In der mathematischen Optimierung wird eine Gütefunktion unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen und Beschränkungen minimiert. Im Forschungsfeld Optimale Systeme werden solche optimierungsbasierte Methoden zur Lösung verschiedenster regelungstechnischer Aufgabenstellungen theoretisch entwickelt und praktisch angewandt. Es treten dabei statische, dynamische und kombinatorische Optimierungsprobleme auf. Typische Forschungsthemen sind Zustands- und Parameterschätzung, Modellidentifikation, Trajektorienplanung, modellprädiktive Regelung, Minimierung des Ressourceneinsatzes, Durchsatzmaximierung, Reihenfolgenoptimierung und Produktionsprogrammplanung.