Kolloquium Automatisierungstechnik (144 000)
Übersicht SS 2008
Kolloquium Automatisierungstechnik
cand. ing. Yannick Salomon Nke (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Entwicklung, Implementierung und Erprobung eines Kompositions- und Simulationsverfahrens für Automatennetze
Für die Beschreibung des Verhaltens komplexer ereignisdiskreter Systeme ist ein neues komponentenorientiertes Modellierungsverfahren entwickelt worden, das auf einer Erweiterung der bekannten Eingangs- / Ausgangsautomaten um Koppeleingangs- und Koppelausgangssignale basiert. In diesem Vortrag wird ein unter MATLAB entwickeltes Werkzeug zur Komposition und Simulation des resultierenden Eingangs- / Ausgangsautomatennetzes präsentiert. Die an dem obigen Modellierungsverfahren vorgenommenen Anpassungen werden vorgestellt. Es wird gezeigt, wie Spezialschaltungen sowie die Parallel-, Reihen- und Rückführschaltungen untersucht werden können. Die praktische Umsetzung theoretischer Überlegungen sowie die Analyse von Systemeigenschaften anhand des entwickelten MATLAB-Werkzeugs werden an einem Anwendungsbeispiel demonstriert.
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Prof. Dr.-Ing. ChangHyok Yun (DFG research fellow, University of Science, Pyongyang, DPR Korea) sprach über das Thema:
Scheduling of networked control systems based on stability analysis of dynamical systems with time varying delays
Networked Control systems (NCSs) are feedback control systems that are closed over the shared communication network. Recently there have been highlighted attentions on the emerging research field from universities and industries. Whereas such network based control systems have many advantages in practice, performance of the systems is usually degraded due to the limited bandwidth of network, which results in transmission delay and even dropout of real-time communication data packets. This presentation gives an overview of recent results on NCSs and summarizes author's latest results of stability analysis and scheduling of NCSs, which are based on time delay system theory. It is shown how sampling, transmission delay and packet dropout can be described by multiple time varying delays as well as how the delay systems can be analyzed less conservatively . A case study of inverted pendulum is reported in detail with comparison between theoretical and experimental results.
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Dr.-Ir. Mihaly Petreczky (TU Eindhoven, Department of Mechanical Engineering, Systems Engineering Group.) sprach über das Thema:
Realization Theory for Hybrid Systems
In this talk we will present some recent results on realization theory of hybrid systems. Hybrid dynamical systems are dynamical systems which exhibit both continuous and discrete behaviour. There are numerous applications of hybrid systems, from car engines and conveyor belts to biochemical reaction networks.Generally speaking, the goal of realization theory is to answer the following questions.
- When does a certain input-output behaviour admit a state-space representation of a certain class?
- When is such a state-space representation minimal, does a minimal state-space representation exist,
is it unique? - How to compute/construct a (preferably minimal) state-space representation of an input-output behaviour?
Realization theory provides the theoretical foundation for the solutionof such practically relevant problems as systems identification, model reduction, state estimation and filtering. Realization theory was developed for linear and some classes of non-linear systems. However, there are few results on realization theory of hybrid systems. In this talk we will concentrate on hybrid state-space representations. A hybrid state-space representation consists of a finite collection of differential/difference equations and a finite state automaton. That is, based on the input-output behaviour of the system, we would like to a find a collection of differential/difference equations and a finite state automaton such that the resulting hybrid system exhibits the same input-output behaviour. We will describe a number of classes of hybrid systems for which we managed to develope realization theory. For these classes of hybrid systems, we will discuss the following results.
- Necessary and sufficient conditions for the existence of a hybrid state-space representation.
- Necessary and sufficient conditions for minimality of a hybrid state-space representation. We will show
that if the specified input-output behaviour has a hybrid state-space representation, it also has a minimal dimensional hybrid state-space representation and such a minimal representation is unique up to isomorphism. - Algorithm for computing a minimal hybrid state-space representation from finite input-output data and for transforming a hybrid representation to a minimal one.
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cand. ing. Helen Scholl (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Entwurf und Erprobung einer Zustandsregelung für eine Windkraftanlage mit hydrodynamischem Getriebe
Im Zusammenhang mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energien wächst auch das Interesse an der effektiven Nutzung der Windenergie. Das Konzept einer drehzahlvariablen Windkraftanlage mit Synchrongenerator kann mit Hilfe eines regelbaren hydrodynamischen Überlagerungsgetriebes realisiert werden. Eine Leistungsregelung über das Überlagerungsgetriebe ermöglicht es, dass die Generatordrehzahl trotz veränderlicher Rotordrehzahl nahezu konstant gehalten werden kann und somit auch für stark schwankende Windverhältnisse eine vorgegebene Leistung direkt in das Netz eingespeist wird. Neben den Turbulenzen des Windes wirkt sich auch der so genannte Turmvorstaueffekt als teilweise gravierende Störung in der Leistungsregelung aus, wodurch die Leistung periodisch um bis zu 10% reduziert wird. In diesem Vortrag wird ein neuer Ansatz zur Leistungsregelung durch einen Zustandsregler mit Beobachter vorgestellt, der in Kombination mit einer Vorsteuerung oder einem integralen Regler insbesondere den Turmvorstaueffekt minimieren soll. Es werden die Entwurfsproblematik und das modellbasierte Entwurfsvorgehen zur Auslegung der Zustandsregelung als LQG-Regelung dargestellt und wesentliche Ergebnisse der simulativen Erprobung der neu entwickelten Leistungsregelung präsentiert.
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M. Sc. Ozan Demir (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Konsensus und Kooperation in Multi-Agentensystemen
Im Zusammenhang mit wachsendem Interesse an vernetzten Systemen ist das Konsensproblem bei Agentennetzwerken ein populäres Thema geworden. In diesem Vortrag wird dieses Problem vorgestellt. Konsensusprotokolle in kontinuierlicher und diskreter Zeit mit fester und veränderlicher Kommunikationstopologie werden analysiert. Diese Analyse basiert auf Theoreme von Grafentheorie, Matrizentheorie und Regelungstheorie basiert. Einige wichtige von diesen Theoremen werden bekanntgemacht. Die Verbindung von Konsensproblemen in Multi-Agentensystemen und der Regelung von Fahrzeuganordnungen werden dargestellt. Mit Hilfe von Ergebnissen verschiedener Forscher werden der Stand der Technik und ein Ausblick auf zukünftige Forschungsthemen gegeben.
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Dipl.-Ing. Michael Baumgart (TU Dresden) sprach über das Thema:
Axiale Lagerung sowie Dämpfung und Kompensation von Biegungen einer Spindel mit einem Magnetlager in Tempelbauform
Aktiv magnetisch gelagerte Werkzeugmaschinenspindeln werden mit immer höheren Drehzahlen betrieben. Gleichzeitig besteht die Forderung nach einer gesteigerten Bearbeitungsgenauigkeit. Unter diesen Betriebsbedingungen kann es durch hochfrequente Anregungen zu Biegeschwingungen der Welle kommen, die die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen.In diesem Vortrag wird ein magnetisches Axiallager in Tempelbauform vorgestellt, das aufgrund separater Ansteuerung der einzelnen Magnetspulen gleichzeitig hohe axiale Kräfte und Drehmomente erzeugen kann. Ausgehend von der mechanischen Energie der Welle wird zur aktiven Dämpfung der Biegeschwingungen ein Regelungsgesetz hergeleitet, wobei die Drehmomente des Axiallagers als Stellgröße dienen. Ein Maß für die Durchbiegung wird durch Messen der radialen Verschiebung der Welle in drei Messebenen gewonnen.Vor dem Hintergrund der Hardware-Einsparung wird die Sensoreigenschaft des Axiallagers untersucht. Es werden Verfahren vorgestellt, mit denen aus den Spulenströmen und -spannungen die Rotorposition in Echtzeit bestimmt werden kann. Der digital arbeitende Leistungsverstärker des Magnetlagers wird zum Erzeugen einer zusätzlichen, additiven Messspannung sowie zum Messen und Auswerten der Ströme verwendet. Die Ergebnisse der Positionsbestimmung sind in großem Maße durch das Rauschen der Strommessung beeinflusst und weisen eine signifikante Temperaturabhängigkeit auf. Es wird eine Genauigkeit bis zu 30µm erzielt, wobei eine Signalbandbreite von ca. 2000 Hz eingehalten wird.
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Dipl.-Ing. Florian Wolff (Universität Karlsruhe, Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme) sprach über das Thema:
Zustandsmengenbeobachtung zur konsistenzbasierten Fehlerdiagnose nichtlinearer Systeme
Die hohe Komplexität moderner technischer Systeme erfordert in zunehmendem Maße den Einsatz geeigneter Verfahren zur Fehlerdiagnose, um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer eines Systems sicherstellen zu können. Dabei kommen verstärkt modellbasierte Diagnoseverfahren zum Einsatz, die in vielen Fällen leistungsfähiger sind als andere Diagnoseansätze. Häufig sind jedoch die zur Verfügung stehenden Systemmodelle oder die Messinformationen mit Unsicherheiten behaftet, die zur Vermeidung von Fehlalarmen im Diagnosealgorithmus berücksichtigt werden müssen. Es wird ein konsistenzbasiertes Diagnoseverfahren für nichtlineare Systeme vorgestellt, das eine systematische Berücksichtigung der vorhandenen Unsicherheiten erlaubt und damit durch den Ausschluß von Fehlalarmen ein robustes Diagnoseergebnis ermöglicht. Die Durchführung der Zustandsmengenbeobachtung für nichtlineare Systeme, die den Kern des Verfahrens darstellt, steht dabei im Mittelpunkt des Vortrags. Die Leistungsfähigkeit des Diagnoseverfahrens wird anschließend am Beispiel eines inversen Pendels demonstriert.
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Dipl.-Ing. Falk Hante (Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Angewandte Mathematik II) sprach über das Thema:
Modeling and Analysis of Modal Switching in Networked Transport Systems
We consider networked transport systems defined on directed graphs: the dynamics on the edges correspond to solutions of non-homogeneous transport equations with space dimension one. A major consideration is the introduction and propagation of discontinuities in the solutions when the system instantaneously switches modes (naturally or controlled), corresponding to changes in the nodal couplins, flow velocities or source terms. We wish to understand this hybrid system simultaneously as a design paradigm and as approximating multiscale problems in which the implementation of switching is merely on a faster scale than the transportation takes place. In particular, we give well-posedness results for switching as a control, both in finite horizon open loop operation and as feedback based on sensor measurements in the system. Potential applications are networked systems considered in civil engineering, which are operated by pumps, valves and other control elements, but similar multiscale problems also rise in various communication, information and logistic areas.
Kolloquium Automatisierungstechnik
Dr. ir. Nathan van de Wouw (TU Eindhoven, Department of Mechanical Engineering, Materials Technology) sprach über das Thema:
The convergence property and its application in nonlinear control
The purpose of this talk is twofold. First, we will argue that the notion of convergency, that stems from the Russian literature in the 50-60s of the last century, is extremely useful in the context of various nonlinear control synthesis problems. Convergency, which is closely related to notions like input-to-state stability or incremental stability, requires that for any bounded input, the system possesses a unique limiting solution. During the talk, convergency will be introduced and its use in solving regulation problems, such the tracking problem or the disturbance attenuation problem, will be demonstrated. The second contribution of the talk focuses on frequency response functions for the class of convergent nonlinear control systems. For this particular class, which encompasses standard linear systems, one can study the performance of a (control) system using 'linear' Bode magnitude plots. An example featuring the approach will be treated.The work reported is based on joint work with Alexey Pavlov (NTNU, Trondheim, Norway) and Henk Nijmeijer (TU/e).
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cand ing. Marco Wegener (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Funktionale Erweiterung einer Toolbox zur Simulation, Analyse und dem Entwurf ereignisgesteuerter kontinuierlicher Systeme
Ereignisgesteuerte kontinuierliche Systeme (EKS) beschreiben eine praktisch relevante Unterklasse hybrider Systeme, bei denen eine kontinuierliche Regelstrecke in Rückführung mit einem ereignisdiskreten Regler betrieben wird. Die Aufgabe des Reglers besteht darin, die Strecke zu geeigneten Zeitpunkten zwischen gegebenen Betriebsmodi so umzuschalten, dass die Spezifikation des Regelkreises eingehalten wird. Zur Simulation und Analyse ereignisgesteuerter Systeme wird eine speziell entworfene Simulationsumgebung verwendet. Zur Erleichterung der Handhabung von Modellen, ermöglicht der objektorientierte Ansatz hierbei, die zentralen Komponenten eines EKS (Strecke, Ereignisgenerator und Schaltlogik) unabhängig voneinander zu definieren. Der Vortrag stellt die Erweiterung des bestehenden Konzepts um zwei neue Komponenten ,,Schaltflächenregler und ,,Beobachter" eines EKS vor. Des Weiteren werden zwei Methoden für die Bestimmung eines zu stabilisierenden Grenzzyklus detailliert präsentiert. Die erweiterte Funktionalität der Simulationsumgebung wird anhand von Anwendungsbeispielen demonstriert.
Kolloquium Automatisierungstechnik
Dr. Pieter Collins (Centrum voor Wiskunde en Informatica, Amsterdam) sprach über das Thema:
Computability of the Evolution of Hybrid Systems
One of the most fundamental problems for nonlinear hybrid automata is to reliably compute the sets of states which can be reached by the evolution from a given initial set. In this talk I will show that in order to compute with guaranteed error bounds, it is vital to use the correct solution concept, or semantics of evolution. Further, a different semantics is needed for fault detection properties than safety properties. I will then show how these semantics can be used to prove non-Zenoness and non-blockingness, and discuss how these ideas are being implemented in the reachability tool Ariadne, and to provide a computable semantics of evolution for the modelling languages Hybrid-Chi and CIF.
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Dipl.-Ing. Lorenzo Sella (Centrum voor Wiskunde en Informatica, Amsterdam) sprach über das Thema:
Symbolic dynamics and discrete dynamics of hybrid systems
The theory of symbolic dynamics is a powerful tool to study discrete dynamical systems, in particular it is important to analyze qualitative properties of systems which exhibit chaotic dynamics. In this talk we present algorithms for the computation of symbolic dynamics of one dimensional discrete dynamical systems and also for the computation of topological entropy, a quantity which characterizes the level of chaoticity of the system. We also show how to study the discrete dynamics of an hybrid system by applying results from symbolic dynamics to a return map of the hybrid system.
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Dipl.-Ing. Axel Schild (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Eine Einführung in die Systemanalyse und den Reglerentwurf mittels Methoden
der linearen Matrixungleichungen
Die Analyse von Stabilitäts- und Güteeigenschaften linearer Regelkreise stellt eine fundamentale Fragestellung der Regelungs- und der Systemtheorie dar. Dieser Vortrag gibt eine grundlegende Einführung in die Systemanalyse mittels Methoden linearer Matrixungleichungen. Es wird erklärt, wie sich gängige Güteforderungen an die Übertragungsfunktionen eines linearen dynamischen Mehrgrößensystems in ein äquivalentes restringiertes konvexes Optimierungsproblem überführen lassen, welches anschließend mittels moderner numerischer Algorithmen effizient gelöst werden kann.Durch Einführen weiterer Entscheidungsvariablen in das Optimierungsproblem können diese Analysegleichungen zudem für den Entwurf optimaler Regelung eingesetzt werden. Insbesondere wird hierbei auf standardisierte Ansätze für linearisierende Zustandstransformationen eingegangen, mittels derer die Konvexität des Optimierungsproblems für den Entwurf erreicht wird. Desweiteren werden Relaxierungen vorgestellt, die eine systematische Behandlung von Systemen mit Unsicherheiten ermöglichen. Zur numerischen Lösung der Optimierungsprobleme wird ein Überblick über frei verfügbare Softwarepakete gegeben.
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cand. ing. Steffen Adelt (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Untersuchung von Pitchreglern für eine Windkraftanlage
Es werden Ergebnisse der Untersuchungen zu verschiedenen Pitchreglern für die Windkraftanlage D8.2 der Firma DeWind vorgestellt. Dabei wird die bestehende Reglerstruktur analysiert und unter gegebenen Gütekriterien betrachtet. Außerdem werden zwei weitere Reglerstrukturen, eine P-PI-Kaskade und ein Zustandsregler mit reduziertem Beobachter vorgestellt. Zuletzt werden die verschiedenen Regler anhand der erreichten Gütewerte verglichen.
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cand. ing. Daniel Meyer (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Virtueller Aktor für Hammerstein-Systeme: Sollwertfolge und Übergangsverhalten
Der virtuelle Aktor ist ein Rekonfigurationskonzept zur aktiven fehlertoleranten Regelung nach Aktorfehlern. Ein bekanntes Entwurfsverfahren für die Bestimmung der Freiheitsgrade des virtuellen Aktors für Hammerstein-Systeme wird mit normoptimalen Entwurfsmethoden auf Basis von linearen Matrixungleichungen erweitert, um bestmögliche Trajektorienfolge zu erzielen und die Verstärkung der Stellenergie zu minimieren. Als Beispielprozess dient der Zweitank, an dem dieses Entwurfsverfahren erfolgreich erprobt wurde. Es werden die Ergebnisse für einen einfachen Fehlerfall vorgestellt, die sowohl anhand von Simulationen als auch anhand von Experimenten erhalten wurden.
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cand. ing. Leila Fahimi (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Modellbildung eines Versuchsfahrzeugs
Es werden Ergebnisse der physikalischen Modellbildung von einem mobilen Versuchfahrzeug mit zwei angetriebene Räder (Pioneer 3DX der Firma ActivMedia) vorgestellt. Dabei wird eine Approximation in Form einer Funktion gefunden, die den Zusammenhang zwischen den zu Verfügung stehenden Geschwindigkeiten der Räder und der tatsächlichen angelegten Spannung an jeden Motor als Eingangsgröße beschreibt. Zuletzt werden die Ergebnisse der durchgeführten Experimenten zur Verifikation und Test des Modells vorgestellt.
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cand. ing. Christoph Werner (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Modellierung und Realisierung eines verfahrenstechnischen Demonstrationsprozesses
Es werden die Ergebnisse der Modellierung und Realisierung eines Prozesses zur Analyse der Kopplung zwischen zwei Regelkreisen, deren Regelgüten maßgeblich voneinander abhängig sind, vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Temperaturregelung in einem Reaktor sowie um eine Durchflussregelung durch denselben. Es wird gezeigt, dass durch Verzicht auf Regelgüte des Durchflussregelkreises, der die Prozessgeschwindigkeit festlegt, die Qualität des Temperaturregelkreises gesteigert werden kann. Durch Anwendung der L∞-induzierten Norm, die für lineare zeitinvariante Systeme der L1-Norm der Impulsantwort entspricht, können Aussagen über den betragsmaximalen Regelfehler gemacht werden. Außerdem werden die Worst-Case-Störungen, die zu den betragsmaximalen Regelfehlern führen, anhand des Prozessmodells betrachtet.
Kolloquium Automatisierungstechnik
cand. ing. Christian Maul (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Implementierung und Erprobung eines Diagnoseverfahrens für Automatennetze
Für die Beschreibung des Verhaltens komplexer ereignisdiskreter Systeme ist ein neues komponentenorientiertes Modellierungsverfahren entwickelt worden, das auf einer Erweiterung der bekannten Eingangs- / Ausgangsautomaten um Koppeleingangs- und Koppelausgangssignale basiert. Für das resultierende Eingangs- / Ausgangsautomatennetz ist in dieser Arbeit ein rechnerbasiertes Werkzeug zur partiell koordinierten Diagnose zu entwickeln.
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cand. ing. Ersham Shabani (ATP, RUB) sprach über das Thema:
Minimalphasigkeit in Windturbinen mit hydrodynamischem Drehmomentwandler
Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen des nichtminimalphasigen Verhaltens in der Windkraftanlage D8.2 der Firma DeWind vorgestellt. Dabei wird das Grundprinzip der hydrodynamischen Kopplung und die Funktionsweise des hydrodynamischen Überlagerungsgetriebes vorgestellt. Danach wird das nichtminimalphasige Verhalten des Systems durch Untersuchung verschiedener konstruktiven Rahmengrößen analysiert.
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