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Kolloquium Automatisierungstechnik (144 000)


Übersicht WS 2009/2010


Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing Thorsten Arndt (ATP, RUB / Bosch) sprach über das Thema:

Erprobung der fehlertoleranten IMC-Regelung an einem Dieselluftsystem

Ziel der Forschung im Automobilbereich ist eine stetige Verbesserung der Dieselmotorentechnik. Zu diesem Gebiet gehört auch die Regelung des Dieselluftsystems. Treten Fehler im System auf, können diese zu einem unerwünschten Verhalten des Systems führen und gegebenenfalls Schäden an Umwelt und Maschine hervorrufen. Um die Auswirkung von Fehlern zu begrenzen und Schäden zu minimieren oder sogar zu vermeiden, werden Konzepte der fehlertoleranten Regelung untersucht. In der Diplomarbeit wurde der Ansatz der nichtlinearen, fehlertoleranten IMC-Regelung (FTIMC) gewählt. Der Vortrag behandelt die Erprobung der FTIMC am Simulationsmodell des Dieselluftsystems. Zu Beginn wird das Regelungskonzept der FTIMC und das untersuchte System vorgestellt. Ausgehend von der Modellierung des Luftsystems werden mögliche Fehler definiert, modelliert und klassifiziert.Anhand von Simulationsergebnissen wird der Einfluss von Fehlern auf das gesteuerte System, auf die IMC-Regelung und die FTIMC dargestellt. Dabei wird gezeigt, dass die FTIMC eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens im Fehlerfall erzielt. Abschließend wird die Eignung der FTIMC zur fehlertoleranten Regelung des Dieselluftsystems bewertet.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing. Thi Thanh Huong Hua (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Ein Verfahren zur Ereignisdetektion für nicht-konvexe Schaltflächen im zweidimensionalen Zustandsraum

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing. Katrin Schlüter (RUB, ATP) sprach über das Thema:

Berechnung Invarianter Mengen für das Bahnfolgeproblem für einen Mobilen Roboter

Ein häufiges Regelungsziel ist die Einhaltung vorgegebener Zustandsbeschränkungen für die Regelstrecke,die sich beispielsweise aus Sicherheitsgründen ergeben. Dabei stellt sich die Frage, ob der verwendete Reglerdie Einhaltung dieser Zustandsbeschränkungen in Abhängigkeit von dem Anfangszustand der Regelstrecke garantieren kann.Dieses Problem lässt sich durch die Berechnung von invarianten Mengen für den geschlossenen Regelkreis lösen. Die Methode zur Berechnung einer maximalen robusten invarianten Menge ist bereits für lineare Systeme implementiert. Da in der Praxis oftnichtlineare Systembeschreibungen erforderlich sind, wird die Methode für solche Systeme erweitert, wofür in dieser Arbeitdas Prinzip der rekursiven Partitionierung des Zustandsraums eingesetzt wird. Als Anwendungsbeispiel wird dasBahnfolgeproblem für einen mobilen Roboter betrachtet. Dabei ist der maximale Abstand von einer unbekannten Trajektorie,welcher der Roboter folgt, aus Sicherheitsgründen vorgegeben. Für den Roboter werden invariante Mengen berechnet unddie Ergebnisse verifiziert.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Dipl.-Ing. Matthias Rungger (Universität Kassel) sprach über das Thema:

Dynamic Programming for Hybrid Optimal Control Problems

Dynamic programming provides a method to solve hybrid optimal controlproblems. This contribution extends existing numerical methods originallydeveloped for purely continuous systems, to a class of hybrid systems withautonomous as well as controlled switching behavior. The hybrid dynamicsis approximated by a locally consistent discrete Markov decision process.The original optimal control problem is then reformulated for the Markovdecision process and solved by standard dynamic programming methods. Theconvergence of the discrete approximation to the original problem isensured. The viability of the numerical scheme is illustrated by severalsystems used previously in literature.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Dipl.-Ing. Benjamin Passenberg (TU München) sprach über das Thema:

Optimal Discrete Location Sequences for Hybrid Optimal Control Problems

If an optimal control problem (OCP) for hybrid systems with autonomous switching is solved by use of the hybrid minimum principle (HMP), it is necessary to apply the HMP to each possible discrete location sequence separately, i.e. the complexity is exponential in the number of switches. To reduce the combinatorial complexity, two different methods are presented: a graph search algorithm applying branch-and-bound principles and a heuristic search algorithm finding locally the best sequence around the expected globally optimal sequence. The latter method is developed for driving a truck economically optimally.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

M. Sc. Ragnar Ingi Jönsson (DTU Electrical Engineering, Technical University of Denmark) sprach über das Thema:

Detection of deviant behaviour in dairy cows using automata-based modelling
and diagnosis

This report covers an initial study on the modelling of cow behaviour withthe aim of detecting lameness using stochastic automata. Lameness in cowsis a serious problem that needs to be dealt with as this results in lessprofitable production units and in reduced quality of life for theaffected livestock. Featuring training data consisting of measurements ofcow activity three different versions of the stochastic automata areapplied, namely an autonomous stochastic automaton, a stochastic automatonwith coinciding state and output and an autonomous stochastic automatonwith coinciding state and output. The automata describe the cows' activityin the two regarded behavioural scenarios, non-lame and lame. Using thereal data measurements the different behavioural relations for the tworegarded behavioural scenarios are assessed. The three differentstochastic automata comprise activity within last hour, activity withinlast hour suplying with information on which hour of the day it is andlastly modelling the general activity level. Diagnosis algorithms for thethree approaches are implemented and tested using the real datameasurements.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Dipl.-Ing. Sebastian Trimpe (ETH Zürich) sprach über das Thema:

The Balancing Cube

The Balancing Cube can balance on any one of its edges or corners. Six rotating mechanisms on the inner faces of the cube coordinate with each other to achieve equilibrium for the overall system. Each mechanism is an autonomous unit with actuation, sensors, a computer, and power. The Balancing Cube is a platform for controls research; in particular, in the areas of distributed control and estimation as well as adaptation and learning.This talk focuses on two aspects of the control system on the Balancing Cube: (1) estimation of the cube angular postion from multiple inertial measurements and (2) controller design with inner and outer feedback loops.In the first part, an estimation algorithm is developed for determining pitch and roll angles (tilt) of a general rigid body that is fixed at a pivot using multiple accelerometers. The estimate is global, optimized to reduce effects of sensor noise, and independent of the rigid body dynamics. No dynamic model is required for this estimator; only the mounting positions of the sensors needto be known. For stabilizing the cube about an equilibrium, a multi-loop control system with fast inner and slow outer feedback loops is used. A limiting property of the matrix exponential is introduced, which is useful for simplification of dynamic systems that exhibit modes with sufficiently different time scales. With this result, we derive a time scale separation algorithm for a linear continuous-time model under the assumption of high-gain inner loop feedback,which yields a simplified discrete-time model at the slow time scale. This technique is applied to the design of the stabilizing controller for the cube.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Dr.-Ing. Jan Richter (Siemens Nürnberg) sprach über das Thema:

Exakte Eingangs-/Ausgangs- (E/A-) Linearisierung

Es wird der Reglerentwurf mittels exakterE/A-Linearisierung für eingangsaffine Eingrößensysteme erklärt. DieGrundidee wird zunächst an einem einfachen Beispiel aufgezeigt undmotiviert: durch Anwendung einer geeigneten nichtlinearenZustandsrückführung kann aus einem eingangsaffinen System ein Regelkreis mitexakt linearem Eingangs-/Ausgangsverhalten entstehen. Nach Einführung derBegriffe der Lie-Algebra, des relativen Grades, und der internen Dynamikwird das verallgemeinerte Verfahren der exakten E/A-Linearisierungvorgestellt.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing Qihui Yang (RUB, ATP) sprach über das Thema:

Analyse und Optimierung der Gießspiegelregelung einer Brammenstranggießanlage

Beim Stranggießen von Stahl ist die Güte der Gießspiegelregelung mit entscheidend für die Qualität des Stahls. An einer Brammenstranggießanlage der Firma Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH (HKM) in Duisburg-Huckingen wird der Gießspiegel in der Kokille anhand eines Reglers auf dem gewünschten Niveau gehalten. Das dynamische Verhalten ist anfällig auf Veränderungen der Stopfen- und Durchflusscharakteristik durch Abnutzungen und Anlagerungen von Stahl und Schlacke während des Gießprozesses. Das Auftreten größerer Störungen kann sogar zu einem Stillstand der Stranggießanlage führen. Bei der o. g. Anlage wurde nach einem Umbau ein erhöhter Ausfall durch mitfließende Schlacke (Schlackenmitlauf) festgestellt, welcher durch starke Gießspiegelschwankungen in der Kokille während des Gießprozesses verursacht wird. Zur Qualitätsverbesserung wird daher die bestehende Gießspiegelregelung bezüglich Einflussfaktoren eingehend analysiert und Maßnahmen zur Verbesserung der bestehenden Festwertregelung erarbeitet um einen gleichmäßig kontinuierlichen Gießverlauf zu garantieren. Es wird ausführlich auf die Modellierung des Gießspiegels und der daran beteiligten Anlagenteile eingegangen. Hierbei kommen bereits bestehende zu Modellrechnungen verwendete Gießprozessmodelle zum Einsatz, welche für eine dynamische Simulation des Gießprozesses aufbereitet wurden. Diese Gießprozessmodelle sind hochgradig nichtlinear. Anhand eines detaillierten dynamischen Simulationsmodells für die Gesamtanlage bestehend aus Pfanne, Schieberregelung, Verteilerrinne, Stopfen, Kokille und Gießspiegelregelung werden simulative Erprobungen durch Fallstudien zur Verbesserung des Anlagenverhaltens unter Einfluss verschiedener Störungen durchgeführt.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Dr.-Ing. Peerasan Supavatanakul (TÜV Süd) sprach über das Thema:

Machinery safety: Functional safety and the quantitative analysis

Due to the growing of automation market with dynamic rate, new challenges have been revealed. The safety concepts in automation are rapidly adopted. The result is that the control engineers have to carefully design the products for safety applications. During the design stage, safety engineers have to design products and at the same time verify that the design and the fault detection strategies for the products meet the requirements according to the safety standards. This presentation gives the overview of the safety standards and basic analytical techniques which are used for safety quantification.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

Ph. D. Jan Komenda (Czech Academy of Sciences) sprach über das Thema:

Coordination control of distributed discrete-event systems.

The decentralized control architecture have been developed as aresponse to combinatorial explosion of complexity inherent to supervisory control of distributed discrete-event systems. However, purelydecentralized architectures may failin achieving nonblockingness and/or optimality of the closed-loop behavior.Hence, we propose a concept of coordinator that receives part of the observations of the subsystems and its task is to satisfy the global part of the specification and of the nonblockingness.The coordinator makes the local subsystems conditionally independent generators. Necessary and sufficient condition are presented for nonblockingness, safety and the overall control synthesis that we call conditional nonblockingness, conditional safety and conditional controllability. The concepts will be illustrated through simple examples.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing Tibor Kórka (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Wind turbine control for reducing tower oscillations

Regulating the speed of speed-variable wind turbines using the new principle of hydrodynamic torque converters is exclusively performed via the pitch control system. For such turbines without power electronic devices the power is controlled by hydrodynamic torque converters, which are fast servo controlled devices acting in the 10 to 100 millisecond range. In the upper power range, e.g. at nominal power above 2MW, a constant electrical power can only be achieved by accelerating the rotor system or decelerating it, respectively. The consequences are higher bandwidth and larger amplitudes of the speed variations. Therefore, the speed control system using pitching must be sufficiently fast to meet the control specifications of the rotor speed. Unfortunately, heavy pitch operations, i.e. turning the rotor blades fast on wind gusts, can induce dangerous tower oscillations, which lead to shutdown operations of the plant. The nodding of the tower, this is the oscillating amplitude in the direction of the rotor axis at the hub position of the nacelle, is dominant and must be limited by damping it actively through the pitch control system. Therefore, the control specifications are not only given in terms of the rotor speed deviations, also the nodding has to be taken into account. Minimising both seems to be a task to find a compromise. The general goal of this work is to find strategies and methods to reduce tower oscillations. The tower oscillation amplitude should be bounded whereby the rotor speed should not exceed a given over-speed value. From literature some methods for damping tower oscillations are known. These are to be explored and compared. From these a pitch control strategy should be found and designed, which meets the specifications.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. Ing. Tim Schumacher (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Implementierung und Erprobung von Verfahren zur Steuerung der Datenübertragung
bei der Ferndiagnose

In technischen Systemen können Fehler auftreten, die zu Ausfallzeiten an derMaschine, und zu einer Gefährdung vonMensch und Umwelt führen können. In den Automatisierungseinrichtungen vor Ortsteht meistens nicht genügend Systemressourcen zur Verfügung um eine vollständige Diagnose durchzuführen. Bei dem Konzept der Ferndiagnose wird die Diagnose in eine systemnahen Komponente (Onboard-Komponente) und einer systemfernen Komponente (Offboard-Komponente) aufgeteilt. Zum Lösen der Diagnoseaufgabe kommunizierendie Offboard- und Onboard-Komponente über ein Kommunikationsmedium. Auf Grundder Eigenschaften des Kommunikationsnetzes, wie z.B.der eingeschränkten Bandbreite, muss der Datenversand zwischen der Onboard-und der Offboard Komponente gesteuert werden. Aus der Literatur sind zwei Algorithmen der Steuerung des Datenversandes bekannt. Das Ziel der Algorithmen ist es den Datenversand, zwischen der Onboard- und der Offboard-Komponente, erst dann zu starten, wenn dadurch auf der Offboard-Komponente zusätzliche Informationen für die Diagnose gewonnen werden können. Im Rahmen dieser Studienarbeit wurden die Algorithmen in eine Simulation implementiert. Die Eignung der Algorithmen wird bewertet.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing. Philippe Weizinger (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Ereignisbasierte Regelung mit quantisierter Zustandsinformation

Das Ziel der ereignisbasierten Regelung ist es, die über ein digitales Netzwerk ausgetauschte Datenmenge in digital vernetzten Regelungssystemen zu verringern, indem nur dann Daten über das Netzwerk übertragen werden, wenn ein Ereignis eine hinreichend große Regelabweichung signalisiert. Das bisherige Konzeptsetzt voraus, dass der exakte Zustand, also eine große Datenmenge, zu den Ereigniszeitpunkten übertragen wird, was im Widerspruch zu Beschränkungen der Datenrate des Netzwerks stehen kann. Im Rahmen der Studienarbeit wurde eine Erweiterung des Konzepts untersucht, bei der nur quantisierte Informationen über den Zustand übermittelt werden, so dass neben der Reduktion der Übertragungshäufigkeit auch eine Reduktion des zu übertragenden Informationsinhalts erreicht werden kann. Im Mittelpunkt der Arbeit standen die Implementierung des Quantisierungsalgorithmus und die Erprobung des erweiterten ereignisbasierten Regelungskonzepts sowohl mittels Simulationen als auch durch Experimente an einem verfahrenstechnischen Prozess.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing. Zhang Jinliang (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Aufschwingen und Stabilisieren eines invertierten Pendels unter dem Einfluss
von Netzwerkeffekten

In dieser Arbeit werden simulativ die Auswirkungen einer netzwerkbasiertenDatenübertragung auf das Aufschwingen und die Stabilisierung eines invertierten Pendels untersucht. Für das Aufschwingen und die Stabilisierung des invertierten Pendels wird eine energiebasierte Regelungsmethode benutzt, das Netzwerk wird durch die Toolbox TrueTime realisiert. Das Aufschwingen und die Stabilisierung des invertierten Pendels unter dem Einfluss eines digitalen Netzwerks werden unter verschiedenen Schedulingverfahren, Bandbreiten und Paketausfallraten erprobt.

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Kolloquium Automatisierungstechnik

cand. ing. Melanie Schmidt (ATP, RUB) sprach über das Thema:

Erprobung und Implementierung einer Methode zur fehlertoleranten Steuerung eines ereignisdiskreten verfahrenstechnischen Prozesses

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