stellt ein weiteres Ziel des Antrages die numerische und experimentelle Umsetzung des verteilten Regelungsansatzes dar. Insbesondere ist die Entwicklung eines modularen Rahmenwerks geplant, das die einfache Konfiguration und Änderung der Kopplungsstruktur für geeignete Systemklassen ermöglicht.
  • Nachgiebigkeit für ein Roboterassistenzsystem
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. April 2019 - 30. September 2022
    Mittelgeber: Industrie
  • Formale Verifikation in der Fertigungsautomatisierung (Projektabschnitt A)
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 15. April 2018 - 14. April 2019
    Mittelgeber: Siemens AG
  • Fehlerdiagnose verteilt-parametrischer Systeme mittels Modulationsfunktionen
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 1. April 2018 - 31. März 2021
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
  • Regelgütegewahrer Entwurf von bedarfsgesteuerten Echtzeitregelungssystemen
    (Projekt aus Eigenmitteln)
    Laufzeit: 1. September 2015 - 30. September 2021
    URL: https://www4.cs.fau.de/Research/qronOS/
    Ein maßgebliches Entwurfsziel von sicherheitskritischen Regelungssystemen ist die nachweisbare Einhaltung eines spezifischen Qualitätsziels im Sinne der Regelgüte. Dies bedingt die Bereitstellung einer entsprechenden Dienstgüte durch das darunter liegende Echtzeitbetriebssystem in Form von Ressourcen. Der Zusammenhang zwischen der auf zeitlichen Parametern basierenden Dienstgüte und der resultierenden Regelgüte ist dabei jedoch nicht immer einfach: Der nötige Ausführungsaufwand variiert deutlich mit der Situation und Störanregung und umgekehrt haben die konkreten Ausführungsbedingungen einen qualitativen Einfluss auf die Regelgüte. Um trotz all dieser Zusammenhänge die Einhaltung der Regelgüte zu gewährleisten, werden typischerweise pessimistische Überabschätzungen, insbesondere der maximalen Ausführungskosten, getroffen. Daraus ergibt sich letztlich ein hinsichtlich der bereitgestellten Ressourcen stark überdimensioniertes System, wobei der Grad der Überdimensionierung mit der Komplexität und Dynamik des betrachteten Systems überproportional steigt. Hierdurch ist zu erwarten, dass die bisherigen pessimistischen Entwurfsmuster und Analysetechniken in Zukunft an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel hierfür sind komplexe, adaptive und gemischt- kritische Fahrassistenz- und Autopilotfunktionen in Fahrzeugen, bei denen eine allgemeingültige Garantie für alle Fahrsituationen und Umweltbedingungen weder zweckmäßig noch realistisch ist. Die skizzierte Problematik ist letztlich nur durch eine interdisziplinäre Betrachtung regelungstechnischer und echtzeitsystemorientierter Aspekte zu lösen. Das Forschungsvorhaben geht von existierendem Wissen zum Entwurf von Echtzeitregelungssystemen mit weichen, festen und harten Zeitgarantien aus. Es wird die Grundannahme getroffen, dass der Rechenzeitbedarf der Anwendung signifikant zwischen typischer und maximaler Störanregung variiert und entsprechend zu situationsabhängigen Reserven führt. Hinterfragt wird der rein auf zeitlichen Eigenschaften basierende Entwurf des Gesamtsystems ohne Berücksichtigung der Dynamik der Regelgüte und die damit einhergehende pessimistische Auslegung. Das Ziel des Vorhabens ist die Vermeidung von Pessimismus beim Entwurf von harten Echtzeitsystemen für Regelungsanwendungen mit strikten Qualitätsgarantien und somit die Auflösung des Zielkonfliktes zwischen der Garantie der Regelgüte und einer hohen mittleren Leistungsfähigkeit des Systems. Der verfolgte Lösungsansatz stützt sich auf einen gemeinsamen Entwurf von Regelungsanwendung und Ausführungsumgebung und umfasst die folgenden drei Kernpunkte: die modellgestützte Bewertung der Regelgüte, eine vorausschauende Ablaufplanung von Regelungsaktivitäten und ein hybrides Ausführungsmodell zur Einhaltung der Garantien.
  • Systematischer Entwurf hierarchisch-hybrider Regler
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: FOR 468: Methods from discrete mathematics for the synthesis and control of chemical processes
    Laufzeit: 1. Januar 2006 - 30. Januar 2011
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    Ziel des beschriebenen Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines in der ersten Antragsphase untersuchten Verfahrens zum hierarchischen Entwurf hybrider Regelsysteme. Das genannte Verfahren ermöglicht es, sowohl ingenieurwissenschaftliche Intuition und regelungstechnische Standardverfahren als auch moderne Methoden der diskreten Optimierung auf sichere Weise in einen formalen Entwurfsvorgang einzubinden. Es trägt so zur Beherrschbarkeit der hybriden Regelproblemen innewohnenden Komplexität bei und wurde in der ersten Antragsphase erfolgreich auf eine Mehrprodukt-Batchanlage angewandt. Um das Verfahren zu einer praxistauglichen Entwurfsmethode zu machen, sind eine Reihe von methodischen Weiterentwicklungen notwendig. Diese betreffen strukturelle Fragen hinsichtlich der hierarchischen Reglerarchitektur, Fragen der effizienten Berechnung diskreter Abstraktionen durch sichere Abschätzung erreichbarer Zustandsmengen sowie algorithmische Fragen beim Entwurf ereignisdiskreter Reglerebenen. Die praktische Anwendbarkeit des resultierenden hierarchischen Entwurfsverfahrens soll anhand eines strukturvariablen chromatographischen Trennprozesses nachgewiesen werden.