26.09.2022
Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung von Stranggießprozessen

  26.09.2022
Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung von Materialeigenschaften in Bandbehandlungsanlagen

  26.09.2022
Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung der Zinkschichtdicke und Oberflächenqualität in Feuerverzinkungsanlagen für Stahlbänder

  29.08.2022
Produkt-Startzeit- und Reihenfolgeoptimierung für ein Mehrlinienwalzwerk

Projektschwerpunkte

• Modellierung des zeitlichen Fertigungsverlaufs von Produkten
• Berechnung optimaler Produkt-Startzeitpunkte bei deterministischen und stochastischen Prozesszeiten
• Reihenfolgeoptimierung von Produkten

Beschreibung

In einem Mehrlinienwalzwerk wird Flach- und Stabstahl sowie Draht aus Edelstahl gefertigt. Die Produkte weisen unterschiedliche Fertigungsparameter (Stahlsorte, Profilquerschnitt, Walztemperaturen, Walzgeschwindigkeiten, etc.) auf. Abbildung 1 zeigt ein Schema der Anlage. Zunächst werden die meisten Produkte in einem Hubbalkenofen sowie einzelne Produkte auch in Induktionsöfen auf eine vorgegebene Solltemperatur erwärmt. Im nächsten Schritt folgt das Walzen auf einen quadratischen Zwischenquerschnitt an einem reversierenden Vorgerüst. Danach werden die Produkte in der Profilwalzlinie oder der Flachwalzlinie auf den Endquerschnitt gewalzt.

An der Profilwalzlinie, siehe Abb. 2, sind bei Abmessungsänderungen abschnittsweise Maschinenumrüstungen notwendig. Während dieser Umrüstvorgänge wird an der Flachwalzlinie gefertigt. Für den Durchsatz und somit die Produktivität des gesamten Mehrlinienwalzwerks sind die folgenden Faktoren entscheidend:

1. Die Startzeitpunkte der Produkte sollen unter Beachtung aller sicherheitstechnischen Zeitpuffer so gewählt werden, dass der zeitliche Produktabstand minimiert, d.h. der Produktdurchsatz maximiert wird.
2. Die Produktreihenfolge soll so gewählt werden, dass die Maschinenumrüstzeiten zufolge unterschiedliche Fertigungsparameter aufeinanderfolgender Produkte minimiert werden.
3. Während einer Maschinenumrüstung an der Profilwalzlinie sollen zur Fertigung an der Flachwalzlinie so viele Produkte ausgewählt werden, dass die Gesamtfertigungsdauer dieser Produkte möglichst exakt der Rüstzeit der Profilwalzlinie entspricht, um Stillstände zu vermeiden. Diese Gesamtfertigungsdauer ist dabei ebenfalls von der Reihenfolge der für die Flachwalzlinie ausgewählten Produkte abhängig.

 

Als Basis für die Optimierung der Startzeitpunkte werden Modelle zur Berechnung der Prozesszeiten der Produkte für alle relevanten Abschnitte der Anlage entwickelt. Mit diesen Modellen kann der Fertigungsprozess aller Produkte in Form von Zeitpunkten, an denen die Produkte definierte Punkte entlang der Fertigungslinie passieren, berechnet werden. Basierend auf dem Prozessverlauf eines Produkts wird der optimale Startzeitpunkt des nächsten Produkts bestimmt und dem Bedienpersonal über ein Terminal vorgeschlagen.

Die Optimierung der Produktauswahl sowie -reihenfolge stellt ein kombinatorisches Optimierungsproblem dar, das als NP-schwer bekannt ist. Zur näherungsweisen Lösung dieses Problems werden verschiedene heuristische Algorithmen (lokale Suche, Simulated Annealing, Tabu Search) implementiert und analysiert. Weiters wird die Anwendbarkeit von exakten Verfahren (Branch and Bound, Constraint Programming Optimization) zur Auffindung eines Optimums zumindest für Teilprobleme der Reihenfolgeoptimierung untersucht. Die optimierte Produktauswahl und Produktreihenfolge minimiert unproduktive Umrüst- und Stillstandszeiten und maximiert damit den Produktdurchsatz der Anlage.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• M. Kowalski, A. Steinboeck, A. Aschauer, and A. Kugi, Optimal Start Times for a Flow Shop with Blocking Constraints, No-Wait Constraints, and Stochastic Processing Times, in Proceedings of the 17th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing INCOM 2021, Budapest, Hungary, 2021, pp. 659-664.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kowalski2021,
  author = {M. Kowalski and A. Steinboeck and A. Aschauer and A. Kugi},
  booktitle = {Proceedings of the 17th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing INCOM 2021},
  title = {Optimal Start Times for a Flow Shop with Blocking Constraints, No-Wait Constraints, and Stochastic Processing Times},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2021.08.176},
  note = {17th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing INCOM 2021},
  number = {1},
  pages = {659-664},
  url = {https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405896321009460},
  volume = {54},
  address = {Budapest, Hungary},
  issn = {2405-8963},
  journal = {IFAC-PapersOnLine},
  year = {2021},
  }

• M. Kowalski, A. Steinboeck, and A. Kugi, Scheduling Multiple Groups of Jobs for a Multi-Line Steel Hot Rolling Mill, in Proceedings of the 19th IFAC Symposium on Control, Optimization and Automation in Mining, Mineral and Metal Processing MMM, Montreal, Canada, 2022, p. 168–173.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kowalski2022,
  author = {M. Kowalski and A. Steinboeck and A. Kugi},
  booktitle = {Proceedings of the 19th IFAC Symposium on Control, Optimization and Automation in Mining, Mineral and Metal Processing MMM},
  title = {Scheduling Multiple Groups of Jobs for a Multi-Line Steel Hot Rolling Mill},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2022.09.262},
  note = {IFAC-PapersOnLine},
  number = {21},
  pages = {168--173},
  volume = {55},
  address = {Montreal, Canada},
  month = {08},
  year = {2022},
  }

Anwendungsbereiche

• Walzwerksautomatisierung
• Zeit- und Reihenfolgeoptimierung in Produktionsprozessen

 

  22.03.2022
MobileSpectro – Development of a handheld FTIR spectrometer

Development of a high precision handheld FTIR spectrometer for the mobile chemical analysis of fluids

Project goals

• Development of a handheld Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer
• Measurement  and mobile analysis of samples in the condensed phase
• Miniaturization and ruggedization to bring high-performance spectroscopy to the field

Description

Infrared spectroscopy is considered to be a fundamental technique for the characterization and analysis of chemical compounds. As illustrated in Figure 1, measurement of the sample’s wavelength-dependent absorption, which is directly related to its molecular structure, enables the application of multivariate chemometric techniques for the elucidation of the contained chemical compounds.

Figure 1: Polychromatic light, emitted by a black-body radiator (Ir) is transmitted through a specimen and recorded by the spectrometer (Is). Knowledge of both quantities allows for the calculation of the sample’s absorptivity (As), which is indicative of its molecular structure.

In contrast to dispersive instruments, FTIR spectrometers typically use a scanning interferometer, such as shown in Figure 2, to record the transmitted intensity as a function of optical path difference (OPD). This offers not only the advantage of significantly increased signal-to-noise ratio and reduced measurement time, but also enables a broad spectral region (typically 650 cm^-1 to 4000 cm^-1) to be observed simultaneously and provides high wavenumber accuracy by using a reference laser for position measurement. Owing to the interferometric measurement principle, existing systems offer limited applicability to field usage scenarios due to their temperature and vibration sensitivity, as well as their limited signal-to-noise ratio. Currently available devices focus on attenuated total reflection (ATR) sampling methods, making them unsuitable for the analysis of liquid samples, especially for spectral resolutions better than 4 cm^-1.

Figure 2: Typical FTIR spectrometer arrangement. Radiation from a source is collimated, passed through a Michelson interferometer and through the specimen, and focused on a detector (PD1). By scanning the position of one mirror, the intensity signal as a function of optical path difference is recorded. The Fourier transform of the spatially sampled interferogram corresponds to the source spectrum.

MobileSpectro aims to design a miniaturized FTIR spectrometer that enables handheld operation, is sufficiently robust for field use, offers a spectral resolution of better than 2cm^-1, and has a signal-to-noise ratio that allows the application of advanced chemometric techniques. Based on highly-integrated mechatronic system components, novel opto-mechatronic assebmlies, advanced data processing and control algorithms, a highly robust device, tailored to the needs of future in-field spectroscopy, is developed.

Applications

• Predictive maintenance of heavy machinery
• Quality control in petrochemical, pharmaceutical, and cosmetical industries
• Detection and identification of unknown chemical agents
• Environmental pollution and contamination monitoring

Project partner

• Grabner Instruments Messtechnik GmbH

Funding

• FFG – Die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft

 

  07.01.2022
Schnelle Trajektorienplanung für Robotersysteme unter Berücksichtigung von Hindernissen und dynamisch bewegten Zielen

Projektschwerpunkte

• Schnelle Planung und Neuplanung von Trajektorien
• Kollisionsvermeidung und bewegte Ziele
• MPC-basierte Trajektorienfolgeregelung

Beschreibung

Diese Forschungsarbeit befasst sich mit der Entwicklung neuer Methoden zur schnellen Bahnplanung unter Berücksichtigung von Hindernissen und dynamisch bewegten Zielen, ein wichtiges Thema für verschiedene Anwendungen im Bereich der Robotik, Handhabungssysteme und Baumaschinen wie Kräne oder kollaborierende Roboter. Abb. 1 zeigt den Versuchsaufbau des 3D-Portalkrans im Labormaßstab. Die Aufgabe besteht darin, einen schnellen Algorithmus zur Neuplanung der Trajektorien für die Nutzlast zu implementieren, um den fahrenden LkW zu erreichen und dabei Kollisionen mit Hindernissen zu vermeiden.

Beschreibung

In dieser Forschungsarbeit werden schnelle, optimierungsbasierende Algorithmen zur Trajektorienplanung untersucht und sowohl in der Simulation als auch im Experiment umgesetzt. Da die Optimierung der Trajektorien in der Regel viel Zeit in Anspruch nimmt, ist es sinnvoll, suboptimale Lösungen als anfängliche Schätzung der Trajektorie zu verwenden und die Gesamtlösung iterativ zu verfeinern. Darüber hinaus sollte der vorgeschlagene Algorithmus in der Lage sein, eine neue Trajektorien für bewegte Ziele zu berechnen, indem er zuvor berechnete suboptimale Lösungen aus einer Datenbank verwendet.  Darüber hinaus muss eine schnelle Trajektorienplanung jederzeit ausgeführt werden können, d. h. die Algorithmen können jederzeit unterbrochen werden, führen aber immer zu gültigen, wenn auch suboptimalen Ergebnissen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Echtzeitfähigkeit der entwickelten Algorithmen.

Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der effizienten Trajektorien(neu)planung, welche aus zwei Schritten besteht:

• Zunächst wird ein Offline-Trajektorienplaner implementiert, um eine Datenbank aus zeitoptimalen, kollisionsfreien und dynamisch gültigen Trajektorien aufzubauen, die alle Startpunkte aus einem vordefinierten Startraum mit allen Zielpunkten in einem Zielraum verbindet.
• Zweitens verwendet der Online-Trajektorienreplanner die Offline-Trajektoriendatenbank, um in Echtzeit eine optimale Trajektorie zu erzeugen, die die Bewegung des Ziels berücksichtigt. Der Online-Trajektorienplaner ist ein quadratisches Programm mit linearen Beschränkungen.

Zusätzlich wird ein Trajektorienverfolgungsregler entwickelt, der die dynamischen Beschränkungen für den Portalkran berücksichtigt und den möglichen Einfluss von Modellungenauigkeiten, Störungen und anderen nicht modellierten Effekten kompensiert.

Video

Ausgewählte Publikationen

• M. N. Vu, P. Zips, A. Lobe, F. Beck, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Fast motion planning for a laboratory 3D gantry crane in the presence of obstacles, in Proceedings of the 21st IFAC World Congress, Berlin, Germany, 2020, p. 9508–9514.
  [BibTex]

  @InProceedings{Vu2020,
  author = {Vu, M.N. and Zips, P. and Lobe, A. and Beck, F. and Kemmetmüller, W. and Kugi, A.},
  booktitle = {Proceedings of the 21st IFAC World Congress},
  title = {Fast motion planning for a laboratory 3D gantry crane in the presence of obstacles},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2020.12.2427},
  note = {IFAC-PapersOnLine},
  number = {2},
  pages = {9508--9514},
  volume = {53},
  address = {Berlin, Germany},
  issn = {2405-8963},
  month = {06},
  year = {2020},
  }

  03.11.2021
ConvoyFence

Titel

Aktive Vibrationsisolationsplattform für mobile Drohnenidentifikationssysteme zum Schutz von Fahrzeugverbänden

Ziele

• Auslegung und Aufbau einer skalierbaren Mehrfreiheitsgradlattform zur Vibrationskompensation für mobile Drohnendetektion und -identifikation
• Integration und gemeinsame Regelung des Verfolgungs- und Identifikationssystems aus OptoFence II

Beschreibung

In den letzten Jahren haben Drohnen und andere Arten von unbemannten Flugobjekten (UAVs) sowohl im privaten wie auch im professionellen Sektor massiv an Bedeutung gewonnen. Die rechtzeitige und korrekte Identifizierung von UAVs ist insbesondere bei Großveranstaltungen für die öffentliche Sicherheit unabdingbar. Durch den technischen Fortschritt stellt die Erfassung, Verfolgung, Identifikation und gegebenenfalls Abwehr von UAVs moderne Drohnenabfangsysteme vor enorme Herausforderungen.
Optische Drohnenaufklärungssysteme sind auf Grund der starken Vergrößerungen sowie den hohen Verfolgungsgeschwindigkeiten, die zur Identifikation anfliegender Objekte notwendig sind, anfällig für Vibrationen und instabile Untergründe, insbesondere im mobilen Einsatz. Trotzdem sind sie das Rückgrat eines modernen, multispektralen Drohnenaufklärungssystems, da erst durch die zeitnahe Bereitstellung hochauflösender Abbildungen eine angemessene und schnelle Entscheidungsfindung zum Schutz eines Truppentransports oder Konvois möglich wird.
Es bedarf also einer universell einsetzbaren, technischen Lösung um optische Drohnenaufklärungssysteme, aber auch andere gerichtete Erfassungssysteme „mobil zu machen“ und den Schutz von Personen und Fahrzeugen auch in Bewegung sicherzustellen.

Das hier vorgeschlagene Projekt zielt auf die Entwicklung einer modularen Vibrationsisolationsplattform ab, welche den mobilen Einsatz von optischen Drohnenaufklärungssystemen ermöglicht. Durch ganzheitliches mechatronisches Systemdesign und modernste Regelungstechnik wird so die geforderte Entkopplung und Stabilisierung der Sensorsysteme auch während der Fahrt sichergestellt (Abb.1).

 

Wie in Abbildung 2 dargestellt, führt ein starr montiertes System im mobilen Einsatz zu einem beträchtlichen Winkelfehler des optischen Detektionssystems und eine korrekte UAV-Identifikation wird dadurch verunmöglicht. Durch eine zusätzliche passive Isolierung können zwar die Vibrationsamplituden gedämpft werden, dennoch ist eine Limitierung der Teleskopnachführung und der Bildstabilität gegeben.

 

Erst durch eine aktive Vibrationsunterdrückung mittels einer aktuierten Plattform, Erfassung von Vibrationen mittels geeigneter Sensoren sowie fortschrittlicher Regelungsstrategie kann die notwendige Nachführgenauigkeit sowie Bildruhe erreicht werden. Ein Blockschaltbild der geplanten Regelungsstruktur zur Vibrationsisolierung ist in Abbildung 3 dargestellt. Erst die Kombination eines Feedback- sowie eines Feedforward Regelungskonzeptes ermöglicht eine vibrationsarme Umgebung im mobilen Einsatz für den Betrieb des Drohnenidentifikationssystems aus Optofence II.

 

Durch die enge Abstimmung der Plattform mit der Entwicklung eines Hochleistungsteleskopsystems zur Drohnenidentifikation aus dem komplementären Projekt „OptoFenceII“, wird direkt an die Projektergebnisse angeknüpft und ein insgesamt leistungsfähigeres, flexibles und vor allem mobiles Drohnenaufklärungssystem geschaffen (Abb.3).

Anwendungen

• Aktive Vibrationsisolation in mobilen Szenarien
• Drohnenaufklärung (z.B. zum Schutz von Fahrzeugverbänden)
• Optische Kommunikation

Projektpartner

• ASA Astrosysteme GmbH
• Bundesministerium für Landesverteidigung

Funding

Das Projekt wird innerhalb des Verteidigungsforschungs–Förderprogramm FORTE durch das Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus (BMLRT) gefördert.

 

 

 

  28.10.2021
Optimale TCP- und Roboterpositionierung für komplexe kontinuerliche Pfade

Projektfokus

• Berechnung des optimalen TCP (tool center point) für einen Industrieroboter
• Formulierung eines Gütekriteriums und Optimierung
• Entwicklung einer schnellen unterlagerten Pfadplanung

Beschreibung

Der Roboterstandort eines Industrieroboters relativ zu einem Werkstück ist entscheidend für die Durchführbarkeit der geforderten Roboterbewegungen. Dieser wird zumeist bei der Planung einer Roboterzelle einmalig gewählt. In einem flexiblen Produktionssystem werden jedoch Robotertrajektorien häufig geändert, wodurch eine teure und zeitaufwändige Neupositionierung des Roboters notwendig werden kann. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie mit Hilfe eines angepassten Werkzeugs eine Neupositionierung des Roboters verhindert werden kann.

Zu diesem Zweck wird eine schnelle unterlagerte Pfadplanung entwickelt. Diese Pfadplanung berücksichtigt große zulässige Verfahrwege der Roboterachsen sowie Bewegungen durch Singularitäten. Mit Hilfe dieser Pfadplanung wird ein Optimierungsproblem formuliert, die den optimalen TCP für eine Menge von unterschiedlichen Endeffektor-Pfaden berechnet. Für dieses Optimierungsproblem wird ein Gütekriterium verwendet, das die Anzahl von invers-kinematischen Lösungen, die Anzahl von kontinuierlichen Lösungen sowie die Achsbewegungen und Reserven zu Achswinkelbegrenzungen berücksichtigt. Weiters wird gezeigt, dass dieser Algorithmus durch Umformulierung ebenfalls zur Berechnung des optimalen Roboterstandorts verwendet werden kann. Der Algorithmus wird anhand eines Schneidprozesses demonstriert, für welchen der optimale TCP und der optimale Roboterstandort berechnet wird.

Videos

Ausgewählte Publikationen

• T. Weingartshofer, C. Hartl-Nesic, and A. Kugi, Optimal TCP and Robot Base Placement for a Set of Complex Continuous Paths, in Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Xi’an, China, 2021, pp. 9659-9665.
  [BibTex]

  @InProceedings{Weingartshofer2021,
  author = {Weingartshofer, T. and Hartl-Nesic, C. and Kugi, A.},
  booktitle = {Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA)},
  title = {Optimal TCP and Robot Base Placement for a Set of Complex Continuous Paths},
  doi = {10.1109/ICRA48506.2021.9561900},
  pages = {9659 - 9665},
  address = {Xi'an, China},
  issn = {2577-087X},
  month = {5},
  year = {2021},
  }

  22.10.2021
Beobachterbasierte iterativ lernende Regelung zur Verbesserung der Bahngenauigkeit von Industrierobotern

Projektfokus

• Modellbildung von nichtlinearen Effekten in Antriebssträngen von Robotern
• Entwurf von hochgenauen, modellbasierten Zustandsbeobachtern
• Iterativ Lernende Regelung zur Verbesserung der Bahngenauigkeit am Endeffektor

Beschreibung

Für Bearbeitungsaufgaben mit Robotern ist die Bahngenauigkeit ein wesentliches Leistungskriterium. Bei vielen Anwendungen sind Genauigkeiten im Bereich von Zehntelmillimeter und darunter gefordert. Beispiele dafür sind das Nahtabdichten von Autokarossen mit Robotern und das Laserschweißen. Bei diesen Anwendungen kommt es nicht nur auf eine hohe statische Genauigkeit an, sondern auf die Gesamtgenauigkeit, bei der auch Schleppfehler der Regelung, sowie dynamische Effekte der Mechanik enthalten sind. In Abbildung 1 wird der Schleppfehler beim Lasermarkieren dargestellt.

Eine wesentliche Ursache für die oben gezeigten Abweichung vom Idealverhalten liegen in den Antriebssträngen. Dabei haben die Getriebe den wichtigsten Einfluss. Gegenüber dem idealen Verhalten weisen Getriebe folgende Abweichungen auf:

• Ungleichmäßige Reibung: durch den variierenden Eingriff der Getriebeverzahnung ist die Reibung stellungsabhängig und lastabhängig.
• Nicht konstantes Übersetzungsverhältnis: durch nicht perfekte Zahnflanken kommt es zu kleinen Schwankungen in der Endeffektorposition. Bei Robotern im Bereich von 1-3 Metern Armlänge kann dies TCP (Tool Center Point)-Fehler im Bereich von einigen Zehntel Millimetern hervorrufen.
• Endliche und variable Steifigkeit: durch die Nachgiebigkeit des Getriebes kommt es in Wechselwirkung mit Reibung und Übersetzungsverhalten zu Schwingungsanregungen. Wenn die Frequenz der variablen Einflussgrößen mit der Resonanzfrequenz der Roboterachse übereinstimmt, kann dies zu massiven dynamischen Fehlern führen.

Die Getriebeeffekte sind vor allem in ihrer dynamischen Wechselwirkung komplex. Messverfahren erfordern meist hochpreisige Messgeräte. Jeder Roboter, für den eine Kompensation eingesetzt werden soll, muss individuell vermessen werden.

Ziel des Projektes ist es, geeignete Robotermodelle und Zustandsbeobachter zu entwickeln, welche die oben beschriebenen Getriebeeffekte beinhalten. Darauf aufbauend sollen neue Regelungsstrategien entworfen werden, mit denen die wachsenden Genauigkeitsanforderungen erreicht werden können. Dabei geht es vor allem auch darum, mechatronische, physikalische Modelle optimal mit der Verarbeitung unstrukturierter Daten zu kombinieren, um eine möglichst hohe Effizienz und einfache Anwendbarkeit zu erreichen. Um weiters auf die Verfügbarkeit von hochgenauen Messsystemen in der Praxis einzugehen, werden kostengünstig verfügbare Sensoren verwendet, um eine breite Anwendbarkeit der entwickelten Methoden zu garantieren. Die so gewonnen Messdaten werden im Zuge einer iterativ lernenden Regelung verwendet, um letztendlich die gewünschte Genauigkeit, nicht nur bei der Positionierung, sondern auch beim Durchfahren von Bahnen zu erreichen.

Ausgewählte Publikationen

• B. Bischof, T. Glück, M. Böck, and A. Kugi, Path Following Control for Elastic Joint Robots, in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, p. 4806–4811.
  [BibTex]

  @InProceedings{Bischof17,
  author = {Bischof, B. and Gl\"uck, T. and B\"ock, M. and Kugi, A.},
  title = {Path Following Control for Elastic Joint Robots},
  booktitle = {Proceedings of the 20th IFAC World Congress},
  year = {2017},
  volume = {50},
  number = {1},
  month = {7},
  pages = {4806--4811},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2017.08.965},
  address = {Toulouse, France},
  issn = {2405-8963},
  }

• B. Bischof, Path and Surface Following Control for Industrial Robotic Applications, A. Kugi and K. Schlacher, Eds., Aachen: Shaker Verlag, 2020, vol. 47.
  [BibTex]

  @Book{Bischof2020,
  author = {Bischof, Bernhard},
  title = {{Path and Surface Following Control for Industrial Robotic Applications}},
  year = {2020},
  editor = {A. Kugi and K. Schlacher},
  volume = {47},
  series = {Modellierung und Regelung komplexer dynamischer Systeme},
  publisher = {Shaker Verlag},
  isbn = {978-3-8440-7200-6},
  address = {Aachen},
  organization = {Institute f{\"u}r Automatisierungs- und Regelungstechnik (TU Wien) und Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (JKU Linz)},
  }

  13.10.2021
Regelungsstrategien für hoch-energetische gepulste Laserquellen

Projektschwerpunkte

• Mathematische Modellierung und Analyse auftretender Dynamiken im Laser
• Entwicklung modellbasierter adaptiver Pulsformungsalgorithmen
• Unterdrückung dynamischer Instabilitäten und stochastischer Fluktuationen durch Regelungsmethoden
• Ausloten des Potentials von integriertem Hardware/Software Codesigns für gepulste Laserquellen

Beschreibung

Kurze hochenergetische Laserpulse sind zu einem wertvollen und flexiblen Werkzeug mit Anwendungen von physikalischer und chemischer Grundlagenforschung (beispielsweise in der Hochenergiephysik, zum Pumpen optisch-parametrischer Verstärker und Freie-Elektronen-Laser, zur kohärenten Stimulation von atomarer und molekularer Prozesse) bis hin zur ablationsbasierten Materialbearbeitung und Augenchirurgie geworden. Die Erzeugung besonders kurzer Laserpulse geschieht dabei durch Injektion eines Quellpulses eines Oszillators (z.B. eines Mode-Locked-Lasers) in einen Resonator mit gepumptem Lasermedium – ein sogenanntes Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) Konzept. Genügen auch etwas längere Pulsdauern, wird typischerweise gänzlich auf Quellpulse verzichtet und der Aufbau von optischer Energie im Resonator wird durch stochastische Zerfallsprozesse zufolge spontaner Emission selbsttätig angetrieben – wie in klassischen gütegeschalteten Lasern.

Viele zukunftsträchtige Anwendungsgebiete von gepulstem Laserlicht bedingen einen Betrieb der Laserquellen in zunehmend extremen und herausfordernden Betriebszuständen mit spezifischen Herausforderungen. Beispielsweise profitieren Oberflächenuntersuchungen und spektroskopische Anwendungen von hohen Pulswiederholraten, welche nahe oder innerhalb des instabilen Betriebsbereichs von gepumpten Resonatoren liegen. Dies ist besonders relevant wenn mehrstufige Verstärkerkaskaden auf Platz- und Kostengründen für die intendierte Anwendung nicht sinnvoll sind. Zusätzlich verhindern starke stochastische Energiefluktuationen zufolge spontaner Emission in gütegeschalteten Resonatoren den Einsatz in Messanwendungen. Die benötigten Bandbreiten für ultra-kurze Laserpulse deformieren den Laserpuls zudem stark, was zu zeitlich starken verbreiteten Ausgangspulsen führt.

Die notwendige Steuerungshardware in modernen Pulsquellen basiert weitgehend auf elektronisch programmierbaren optischen Aktuatoren wie beispielsweise akusto-optischen Modulatoren (AOMs) oder sog. spatial light modulators (SLMs). Dies legt die Verwendung regelungstechnischer Methoden nahe, um obige Effekte zu vermindern oder vollständig zu eliminieren. Insbesondere ermöglicht die systematische Einbeziehung von Regelungskonzepten während des optischen Laserdesigns die Entwicklung effizienterer, ökonomischerer und flexiblerer Lasersysteme.

Ausgewählte Publikationen

• A. Deutschmann-Olek, K. Schrom, and A. Kugi, Control of the formation and amplification of pulse bursts in regenerative amplifiers, IET Control Theory & Applications, vol. 17, iss. 4, p. 419–432, 2023.
  [BibTex] [Download]

  @Article{DeutschmannOlek2023,
  author = {Deutschmann-Olek, Andreas and Schrom, Katharina and Kugi, Andreas},
  title = {Control of the formation and amplification of pulse bursts in regenerative amplifiers},
  doi = {10.1049/cth2.12378},
  number = {4},
  pages = {419--432},
  volume = {17},
  journal = {IET Control Theory \& Applications},
  year = {2023},
  }

• L. Tarra, A. Deutschmann-Olek, and A. Kugi, Nonlinear feedback stabilisation and stochastic disturbance suppression of actively Q-switched lasers, in Proceedings of the 22nd IFAC World Congress, Yokohama, Japan, 2023 2023, pp. 77-82.
  [BibTex]

  @InProceedings{Tarra2023,
  author = {Tarra, L. and Deutschmann-Olek, A. and Kugi, A.},
  booktitle = {Proceedings of the 22nd IFAC World Congress},
  date = {2023},
  title = {Nonlinear feedback stabilisation and stochastic disturbance suppression of actively Q-switched lasers},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2023.10.1550},
  number = {2},
  pages = {77-82},
  volume = {56},
  address = {Yokohama, Japan},
  issue = {2},
  journaltitle = {IFAC-PapersOnLine},
  month = {7},
  year = {2023},
  }

• L. Tarra, A. Deutschmann-Olek, V. Stummer, T. Flöry, A. Baltuska, and A. Kugi, Stochastic nonlinear model of the dynamics of actively Q-switched lasers, Optics Express, vol. 30, iss. 18, p. 32411–32427, 2022.
  [BibTex]

  @Article{Tarra2022,
  author = {Lukas Tarra and Andreas Deutschmann-Olek and Vinzenz Stummer and Tobias Fl\"{o}ry and Anrius Baltuska and Andreas Kugi},
  title = {Stochastic nonlinear model of the dynamics of actively Q-switched lasers},
  doi = {10.1364/OE.464508},
  number = {18},
  pages = {32411--32427},
  url = {http://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-30-18-32411},
  volume = {30},
  journal = {Optics Express},
  keywords = {Amplified spontaneous emission; Fiber lasers; Q switched lasers; Random lasers; Spontaneous emission; Stimulated Brillouin scattering},
  month = {Aug},
  publisher = {Optica Publishing Group},
  year = {2022},
  }

• A. Deutschmann, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, On the global feedback stabilization of regenerative optical amplifiers, in Proceedings of the 21st IFAC World Congress, Berlin, Germany, 2020, p. 5447–5452.
  [BibTex]

  @InProceedings{Deutschmann2020a,
  author = {A. Deutschmann and W. Kemmetmüller and A. Kugi},
  booktitle = {Proceedings of the 21st IFAC World Congress},
  title = {On the global feedback stabilization of regenerative optical amplifiers},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2020.12.1547},
  note = {IFAC-PapersOnLine},
  number = {2},
  pages = {5447--5452},
  volume = {53},
  address = {Berlin, Germany},
  issn = {2405-8963},
  month = {06},
  year = {2020},
  }

• A. Deutschmann, T. Flöry, K. Schrom, V. Stummer, A. Baltuška, and A. Kugi, Bifurcation suppression in regenerative amplifiers by active feedback methods, Optics Express, vol. 28, iss. 2, pp. 1722-1737, 2020.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Deutschmann2020,
  author = {Deutschmann, A. and Fl\"ory, T. and Schrom, K. and Stummer, V. and Baltu\v{s}ka, A. and Kugi, A.},
  title = {Bifurcation suppression in regenerative amplifiers by active feedback methods},
  journal = {Optics Express},
  year = {2020},
  volume = {28},
  number = {2},
  pages = {1722-1737},
  doi = {10.1364/OE.380404},
  }

• A. Deutschmann, P. Malevich, A. Baltuska, and A. Kugi, Modeling and iterative pulse-shape control of optical chirped pulse amplifiers, Automatica, vol. 98, p. 150–158, 2018.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Deutschmann2018a,
  author = {Deutschmann, A. and Malevich, P. and Baltuska, A. and Kugi, A.},
  title = {Modeling and iterative pulse-shape control of optical chirped pulse amplifiers},
  journal = {Automatica},
  year = {2018},
  volume = {98},
  pages = {150--158},
  issn = {0005-1098},
  doi = {10.1016/j.automatica.2018.09.002},
  }

Partner

Ultrafast Laser Group, Institut für Photonik an der Technischen Universität Wien

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