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Regelungs- und Prozesstechnik

Regelungs- und Prozesstechnik
    Regelungs- und Prozesstechnik

    Regelungs- und Prozesstechnik

    Im Bereich Lehre und Forschung möchten wir eine Brücke zwischen Theorie und Praxis schlagen. Mathematische Methoden helfen uns reale technische Systeme untersuchen zu können. Diese werden als numerische Simulationen abgebildet und über Regelalgorithmen, wie beispielsweise Modellprädiktiver Regelung, beeinflusst. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen werden schließlich auf das reale System angewandt. Von hardware-naher Programmierung mittels C/C++ bis hin zu numerischen Simulationen mit MATLAB/Simulink oder Julia arbeiten wir mit unterschiedlicher Software um unsere Projekte umzusetzen. Unser Fokus liegt dabei vor allem in den folgenden Bereichen.

    Scheme of a plate with three heat sources
    Schematische Darstellung einer Platte mit Wärmequellen und Sensoren und dem dazugehörigen Temperaturverlauf.
    Quelle:
    Stephan Scholz

    Thermische Prozesstechnik

    Bei vielen technologischen Prozessen spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. Sei es die Klimatisierung von Gebäuden, die Kühlung von Motoren oder Hochleistungsrechnern, oder die optimale Erwärmung zur Herstellung von Kunststoffen - die korrekte Wärmezu- und abfuhr sind ausschlaggebend. In unserer Gruppe beschäftigen wir uns mit der Steuerung von Wärmeleitungsproblemen unter Einwirkung von mehreren Aktuatoren. Hierbei müssen die Regelalgorithmen nicht nur entscheiden, wie viel Wärme sie einbringen, sondern auch an welcher Stelle. Typische Anwendungsfelder sind industrielle Backprozesse beispielsweise in der Halbleiterindustrie.

    Scientific Machine Learning

    Moderne Verfahren des Maschinellen Lernens haben nicht nur bei IT-Diensten, wie Suchmaschinen und sozialen Netzwerken, wichtigen Einfluss. Zur Untersuchung komplexer Systeme beruhen auch viele wissenschaftliche Methoden auf daten-gestützter Modellierung. Diese komplexen Systeme sind häufig zu umfangreich um sie detailliert beschreiben zu können. Daher nutzen wir als Entwickler und Wissenschaftler so genannte Grey-Box-Modelle, die es uns ermöglichen bei nur teilweiser Kenntnis von Systemen unter Zuhilfenahme von großen Datensätzen das theoretische Modell dem echten anzunähern. Beispiele dafür sind Fahrdynamiken von Fahrzeugen, bei denen jedes Bauteil einen Einfluss auf die Fahrt hat, oder chemische Reaktionen, bei denen eine riesige Anzahl von Teilchen bzw. Reaktionspartnern zusammenwirken.

    Siehe auch: SciML

    Eingebettete Systeme

    Von Haushaltselektronik bis industriellen Steuerungen finden sich in fast jedem Lebensbereich mikroelektronische Schaltungen als eingebettete Systeme.  Diese dienen häufig zur Messung und Weiterverarbeitung von Daten, beispielsweise die Lichtsteuerung in Gebäuden. Da kommerzielle industrielle Steuerungen häufig weniger flexibel in ihrem Einsatzgebiet und meist auch kosten-intensiver sind als Einplatinencomputer, erproben wir deren Einsatzgebiet im kleinen industriellen Umfeld. Verfahrenstechnische, elektrische und mechanische Systeme dienen uns dabei als zu Grunde liegende Hardware, die mittels eingebetteten Systemen angesteuert wird.

    Projekte und Thesen

    Wir bieten Projekte und Abschlussarbeiten mit Bezug zu unseren Forschungsgebieten an: Thermische Prozesstechnik, Scientific Machine Learning und Eingebettete Systeme. Thematisch können interessierte Studierende wählen zwischen Softwareprojekten mit soliden theoretischen Grundlagen oder hardwarenaher Entwicklung für das Labor inklusive praktischer Experimente und deren Auswertung.

    Softwareentwicklung

    Wir entwickeln mathematische Modelle und Steuerungen für komplexe dynamische Systeme und implementieren diese in moderne Programmiersprachen wie Julia, MATLAB/Simulink oder C/C++. Projekte und Abschlussarbeiten in den folgenden Bereichen werden angeboten:

    Hardwarenahe Entwicklung

    Wir arbeiten an der Transformation von proprietärer Hard- und Software hin zu freien und offenen Lösungen wie beispielsweise Raspberry Pi oder Arduino. Die von uns angeboteten Projekte beinhalten alle Bereiche der Regelungs- und Systemtechnik wie

    • der Entwurf und Aufbau von Hardware
    • die Modellierung und Systemidentifikation von Anlagen und
    • die Implementierung von Regelungen und Benutzerschnittstellen.

    Dafür bieten wir die folgenden Experimente als grundlegende Hardware an:

    • elektrische und mechanische Oszillatoren
    • hydraulische Modelle (Wassertank, Krängungsregelung) und
    • inverse Pendel.
    Seminar

    Das Embedded Control Seminar soll den Studierenden ermöglichen in ein Thema der aktuellen Forschung und Entwicklung eintauchen und die Ergebnisse präsentieren zu können. Es werden Themen aus allen Bereichen der Regelungstechnik wie beispielsweise die Nichtlineare Regelung aber auch aus verwandten Gebieten wie der Mathematischen Optimierung, Numerischen Mathematik oder dem Maschinellen Lernen angeboten.

    Aktuelle Themen
    Mathematische Optimierung Grundlagen und Automatisches Differenzieren
    Robuste und nichtlineare Regelung H-unendlich-Regelung und Port-Hamiltonische Systeme
    Anwendungen des Kalman-Filters LQG-Regler und Ensemble, Extended und Unscented Kalman-Filter
    Data driven modeling and control Zeitreihen, ARMA-Modelle und Koopman Operator Theorie
    Scientific Machine Learning Numerisch-Symbolische Programmierung und Continuous Normalizing Flows

     

     

    Präsentation der Seminarthemen
    Tag Zeit Thema
    22.01.2021 11:30
    1. Optimization problems
    2. Automatic Differentiation
      16:00
    1. H-infinity - Optimizing robust performance and robust stabilization
    2. Ensemble Kalman filter - Monte Carlo approximation
    29.01.2021 11:30
    1. Extended and Unscented Kalman filters - Nonlinear observers
    2. Scientific Machine Learning - ModelingToolkit.jl
      16:00
    1. Noise driven systems - Wiener process
    2. Port-Hamiltonian Systems
    05.02.2021 11:30
    1. Data driven modeling - Time series, autoregressive, moving-average
    2. Data-Driven Control - Koopman Theory
      16:00
    1. Linear–quadratic–Gaussian control - Kalman filter as an observer
    2. Neural ODE - Continuous normalizing flows

     

    Lehre

    Wir bieten Lehrveranstaltungen im Bereich der Regelungstechnik und der Eingebetteten Systeme an.

    Liste der Lehrveranstaltungen

    Microcontroller Winter / Sommer Vorlesung und Praktikum Moodle course
    Regelungstechnik Winter / Sommer Vorlesung und Praktikum Moodle course
    Advanced Control Systems: Digital Control nur Sommer Vorlesung und Praktikum Moodle course
    Embedded Control nur Winter Seminar und Praktikum Moodle course
    Tutorium Regelungstechnik (optional) Winter / Sommer   Moodle course

     

    Regelungstechnik

    Diese Veranstaltung bietet eine Einführung in lineare dynamische Systeme im kontinuierlichen und diskreten Zeit- und Frequenzbereich. Behandelt werden die Modellierung gewöhnlicher Differentialgleichungen und Übertragungsfunktionen, und der Entwurf von Regelungen mittels heuristischen, algebraischen und graphischen Methoden.

    Inhalt

    1. Modellierung dynamischer Systeme im Zeit- und Frequenzbereich
      • Laplace-Transformation
      • Übertragungsfunktionen
      • Blockschaltbilder
         
    2. Analyse von offenen und geschlossenen linearen Regelungsstrecken
      • Proportionales, integrales und differentielles (PID) Verhalten
      • Bounded-input-bounded-output (BIBO) Stabilität
      • Bode- und Nyquist-Diagramme
         
    3. Regelungsentwurf mittels algebraischer, graphischer und heuristischer Methoden
      • Routh-Hurwitz-Kriterium
      • Nyquist-Kriterium
      • Entwurf von Wurzelortskurven
      • Die Methoden von Ziegler-Nichols und Naslin
         
    4. Digitale Regelungssysteme im Frequenzbereich
      • Z-Transformation
      • Zero-Order Hold
      • Bilineare Transformation (Tustin-Methode)
      • Jurys Stabilitätskriterium
      • Dead-beat-Regler

     

     

    Advanced Control Systems

    Moderne komplexe dynamische Systeme werden im Zeitbereich modelliert, simuliert und gesteuert wie in dieser Veranstaltung präsentiert wird. Insbesondere werden gängige Methoden im Zustandsraum zur Analyse und Steuerung linearer zeit-invarianter Systeme diskutiert. Darüber hinaus wird die Modellierung und Steuerung nichtlinearer Systeme eingeführt.

    Inhalt

    1. Modellierung dynamischer Systeme im Zustandsraum
      • Laplace-Transformation
      • Eigenwerte und Eigenvektoren
      • Stabilität von linearen zeit-invarianten Systemen
         
    2. Entwurf rückgekoppelter Systeme
      • Steuerbarkeit
      • Zustandsrückführung
      • Ackermanns Methode
      • MIMO Systeme mittels Eigenwertzerlegung
         
    3. Entwurf von Zustandsbeobachtern
      • Beobachtbarkeit
      • Zustandsbeobachter nach Luenberger
      • Separation von Regler und Beobachter
         
    4. Einführung in die Optimalsteuerung
      • Linear-Quadratische Regelung
         
    5. Nichtlineare Systeme und Methoden der Diskretisierung
      • Zero-Order Hold
      • Lyapunov Stabilität
      • Van-der-Pol Oszillator
         
    6. Einführung in nichtlineare Regelungssysteme
      • Sliding-Mode Regelung
      • Nichtlineare Modellprädiktive Regelung

     

    Downloads

    download MATLAB-Einführung
    download MATLAB-Einführung Skript
    MATLAB-Einführung Skript
    pdf (605 kB)
    download V1 Frequenzgang und Übergangsfunktion
    download V1 Frequenzgang und Übergangsfunktion Skript
    V1 Frequenzgang und Übergangsfunktion Skript
    pdf (238 kB)
    download V2 Drehzahl- und Winkellageregelung
    download V2 Drehzahl- und Winkellageregelung Skript
    V2 Drehzahl- und Winkellageregelung Skript
    pdf (629 kB)
    download V3 Wurzelortskurven
    download V3 Wurzelortskurven Skript
    V3 Wurzelortskurven Skript
    pdf (605 kB)
    download V4 Heizungsregelung
    download V4 Heizungsregelung Skript
    V4 Heizungsregelung Skript
    pdf (205 kB)

    Kontakt & Personen

    Allgemeine Kontaktinformationen

    Telefon
    Raum H240
    Besuchsadresse
    Gebäude H (Hauptgebäude)
    Doggenriedstraße
    88250 Weingarten
    Postadresse RWU Hochschule Ravensburg-Weingarten
    University of Applied Sciences
    Regelungs- und Prozesstechnik
    Postfach 30 22
    D 88216 Weingarten

    Laborteam

    Prof. Dr.-Ing. Lothar Berger

    Leiter des Labors Regelungs- und Prozesstechnik
    Schwerpunkte:
    Regelungstechnik, Prozesstechnik, Mathematische Methoden
    Lothar Berger

    Stephan Scholz M.Sc.

    Akademischer Mitarbeiter, Doktorand
    Schwerpunkte:
    Modellbildung, Numerische Simulation, Regelungstechnik
    Stephan Scholz

    Dipl.-Ing.(FH) Jürgen Sonntag

    Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Studiengänge Elektromobilität und Regenerative Energien, Elektrotechnik und Informationstechnik & Masterstudiengang Electrical Engineering
    Schwerpunkte:
    Regelungstechnik, Automatisierungstechnik