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Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas Kugi
Mechatronische Systeme besitzen typischerweise Abtastzeiten in der Größenordnung von Millisekunden und stellen somit hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit von Regelungsalgorithmen, insbesondere im Falle von optimierungsbasierten Methoden zur Berechnung einer optimalen Steuerung oder Regelung. Die Berücksichtigung von Beschränkungen verschärft diese Problematik weiter.
Am Institut werden zeit- und speichereffiziente Optimierungsverfahren zur echtzeitfähigen Steuerung und Regelung von dynamischen Systemen untersucht. Die folgenden Abbildungen und Videos zeigen exemplarisch Folgeregelungsprobleme eines Laborhelikopters mit drei Freiheitsgraden und das Aufschwingen eines Doppelpendels.
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| Abb. 1 Echtzeitoptimierung eines Laborhelikopters mit drei Freiheitsgraden (Video, wmv, 3MB) | Abb. 2 Aufschwingen des Doppelpendels (Video, wmv, 4.5MB) |
Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Entwicklung von systematischen Verfahren zur effizienten Berücksichtigung von Beschränkungen dar. Diese Verfahren ermöglichen eine analytische Vorverarbeitung von Beschränkungen, um die anschließende numerische Lösung zu vereinfachen. Ein anschauliches Beispiel ist das schnelle Versetzen des invertierten Dreifachpendels mit Beschränkungen bezüglich des Weges, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung (Video, wmv, 3.5MB).
Die Integration von komplexen (z.B. optimierungsbasierten) Regelungsverfahren mit Echtzeitbildverarbeitung ist von großer Bedeutung in vielen modernen Regelungssystemen. Die kombinierte Anwendung dieser Bereiche sowie eine aktive bidirektionale Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten erlaubt die Umsetzung neuer innovativer Regelungsstrategien und Sicherheitsmechanismen sowie die Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz von industriellen Produktionsanlagen und Produkten.
Piezoelektrische Aktoren finden heutzutage in vielen mechatronischen Systemen Verwendung. Als Beispiel seien Mikropositioniersysteme und hochdynamische Motoreinspritzsysteme genannt. Piezoelektrische Aktoren ermöglichen es, durch elektrische Spannungs- oder Ladungsansteurung hochdynamisch eine vorgegebene Kraft- bzw. Auslenkungssolltrajektorie zu realisieren. Allerdings ist ihr Verhalten stark nichtlinear (Hysterese, Kriechen) und abhängig vom jeweiligen Betriebszustand (Temperatur, Last). Am Institut werden Methoden zur on-line Identifikation von piezoelektrischen Aktoren untersucht. Desweiteren werden Verfahren zum sensorlosen Betrieb erforscht, d.h. die Rekonstruktion von Kraft und Auslenkung aus den elektrisch messbaren Größen der Aktoren.
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| Abb. 4 Rekonstruktion des Ventilhubs eines piezoelektrischen Einspritzventils. |
