10.07.2017
IQ AFM

Imaging, handling and manipulation of material with high resolution are important techniques for various applications of research. Atomic force microscopes (AFM) are one of the most important tools for imaging applications with spatial resolution beyond the diffraction limit of light. The project aims is to build a complete AFM-system, including advanced imaging modes, in cooperation with Anton Paar GmbH.

Project focus

• High-speed and long stroke Z-actuator
• Design and implementation of high-speed and low-noise laser-deflection readout system
• Development of a scanning-lever AFM-system
• Development of advanced measurement modes

Description

Imaging, handling and manipulation of material with high resolution are important techniques for various applications of research. Atomic force microscopes (AFM) are one of the most important tools for imaging applications with spatial resolution beyond the diffraction limit of light. The project aims is to build a complete AFM-system, including advanced imaging modes, in cooperation with Anton Paar GmbH. The work packages belonging to ACIN includes the development of the AFM-head components, high-speed, vertical Z-actuator, high-speed and low-noise laser-deflection readout system, scanning-lever AFM-system and advanced measurement modes. A follow-up project was focused on the development of functional imaging-modes. Various research fields such as biology, physics or materials science are using such functional imaging-modes like Kelvin-probe force microscopy (KPFM). With KPFM it is possible to map the sample surface potential in a quantitative way with nanometer resolution. At ACIN a novel feedback based Scanning Probe Microscopy method which enables quantitative surface potential measurements without the need of the DC bias of Kelvin Probe Force Microscopy was developed. This method opens the way to image the surface potential of various samples such as semiconductors or biological cells without the need for applying a disturbing or interfering DC-bias and enables new applications of feedback based KPFM technologies.

Applications

• Nanometrology Systems
• AFM, SPM, KPFM, EFM, MFM, QNM etc.

Related Publications

• D. Kohl, P. Mesquida, and G. Schitter, Multi-frequency Kelvin Probe Force Microscopy Method for Charge Mapping Without DC-Bias, in Nano and Photonics & FemtoMat 2017, 2017.
  [BibTex]

  @Conference{TUW-041020177,
  Title = {Multi-frequency Kelvin Probe Force Microscopy Method for Charge Mapping Without DC-Bias},
  Author = {Kohl, D. and Mesquida, P. and Schitter, G.},
  Booktitle = {Nano and Photonics \& FemtoMat 2017},
  Year = {2017}
  }

• D. Kohl, P. Mesquida, and G. Schitter, Quantitative DC-free Kelvin Probe Force Microscopy, in Final Program 42nd International Conference on Micro and Nano Engineering, 2016.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-254059,
  Title = {Quantitative DC-free Kelvin Probe Force Microscopy},
  Author = {Kohl, Dominik and Mesquida, Patrick and Schitter, Georg},
  Booktitle = {Final Program 42nd International Conference on Micro and Nano Engineering},
  Year = {2016},
  Note = {Vortrag: Micro and Nano Engineering 2016, VIenna; 2016-09-19 -- 2016-09-23},
  Doi = {10.1016/j.mee.2017.01.005},
  Numpages = {2}
  }

• R. Saathof, T. Riel, M. Bibl, D. Kohl, H. W. Yoo, and G. Schitter, Non-parametric robustness analysis for feedback motion control for a high precision stage with large mass uncertainty, in Proceedings of the 2016 American Control Conference, 2016, p. 2611–2616.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-254388,
  Title = {Non-parametric robustness analysis for feedback motion control for a high precision stage with large mass uncertainty},
  Author = {Saathof, Rudolf and Riel, Thomas and Bibl, Matthias and Kohl, Dominik and Yoo, Han Woong and Schitter, Georg},
  Booktitle = {Proceedings of the 2016 American Control Conference},
  Year = {2016},
  Note = {Vortrag: 2016 American Control Conference, Boston (USA); 2016-07-06 -- 2016-07-08},
  Pages = {2611--2616},
  Doi = {10.1109/ACC.2016.7525310}
  }

• D. Kohl, T. Riel, R. Saathof, J. Steininger, and G. Schitter, Auto-Tuning PI Controller for Surface Tracking in Atomic Force Microscopy – A Practical Approach, in Proceedings of the 2016 American Control Conference, 2016.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-254062,
  Title = {Auto-Tuning PI Controller for Surface Tracking in Atomic Force Microscopy - A Practical Approach},
  Author = {Kohl, Dominik and Riel, Thomas and Saathof, Rudolf and Steininger, J{\"u}rgen and Schitter, Georg},
  Booktitle = {Proceedings of the 2016 American Control Conference},
  Year = {2016},
  Note = {Vortrag: 2016 American Control Conference, Boston (USA); 2016-07-06 -- 2016-07-08},
  Doi = {10.1109/ACC.2016.7526840},
  Numpages = {6}
  }

• J. Steininger, M. Bibl, H. W. Yoo, and G. Schitter, High bandwidth deflection readout for atomic force microscopes, Review of Scientific Instruments, vol. 86, 2015.
  [BibTex]

  @Article{TUW-242622,
  Title = {High bandwidth deflection readout for atomic force microscopes},
  Author = {Steininger, J{\"u}rgen and Bibl, Matthias and Yoo, Han Woong and Schitter, Georg},
  Journal = {Review of Scientific Instruments},
  Year = {2015},
  Volume = {86},
  Doi = {10.1063/1.4932188}
  }

• J. Steininger, R. Paris, and G. Schitter, Increasing sensitivity while reducing crosstalk of the force sensor in atomic force microscopes, in Proceedings of the 14th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, 2014, p. 321–324.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-229780,
  Title = {Increasing sensitivity while reducing crosstalk of the force sensor in atomic force microscopes},
  Author = {Steininger, J{\"u}rgen and Paris, Ren{\'e} and Schitter, Georg},
  Booktitle = {Proceedings of the 14th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology},
  Year = {2014},
  Note = {Posterpr{\"a}sentation: 14th International Conference and Exhibition of the European Society for Precision Engineering {\&} Nanotechnology, Dubrovnik, Croatia; 2014-06-02 -- 2014-06-06},
  Pages = {321--324},
  ISBN = {978-0-9566790-3-1},
  Journal = {Euspen}
  }

• J. Steininger, R. Paris, and G. Schitter, Improving the Deflection Readout Mechanism of an Atomic Force Microscope, in MESS14 Microelectronic Systems Symposium, Band 76 der OVE-Schriftenreihe, 76, 2014, p. 22.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-229786,
  Title = {Improving the Deflection Readout Mechanism of an Atomic Force Microscope},
  Author = {Steininger, J{\"u}rgen and Paris, Ren{\'e} and Schitter, Georg},
  Booktitle = {MESS14 Microelectronic Systems Symposium, Band 76 der OVE-Schriftenreihe},
  Year = {2014},
  Address = {76},
  Note = {Posterpr{\"a}sentation: MESS14 Microelectronic Systems Symposium, Vienna; 2014-05-08 -- 2014-05-09},
  Pages = {22},
  ISBN = {978-3-85133-082-3}
  }

• J. Steininger and G. Schitter, Influence of the Photodetector Geometry on the Deflection Measurement in Atomic Force Microscopes, in Proceedings of the ASPE 2014 Annual Meeting, 2014, p. 674–679.
  [BibTex]

  @InProceedings{TUW-233073,
  Title = {Influence of the Photodetector Geometry on the Deflection Measurement in Atomic Force Microscopes},
  Author = {Steininger, J{\"u}rgen and Schitter, Georg},
  Booktitle = {Proceedings of the ASPE 2014 Annual Meeting},
  Year = {2014},
  Note = {Vortrag: ASPE 2014 Annual Meeting, Boston (USA); 2014-11-09 -- 2014-11-14},
  Pages = {674--679},
  ISBN = {978-1-887706-66-7}
  }

• J. Steininger, S. Kuiper, S. Ito, and G. Schitter, Schnelle Rasterkraftmikroskopie durch moderne Regelungstechnik und mechatronische Systemintegration, E&I Elektrotechnik und Informationstechnik, vol. 129, iss. 1, p. 28–33, 2012.
  [BibTex]

  @Article{TUW-207882,
  Title = {Schnelle Rasterkraftmikroskopie durch moderne Regelungstechnik und mechatronische Systemintegration},
  Author = {Steininger, J{\"u}rgen and Kuiper, Stefan and Ito, Shingo and Schitter, Georg},
  Journal = {E{\&}I Elektrotechnik und Informationstechnik},
  Year = {2012},
  Number = {1},
  Pages = {28--33},
  Volume = {129},
  Doi = {10.1007/s00502-012-0070-8},
  Keywords = {SPM, AFM, scanning probe, control, nanotechnology, nanometrology}
  }

Project partners

• Anton Paar GmbH

Funding

• Austrian Research Promotion Agency (FFG)
• Anton Paar GmbH

  05.07.2017
Optimierungsbasierte Regelungsmethoden an einem Turmdrehkran im Labormaßstab

Projektschwerpunkte

• Echtzeitfähige Implementierung von optimierungsbasierten Regelungsmethoden
• Modellprädiktive Regelung mit Berücksichtigung von Systembeschränkungen
• Pfadplanung
• Pfadfolgeregelung

Beschreibung

Turmdrehkräne sind sehr weit verbreitet und stellen ein interessantes Anwendungsgebiet für die Regelungstechnik dar. Eine wichtige Aufgabenstellung ist das Positionieren des Hakens unter gleichzeitiger Minimierung von Pendelbewegungen des Seils an der Sollposition. Eine weitere mögliche Zielsetzung ist die Unterdrückung von Störungen wie zum Beispiel Windkräfte und unterschiedlich große Lastmassen.

Für die Erfüllung der obigen und weiterer Aufgabenstellungen werden geeignete Regelungskonzepte entwickelt und an einem Turmdrehkran im Labormaßstab getestet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf optimierungsbasierten Ansätzen, im Speziellen aus dem Bereich der modellprädiktiven Regelung (MPC). Diese ermöglicht neben der Erfüllung der primären Zielsetzung auch die Berücksichtigung von Systembeschränkungen und das Erreichen eines optimalen Verhaltens des geschlossenen Regelkreises im Sinne des zugrundeliegenden Kostenfunktionals. Darunter fällt beispielsweise die Minimierung des Energieverbrauches der Antriebsmotoren.

Zur Vermeidung von Kollisionen mit Hindernissen ist es erforderlich, dass der Haken bzw. die Lastmasse einem vorgegebenen kollisionsfreien Pfad möglichst genau folgt. Diese Aufgabenstellung kann von zwei Blickwinkeln betrachtet werden.

• Trajektorienfolgeregelung: Dabei wird die zeitliche Evolution entlang des geometrischen Pfades von vornherein festgelegt. Der Regler hat die Aufgabe, die Hakenposition dieser zeitlich parametrierten Trajektorie nachzuführen. Dies wurde im Rahmen des CLIC-Projektes (Closed-Loop Integration of Cognition, Communication and Control, 2009-2010) umgesetzt. Ein weiteres Ziel dieses Projektes war es, basierend auf Informationen eines verteilten Bildverarbeitungssystems in Echtzeit einen geeigneten kollisionsfreien Pfad zu ermitteln. Die Vernetzung aller Komponenten erfolgt dabei über eine echtzeitfähige Kommunikationsstruktur. Damit kann auch auf bewegte Hindernisse reagiert werden.
  

  Verfolgung einer Trajektorie zur Vermeidung von Kollisionen mit Hindernissen, Darstellung von Ist- (rot) und Solltrajektorie (grün) des Kranhakens.

  Neben dem ACIN waren am CLIC-Projekt auch das Institut für Technische Informatik (Technische Universität Wien), das Institut für Vernetzte und Eingebettete Systeme (Alpen-Adria-Universität Klagenfurt) und die TTTech Computertechnik AG beteiligt.

• Pfadfolgeregelung: Bei dieser wird auch die zeitliche Evolution entlang des geometrischen Pfades vom Regler bestimmt. Dadurch kann die örtliche Verfolgung des Pfades gegenüber der Zeitdauer der Pfadverfolgung priorisiert werden. Beim Auftreten von Störeinwirkungen ist es damit möglich, erst nach dem Ausregeln der aufgetretenen Abweichungen die Verfolgung des Pfades in Richtung des Zielpunktes wieder aufzunehmen.
  

  Pfadfolgeregelung mit Störung in Form einer externen Krafteinwirkung auf den Kranhaken, Darstellung von Ist- (grün) und Sollpfad (blau) des Kranhakens.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• M. Böck and A. Kugi, Real-time Nonlinear Model Predictive Path-Following Control of a Laboratory Tower Crane, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 22, iss. 4, p. 1461–1473, 2014.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Boeck14,
  Title = {Real-time Nonlinear Model Predictive Path-Following Control of a Laboratory Tower Crane},
  Author = {B{\"o}ck, Martin and Kugi, Andreas},
  Journal = {IEEE Transactions on Control Systems Technology},
  Pages = {1461--1473},
  Volume = {22},
  Year = {2014},
  Number = {4},
  Doi = {10.1109/TCST.2013.2280464},
  }

• M. Böck and A. Kugi, Manifold Stabilization and Path-Following Control for Flat Systems with Application to a Laboratory Tower Crane, in Proceedings of the 53rd IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Los Angeles, USA, 2014, p. 4529–4535.
  [BibTex] [Download]

  @InProceedings{Boeck14b,
  author = {Martin B{\"o}ck and Andreas Kugi},
  title = {Manifold Stabilization and Path-Following Control for Flat Systems with Application to a Laboratory Tower Crane},
  booktitle = {Proceedings of the 53rd IEEE Conference on Decision and Control (CDC)},
  year = {2014},
  month = {12},
  pages = {4529--4535},
  doi = {10.1109/CDC.2014.7040096},
  address = {Los Angeles, USA},
  }

• M. Egretzberger, K. Graichen, and A. Kugi, Flatness-Based MPC and Global Path Planning Towards Cognition-Supported Pick-and-Place Tasks of Tower Cranes, in Advanced Dynamics and Model-Based of Control Structures and Machines, H. Irschik, M. Krommer, and A. Belyaev, Eds., Wien: Springer, 2011, p. 63–72.
  [BibTex]

  @Incollection{Egretzberger11e,
  Title = {Flatness-Based MPC and Global Path Planning Towards Cognition-Supported Pick-and-Place Tasks of Tower Cranes},
  Author = {M. Egretzberger and K. Graichen and A. Kugi},
  Booktitle = {Advanced Dynamics and Model-Based of Control Structures and Machines},
  Publisher = {Springer},
  Year = {2011},
  Address = {Wien},
  Editor = {H. Irschik and M. Krommer and A. Belyaev},
  Pages = {63--72},
  Doi = {10.1007/978-3-7091-0797-3_8},
  }

• K. Graichen, M. Egretzberger, and A. Kugi, Suboptimal model predictive control of a laboratory crane, in 8th IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS), Bologna, Italy, 2010, p. 397–402.
  [BibTex]

  @InProceedings{Graichen10,
  author = {K. Graichen and M. Egretzberger and A. Kugi},
  title = {Suboptimal model predictive control of a laboratory crane},
  booktitle = {8th IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS)},
  year = {2010},
  pages = {397--402},
  doi = {10.3182/20100901-3-IT-2016.00140},
  address = {Bologna, Italy},
  }

• K. Graichen, M. Egretzberger, and A. Kugi, Ein suboptimaler Ansatz zur schnellen modellprädiktiven Regelung nichtlinearer Systeme, at – Automatisierungstechnik, vol. 58, p. 447–456, 2010.
  [BibTex]

  @Article{Graichen10c,
  Title = {Ein suboptimaler {A}nsatz zur schnellen modellpr{\"a}diktiven {R}egelung nichtlinearer {S}ysteme},
  Author = {K. Graichen and M. Egretzberger and A. Kugi},
  Journal = {at -- Automatisierungstechnik},
  Pages = {447--456},
  Volume = {58},
  Year = {2010},
  Doi = {10.1524/auto.2010.0860},
  }

Projektpartner und Förderung

Das CLIC-Projekt wurde gefördert durch das FIT-IT Programm der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) (Projektnr. 819482). Neben dem ACIN waren beteiligt:

• Institut für Technische Informatik (Technische Universität Wien)
• Institut für Vernetzte und Eingebettete Systeme (Alpen-Adria-Universität Klagenfurt)
• TTTech Computertechnik AG

  04.07.2017
Hol-I-Wood PR

Projektschwerpunkte

• Zeitoptimale Prozessabläufe
• Visuelle Positionsregelung
• Flexible Produktionssysteme

Beschreibung

Die Korrektur von natürlichen Holzdefekten, wie z.B. Harztaschen oder Astlöchern, unterbricht die automatisierten Produktionsabläufe in der Holzindustrie. Dabei ist die menschliche Arbeitskraft insbesondere für die Detektion und Klassifikation von Holzdefekten sowie für deren Reparatur erforderlich.

Diese für den Menschen monotone und mühselige Arbeit wird im Rahmen des Projekts „Holonic Integration of Cognition, Communication and Control for a Wood Patching Robot“, kurz „Hol-I-Wood PR“, automatisiert. Diese innovative so genannte „Wood Patching“-Anlage wird in die Schalungsplattenproduktion unserer Partner integriert.

Ein Multisensorsystem scannt die Schalungsplatten und ermittelt die Defektdaten, wie beispielsweise die Position und den Umriss des losen Astes aus Abb. 1. Ein so genannter Patch-Roboter korrigiert die Defekte durch Ausbohren und Einschlagen eines oder mehrerer Stopfen (engl. patches), siehe Abb. 2. Dabei bedient der Holzscanner mehrere Produktionslinien, welche über Kreuzungen miteinander verbunden sind. Bei diesem Prozess treten Optimierungsprobleme in vielfältiger Form auf, die in Echtzeit gelöst werden müssen.

Anfangs werden für jeden Defekt die minimale Anzahl an Stopfen und deren Anordnung berechnet. Dabei unterliegt die Anordnung der Stopfen starken Einschränkungen, da sichergestellt werden muss, dass sie fest mit der Platte verbunden sind.
Dann wird der zeitoptimale Roboterpfad zwischen den einzelnen Stopfen geplant. Dieses anspruchsvolle kombinatorische Optimierungsproblem, ähnlich des so genannten „Travelling Salesman Problems“, ist darüberhinaus zeitvariant, da die Schalungsplatten flexibel zu den einzelnen Produktionslinien zugeteilt werden und somit die anzufahrenden Fehlstellen dem jeweiligen Patch-Roboter zeitlich versetzt bekanntgegeben werden.
Der Patch-Roboter ruft nach erfolgter Plattenzuteilung die notwendigen Daten aus einer Datenbank ab, bewegt die Platte mithilfe zeitoptimaler Trajektorienplanung und visueller Positionsregelung entlang des gewünschten Pfades und platziert die Stopfen.
Dabei werden die Positionsdaten der Platte vom Kamera-Netzwerk mit Positionsdaten „konventioneller“ Sensoren, die jeweils mit unterschiedlichen Abtastzeiten und Genauigkeiten zur Verfügung stehen, kombiniert.

Aufgrund der Toleranzen des natürlichen Werkstoffes Holz und der rauen Produktionsumgebung in Sägewerken muss die Automation robust, fehlertolerant und flexibel ausgelegt werden. Dies erfolgt durch den Einsatz moderner Regelungs- und Beobachterkonzepte.

Darüberhinaus erreicht die Forschungsgruppe für Automatisierungs- und Steuerungssysteme des ACIN durch automatisierte flexible Zuteilung, Umleitung und gegebenenfalls auch durch Pufferspeicherung der Schalungsplatten zwischen den einzelnen Produktionslinien eine gleichmäßige, höchstmögliche Anlagenauslastung. Bei Störung einer oder mehrerer Patch-Roboter werden die Schalungsplatten sofort neu zugeteilt, ohne dass es zu unnötig hohen Produktionsausfällen kommt.

Anwendungsbereiche

Die Reparatur von Fehlstellen im Holz steigert dessen Wert unabhängig von der endgültigen Verwendung. Bei Schalungsplatten wird deren Funktion sichergestellt, bei Möbeln, Fensterrahmen o.Ä. wird das Erscheinungsbild verbessert.

Generell treten ähnliche Problemstellungen, wie z.B. optimale Pfadplanung, Positionierung von Werkstücken, welche nur durch Reibschluss (nicht durch Formschluss) bewegt werden oder maximale Anlagenauslastung, in weiten Bereichen der Prozesskettenoptimierung auf.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• M. W. Hofmair, M. Melik-Merkumians, M. Böck, M. Merdan, G. Schitter, and A. Kugi, Patching process optimization in an agent-controlled timber mill, Journal of Intelligent Manufacturing, vol. 28, iss. 1, p. 69–84, 2017.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Hofmair14,
  Title = {Patching process optimization in an agent-controlled timber mill},
  Author = {Hofmair, Matthias Wolfgang and Melik-Merkumians, Martin and B\"ock, M. and Merdan, M. and Schitter, G. and Kugi, A.},
  Journal = {Journal of Intelligent Manufacturing},
  Pages = {69--84},
  Volume = {28},
  Year = {2017},
  Number = {1},
  Doi = {10.1007/s10845-014-0962-z},
  ISSN = {1572-8145},
  }

• M. W. Hofmair, Process Optimization and Control of a Patching Plant for Shuttering Panels, A. Kugi and K. Schlacher, Eds., Aachen: Shaker Verlag, 2016, vol. 32.
  [BibTex]

  @Book{Hofmair16,
  Title = {Process Optimization and Control of a Patching Plant for Shuttering Panels},
  Author = {Hofmair, M. W.},
  Editor = {A. Kugi and K. Schlacher},
  Publisher = {Shaker Verlag},
  Year = {2016},
  Address = {Aachen},
  Series = {Modellierung und Regelung komplexer dynamischer Systeme},
  Volume = {32},
  ISBN = {978-3-8440-4745-5},
  Organization = {Institute f{\"u}r Automatisierungs- und Regelungstechnik (TU Wien) und Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (JKU Linz)},
  }

• M. W. Hofmair, M. Böck, and A. Kugi, Time-Optimal Trajectory Generation, Path Planning and Control for a Wood Patching Robot, in Proceedings of the 2015 IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, Australia, 2015, p. 459–465.
  [BibTex]

  @InProceedings{Hofmair15,
  author = {Hofmair, Matthias Wolfgang and B\"ock, Martin and Kugi, Andreas},
  title = {Time-Optimal Trajectory Generation, Path Planning and Control for a Wood Patching Robot},
  booktitle = {Proceedings of the 2015 IEEE Conference on Control Applications (CCA)},
  year = {2015},
  publisher = {IEEE},
  month = {9},
  pages = {459--465},
  doi = {10.1109/CCA.2015.7320672},
  address = {Sydney, Australia},
  }

Projektpartner und Förderung

Am Projekt „Hol-I-Wood PR“ arbeiteten zusammen mit dem ACIN drei weitere öffentliche Forschungseinrichtungen und vier Industriepartner aus fünf Ländern der EU:

• Lip Opazne Plosce Bohinj Doo (Slovenien)
• Lulea Tekniska Universitet (Schweden)
• MiCROTEC (Italien)
• Springer (Österreich)
• Technische Universität München (Deutschland)
• TTTech (Österreich)

Das Projekt wurde im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission gefördert.

• Projektakronym: Hol-I-Wood PR
• Projekttitel: Holonic Integration of Cognition, Communication and Control for a Wood Patching Robot
• Projektnummer: 284573

  29.06.2017
Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung von kontinuierlichen Bandbehandlungsanlagen

  29.06.2017
Optimalsteuerung pneumatischer Linearaktoren

Projektschwerpunkte

• Optimalsteuerungen für nichtlineare Mehrgrößensysteme
• Energieeffizienz
• Experimentelle Verifikation

Beschreibung

Die Pneumatik erfeut sich in den unterschiedlichsten Industriezweigen großer Beliebtheit. Vor allem der Einsatz von pneumatischen Linearaktoren ist in der heutigen Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken.

Die zukünftigen Anforderungen an pneumatische Linearaktoren zielen auf schnelle hochgenaue Punkt-zu-Punkt Positionierungen mit möglichst geringem Sensoraufwand ab. Der Verzicht auf eine kontinuierliche Positionssensorik und der Einsatz einer kostengünstigen, diskreten Wegmessung stellt für den Entwurf einer Regelung für die Punkt-zu-Punkt Positionierung eine besondere Herausforderung dar. Die fehlende kontinuierliche Positionsinformation muss durch eine intelligente Regelung des Antriebs kompensiert werden.

Für die Ansteuerung der Linearaktoren werden in diesem Projekt kostengünstige Schnellschaltventile verwendet. Die optimale Ansteuerung dieser zur Durchführung einer Punkt-zu-Punkt Bewegung des pneumatischen Kolbens ist Ziel dieses Projektes. Dabei soll eine zeitoptimale und eine energieminimale Positionierung des pneumatischen Kolbens erreicht werden, welche robust gegenüber Druckversogrungsschwankungen und Laständerungen ist.

Anwendungsbereiche

• Produktionsanlagen
• Handlingsysteme

Ausgewählte Veröffentlichungen

• A. Pfeffer, T. Glück, and A. Kugi, Soft Landing and Disturbance Rejection for Pneumatic Drives with Partial Position Information, in Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems & 15th Mechatronics Forum International Conference, Loughborough, UK, 2016, p. 559–566.
  [BibTex] [Download]

  @InProceedings{Pfeffer16a,
  author = {Pfeffer, A. and Gl\"uck, T. and Kugi, A.},
  title = {Soft Landing and Disturbance Rejection for Pneumatic Drives with Partial Position Information},
  booktitle = {Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems \& 15th Mechatronics Forum International Conference},
  year = {2016},
  volume = {49},
  number = {21},
  month = {9},
  pages = {559--566},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2016.10.661},
  address = {Loughborough, UK},
  issn = {2405-8963},
  }

  29.06.2017
Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung einer Warmbandstraße

  28.06.2017
Nichtlineare Regelungs- und Schutzkonzepte für Smart Power ICs

Projektschwerpunkte

• Mathematische Modellierung und Systemanalyse eines Smart Power ICs
• Entwicklung von modellbasierten, digitalen Regelungs- und Schutzfunktionen
• Umsetzung und Verifikation am Versuchsaufbau

Beschreibung

Smart Power ICs werden für das Schalten von Mittel- und Hochstromlasten in automobilen und industriellen Anwendungen eingesetzt. Bild 1 zeigt dazu exemplarisch das Anwendungsgebiet der PROFET™ Smart Power IC Serie von Infineon.

 

  26.06.2017
Backstepping-basierter Beobachterentwurf für pa­ra­bo­li­sche PDGLn mit variablen Parametern

Projektschwerpunkte

• Zustandschätzung für lineare örtlich eindimensionale parabolische PDGLn mit orts- und zeitvariablen Parametern und zeitvariablen Randbedingungen
• Zustandschätzung für Systeme, die durch parabolische PDGLn in mehreren Orts­di­men­sionen beschrieben werden
• Zustandschätzung für quasi-lineare parabolische PDGLn mit lokal Lipschitz-ste­ti­gen Nichtlinearitäten
• Effiziente numerische Implementierung im Hinblick auf Echtzeitanwendungen

Beschreibung

Für moderne Regelungskonzepte – aber auch zur modellbasierten Überwachung der Prozessdynamik vieler technischer Anwendungen – ist sehr oft die Kenntnis des vollständigen Systemzustands erforderlich. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Regelung auf Basis einer Zustandsrückführung aufgebaut ist oder die voll­stän­di­gen Zustandsinformationen zur modellbasierten Systemdiagnose und Stör­fall­er­ken­nung eingesetzt werden. Der vollständige Systemzustand kann jedoch in der Regel nicht unmittelbar durch Messungen erfasst werden. Dies trifft insbesondere auf verteilt-parametrische Systeme zu, die durch partielle Differenzialgleichungen (PDGLn) beschrieben werden, da hierbei Einschränkungen bezüglich der Anzahl der Messglieder zu berücksichtigen sind, oder im Fall örtlich mehrdimensionaler Systeme durch die Tatsache, dass Messungen oft nur am Rand des örtlichen De­fi­ni­tions­gebiets zur Verfügung stehen können. Aus diesem Grund wird ein Zustandsschätzer benötigt, um die nicht direkt messbaren Zustandsgrößen aus gemessenen Ein- und Ausgangsgrößen sowie der Kenntnis des mathematischen Modells zu bestimmen.

Dieses Projekt befasst sich mit dem Entwurf von Zustandsschätzern für Systeme, die durch parabolische PDGLn mit am Rand vorliegenden Messung modelliert werden. Dies erfolgt durch den Einsatz eines verteilt-parametrischen Luenberger-Be­ob­ach­ters mit in der PDGL und am Rand wirkenden Korrekturtermen, wobei zu deren Ent­wurf die Backstepping-Methodik herangezogen wird. Die so ermittelten Be­ob­ach­ter­verstärkungen garantieren das exponentielle Abklingen der Be­ob­ach­tungs­feh­ler­dy­na­mik und somit eine präzise Zustandsschätzung.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, Backstepping Observers for linear PDEs on Higher-Dimensional Spatial Domains, Automatica, vol. 51, p. 85–97, 2015.
  [BibTex]

  @Article{Jadachowski14a,
  author = {Jadachowski, L. and Meurer, T. and Kugi, A.},
  title = {{Backstepping Observers for linear PDEs on Higher-Dimensional Spatial Domains}},
  doi = {10.1016/j.automatica.2014.10.108},
  pages = {85--97},
  volume = {51},
  journal = {Automatica},
  year = {2015},
  }

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, Backstepping Observers for Periodic Quasi-Linear Parabolic PDEs, in Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, p. 7761–7766.
  [BibTex]

  @InProceedings{Jadachowski14,
  author = {Jadachowski, L. and Meurer, T. and Kugi, A.},
  booktitle = {Proceedings of the 19th IFAC World Congress},
  title = {Backstepping Observers for Periodic Quasi-Linear Parabolic {PDE}s},
  doi = {10.3182/20140824-6-ZA-1003.01246},
  pages = {7761--7766},
  address = {Cape Town, South Africa},
  month = {8},
  year = {2014},
  }

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, State Estimation for Parabolic PDEs with Reactive-Convective Non-Linearities, in Proceedings of European Control Conference ECC 2013, Zürich, Switzerland, 2013, p. 1603 – 1608.
  [BibTex] [Download]

  @InProceedings{Jadachowski13,
  author = {L. Jadachowski and T. Meurer and A. Kugi},
  title = {State Estimation for Parabolic PDEs with Reactive-Convective Non-Linearities},
  booktitle = {Proceedings of European Control Conference ECC 2013},
  year = {2013},
  month = {7},
  pages = {1603 -- 1608},
  url = {http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6669588},
  address = {Z\"{u}rich, Switzerland},
  }

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, An Efficient Implementation of Backstepping Observers for Time-Varying Parabolic PDEs, in Proceedings MATHMOD 2012 Vienna, Wien, Austria, 2012, p. 798–803.
  [BibTex]

  @InProceedings{Jadachowski12,
  author = {L. Jadachowski and T. Meurer and A. Kugi},
  title = {{An Efficient Implementation of Backstepping Observers for Time-Varying Parabolic PDEs}},
  booktitle = {Proceedings MATHMOD 2012 Vienna},
  year = {2012},
  editor = {Troch, I. and Breitenecker, F.},
  month = {2},
  pages = {798--803},
  doi = {10.3182/20120215-3-AT-3016.00141},
  address = {Wien, Austria},
  }

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, State Estimation for Parabolic PDEs with Varying Parameters on 3-Dimensional Spatial Domains, in Proceedings of the 18th IFAC World Congress, Milano, Italia, 2011, pp. 13338-13343.
  [BibTex]

  @InProceedings{Jadachowski11,
  author = {L. Jadachowski and T. Meurer and A. Kugi},
  title = {{S}tate {E}stimation for {P}arabolic {PDE}s with {V}arying {P}arameters on 3-{D}imensional {S}patial {D}omains},
  booktitle = {Proceedings of the 18th IFAC World Congress},
  year = {2011},
  month = {8},
  pages = {13338-13343},
  doi = {10.3182/20110828-6-IT-1002.02964},
  address = {Milano, Italia},
  }

• L. Jadachowski, T. Meurer, and A. Kugi, State Reconstruction in Higher Dimensional PDEs with Spatially Varying Parameters, PAMM, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, vol. 11, iss. 1, p. 813–814, 2011.
  [BibTex]

  @Article{Jadachowski11a,
  Title = {{State Reconstruction in Higher Dimensional PDEs with Spatially Varying Parameters}},
  Author = {L. Jadachowski and T. Meurer and A. Kugi},
  Journal = {PAMM, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics},
  Pages = {813--814},
  Volume = {11},
  Year = {2011},
  Number = {1},
  Doi = {10.1002/pamm.201110395},
  }

Anwendungsbereiche

• Zustandsschätzung für Aufheiz- und Abkühlprozesse in der Stahlverarbeitung
• Systemüberwachung und -diagnose in Rohr- und Festbettreaktoren der Ver­fah­rens­te­chnik

Förderung

TU Wien Doktorandenkolleg PDETech

Partner

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Meurer

  20.06.2017
Ebenheitsregelung bei der Grobblechwalzung

Projektscherpunkte

• Entwicklung von Modellen der viskoplastischen Materialverformung im Walzspalt
• Modellierung von Ebenheitsdefekten bei Walztafeln
• Entwurf von Regelungsstrategien zur Verbesserung der Ebenheit

Beschreibung

Die Kundenanforderungen an die Ebenheits- und Dickenqualität gewalzter Grobbleche steigen ständig. Die Produktqualität wird hauptsächlich durch die Walzung der Walztafeln an Reversierwalzgerüsten bestimmt. Hierbei werden die Walztafeln, in mehreren sogenannten Stichen, auf ihre Enddicke ausgewalzt. Zur Erhöhung der Produktqualität bieten sich physikalische Modelle und darauf aufbauende Regelungskonzepte an.

Zur Einstellung der gewünschten Enddicke der Walztafel ist eine präzise Materialverfolgung vonnöten. Dazu wird ein analytisches Voreilungsmodell basierend auf der Annahme eines viskoplastischen Materialverhaltens hergeleitet. Die dabei hervorgehenden partiellen Differentialgleichungen lassen sich mittels geeigneter Koordinatentransformationen in geschlossener Form lösen.

 

Beim Walzen von Grobblechen tritt unter Umständen ein ungewolltes Auf- oder Abbiegen der Walztafelenden auf. Dieser Ebenheitsdefekt wird aufgrund der Ähnlichkeit zur Spitze eines Skis auch als Ski-Effekt bezeichnet, vgl. Abb. 1. Die Ursachen für diesen Effekt sind Asymmetrien (u.a. Temperatur und Reibung) während des Walzens um die Mittelebene der Walztafel. Mit dem Traglastsatz der Plastizitätstheorie wird ein halbanalytisches Modell zur Ermittlung der Skibildung entwickelt.

 

Basierend auf der Modellierung der Skibildung erfolgt der Entwurf von Regelungskonzepten zur Verbesserung der Ebenheit. Dabei kommt eine Mehrgrößenregelung des Walzenantriebes zum Einsatz, welche eine gezielte Einstellung der Differenzdrehzahl zwischen oberer und unterer Arbeitswalze ermöglicht. Anhand des halbanalytischen Ski-Modells erfolgt die Ermittlung der einzustellenden Differenzdrehzahl zur Kompensation vorhandener Asymmetrien.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• T. Kiefer, R. Heeg, and A. Kugi, Modellbasierte Dicken- und Ebenheitsregelung in Grobblechwalzwerken, at – Automatisierungstechnik, vol. 56, iss. 8, p. 416–426, 2008.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Kiefer08b,
  Title = {Modellbasierte {D}icken- und {E}benheitsregelung in {G}robblechwalzwerken},
  Author = {T. Kiefer and R. Heeg and A. Kugi},
  Journal = {at -- Automatisierungstechnik},
  Pages = {416--426},
  Volume = {56},
  Year = {2008},
  Number = {8},
  Doi = {10.1524/auto.2008.0720},
  }

• T. Kiefer and A. Kugi, Model-based control in front-end bending in hot rolling processes, in Proceedings of the 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, 2008, p. 1645–1650.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kiefer08,
  author = {T. Kiefer and A. Kugi},
  title = {Model-based control in front-end bending in hot rolling processes},
  booktitle = {Proceedings of the 17th IFAC World Congress},
  year = {2008},
  month = {7},
  pages = {1645--1650},
  doi = {10.3182/20080706-5-KR-1001.00280},
  address = {Seoul, Korea},
  }

• T. Kiefer and A. Kugi, An Analytical Approach for Modelling Asymmetrical Hot Rolling of Heavy Plates, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, vol. 14, iss. 3, p. 249–267, 2008.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Kiefer08a,
  Title = {An Analytical Approach for Modelling Asymmetrical Hot Rolling of Heavy Plates},
  Author = {T. Kiefer and A. Kugi},
  Journal = {Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems},
  Pages = {249--267},
  Volume = {14},
  Year = {2008},
  Number = {3},
  Doi = {10.1080/13873950701844915},
  }

• T. Kiefer and A. Kugi, Modelling and Control of Front End Bending in Heavy Plate Mills, in Proceedings of the 12th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal Processing, Quebec City, Canada, 2007, p. 231–236.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kiefer07,
  author = {T. Kiefer and A. Kugi},
  title = {Modelling and Control of Front End Bending in Heavy Plate Mills},
  booktitle = {Proceedings of the 12th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal Processing},
  year = {2007},
  month = {8},
  pages = {231--236},
  doi = {10.3182/20070821-3-CA-2919.00034},
  address = {Quebec City, Canada},
  }

Anwendungsbereiche

• Walzwerksautomatisierung

  20.06.2017
Modellierung und Regelung von Warmrichtmaschinen

Projektschwerpunkte

• Modellbildung und -identifikation von mechanischen und hydraulischen Maschinenkomponenten
• Optimierungsbasierte, aktive Kompensation der elastischen Auffederung
• Reglerentwurf zur dynamischen Maschinenanstellung

Beschreibung

Warmrichtmaschinen werden bei der Blechherstellung in Walzwerken eingesetzt. Das Richten folgt im Produktionsablauf nach dem Walzen und Kühlen, um verbliebene Ebenheitsdefekte und Resteigenspannungen der Walztafeln zu reduzieren. Dazu werden die Walztafeln an Richtmaschinen durch wechselseitiges Überbiegen plastisch verformt.

Beim Richten von Grobblechen treten Prozesskräfte von einigen Meganewton auf, die zu einer elastischen Auffederung der Maschine im Bereich von mehreren Millimetern führen. Zur Einhaltung der Richtqualität muss diese Auffederung kompensiert werden, z.B. mit Hilfe von Aktoren oder einem Knickmechanismus. Gleichzeitig muss die Maschine vor Überlastung geschützt werden.

Daher sind hier die Analyse und die mathematische Modellierung des mechanischen und hydraulischen Aufbaus der Richtmaschine von Interesse. Die Schwerpunkte der Modellierung sind die elastische Auffederung der Maschinenkomponenten sowie Reibeffekte in den hydraulischen Aktoren und den Gelenken des Knickmechanismus.

Der Ausgangspunkt des mathematischen Auffederungsmodells ist ein Euler-Bernoulli-Balken-Modell der Richtrollen. Die elastische Abstützung der Richtrollen durch die Stützrollen, den Rahmen und die Ständer wird mit Nachgiebigkeitsmatrizen abgebildet. Das Modell wurde mit Hilfe instrumentierter Bleche validiert. Ein reduziertes finit-dimensionales Modell bildet die Grundlage der Berechnung einer optimalen Auffederungskompensation. Ein Optimierungsalgorithmus ermittelt die Anstellung der Aktoren so, dass die gewünschte Position und Form der Richtrollen und damit die gewünschte Walztafelkrümmung bestmöglich eingestellt wird. Dabei wird direkt im Optimierungsverfahren die mechanische Belastung der Maschinenkomponenten berücksichtigt und somit eine Überlastung der Richtmaschine vermieden. Zur Ermittlung der Verformungskräfte an der Walztafel steht ein nichtlineares Richtmodell zur Verfügung.

Die gezielte Krümmung der Richtrollen mit Hilfe des Knickmechanismus der Richtmaschine ist entscheidend für eine genaue Auffederungskompensation. Auf Basis eines validierten dynamischen Modells des Knickmechanismus wurde eine Regelung der Knickrahmen-Anstellung entwickelt, die eine gewünschte Richtrollenkrümmung auch unter der Wirkung der Richtkraft und Reibung in den Gelenken verlässlich einstellt.

Die entwickelten Lösungen konnten bereits erfolgreich an einer industriellen Warmrichtmaschine für Grobbleche in Betrieb genommen werden.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• R. Brauneis, M. Baumgart, A. Steinboeck, and A. Kugi, Deflection Model Of A Multi-Actuator Gap Leveler, in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, pp. 11295-11300.
  [BibTex] [Download]

  @InProceedings{Brauneis17,
  author = {Brauneis, R. and Baumgart, M. and Steinboeck, A. and Kugi, A.},
  title = {Deflection Model Of A Multi-Actuator Gap Leveler},
  booktitle = {Proceedings of the 20th IFAC World Congress},
  year = {2017},
  volume = {50},
  number = {1},
  month = {7},
  pages = {11295-11300},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2017.08.1647},
  address = {Toulouse, France},
  issn = {2405-8963},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, T. Kiefer, and A. Kugi, Modelling and experimental validation of the deflection of a leveller for hot heavy plates, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, vol. 21, iss. 3, p. 202–227, 2015.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Baumgart15a,
  Title = {Modelling and experimental validation of the deflection of a leveller for hot heavy plates},
  Author = {Baumgart, M. and Steinboeck, A. and Kiefer, T. and Kugi, A.},
  Journal = {Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems},
  Pages = {202--227},
  Volume = {21},
  Year = {2015},
  Number = {3},
  Doi = {10.1080/13873954.2014.941881},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, G. Raffin-Peyloz, L. Irastroza, and T. Kiefer, Optimal Active Deflection Compensation of a Hot Leveler, in Proceedings of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries, Gifu, Japan, 2012, p. 30 – 35.
  [BibTex]

  @InProceedings{Baumgart12,
  author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and G. Raffin-Peyloz and L. Irastroza and T. Kiefer},
  title = {{O}ptimal {A}ctive {D}eflection {C}ompensation of a {H}ot {L}eveler},
  booktitle = {Proceedings of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries},
  year = {2012},
  month = {9},
  pages = {30 -- 35},
  doi = {10.3182/20120910-3-JP-4023.00009},
  address = {Gifu, Japan},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, B. Douanne, G. Raffin-Peyloz, L. Irastroza, and T. Kiefer, Modeling and Active Compensation of the Compliance of a Hot Leveler, steel research international, vol. Special Edition ICTP2011, p. 337–342, 2011.
  [BibTex]

  @Article{Baumgart11a,
  Title = {{Modeling and Active Compensation of the Compliance of a Hot Leveler}},
  Author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and B. Douanne and G. Raffin-Peyloz and L. Irastroza and T. Kiefer},
  Journal = {steel research international},
  Pages = {337--342},
  Volume = {Special Edition ICTP2011},
  Year = {2011},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, G. Raffin-Peyloz, B. Douanne, L. Irastorza, and T. Kiefer, Active compliance compensation of a hot leveler, in Proceedings of the 4th International Conference on Modelling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking, STEELSIM, METEC InSteelCon 2011, Düsseldorf, Germany, 2011.
  [BibTex]

  @InProceedings{Baumgart11,
  author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and G. Raffin-Peyloz and B. Douanne and L. Irastorza and T. Kiefer},
  title = {Active compliance compensation of a hot leveler},
  booktitle = {Proceedings of the 4th International Conference on Modelling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking, STEELSIM, METEC InSteelCon 2011},
  year = {2011},
  month = {6},
  address = {D\"usseldorf, Germany},
  }

Anwendungsbereiche

• Walzwerksautomatisierung
• Umformmaschinen