Analyse der Netzrückwirkungen und Eingangsfilter gepulster leistungselektronischer Umrichter

Die vorliegende Arbeit behandelt die Bauvolumina von Eingangsfiltern für leistungselektronische Umrichter, da diese neben dem Kühlerbauvolumen ein wesentlicher Faktor für das Gesamtbauvolumen sind.Die Untersuchung wird für kleine Ausgangsleistungen (3 kVA) durchgeführt, da dieser Leistungsbereich das größte Marktsegment einnimmt.Aufgrund neuartiger Halbleitermaterialien werden zukünftig höhere Pulsfrequenzen bei gleichzeitig kleiner Verlustleistung möglich sein. Es ist allgemein bekannt, dass die Eingangsfilterbaugröße durch die gewählte Pulsfrequenz beeinflusst wird, weshalb ein Untersuchungspunkt dieser Arbeit darin besteht, Aussagen über die Eingangsfilterbauvolumina unter Variation der Pulsfrequenz abzuleiten. Neben der Variation der Pulsfrequenz besteht die Möglichkeit, andere Umrichtertopologien als den am Markt etablierten Spannungszwischenkreisumrichter zu verwenden. Aufgrund des nicht vorhandenen Zwischenkreiskondensators ist der Matrixumrichter prinzipiell vollständig in Silizium integrierbar und wird daher ebenfalls hinsichtlich der Eingangsfilterbauvolumina untersucht.Die Hauptzielsetzung der Arbeit liegt daher in einer vergleichenden Betrachtung der Eingangsfilterbauvolumina beider Umrichter unter Variation der Pulsfrequenz sowie der Filterordnung.Die Untersuchung erfolgt auf einer einheitlichen Vergleichsbasis, weshalb ein Filterauslegungsalgorithmus, der sowohl für spannungseinprägende Stromrichter, zu denen der Spannungszwischenkreisumrichter zählt, als auch für stromeinprägende Stromrichter, zu denen der Matrixumrichter zählt, herangezogen wird. Der vorgenannte Filterauslegungsalgorithmus berücksichtigt auch die parasitären Serienwiderstände der Filterbauelemente.Die Filterauslegung erfolgt für Pseudospektren, welche die maximalen Schwingungsamplituden der realen Spektren aller Betriebspunkte enthalten. Die realen Spektren werden mathematisch durch Doppelfourierreihen eindeutig beschrieben. Um auch bei der Ermittlung der Netzrückwirkungen eine einheitliche Vergleichsbasis sicherzustellen, werden allgemeine Modulationsvorschriften angewandt, aus denen sich die Schaltpulse beider Umrichter ableiten lassen. Abschließend werden die Eingangsfilterbauvolumina basierend auf Bauvolumenkennlinien realer Bauelemente für beide Umrichter berechnet und vergleichend diskutiert

Application of Neural Networks in Adaptive Flight Control Systems

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Einbindung künstlicher neuronaler Netzwerke in adaptive Regelungssysteme dar. Neben den Grundlagen zur Abbildung dynamischer Prozesse mit neuronalen Netzen wird eine strukturierte Methodik des Netzwerkentwurfes dargestellt, die eine statistische Bewertung des Lernerfolges ermöglicht. Darüber hinaus wird eine Klasse regelungstechnisch motivierter Lernverfahren vorgestellt, welche neuronale Netze als dynamische Systeme aufgefasst, womit das Lernen innerhalb eines Netzwerkes als geregelter Prozess betrachtet werden kann. Dies erlaubt die Anwendung der Gleitzustandsregelung auf neuronale Lernverfahren, welche so um eine intrinsische Stabilitätsbedingung erweitert werden können. Durch die dynamische Bestimmung der Lernraten vermag dieser Lernansatz die Zustände eines neuronalen Netzes in den global asymptotisch stabilen Gleitzustand zu überführen. Die praktische Bedeutung dieses Lernverfahrens wird am Beispiel zweier Regelungsstrategien dargestellt: Der modellfreien neuronalen Regelung und der neuronal gestützten dynamischen Inversion. Die Ergebnisse beider Regelungsverfahren unterstreichen die robusten Eigenschaften neuronaler Netze zur Abbildung komplexer dynamischer Prozesse. Es zeigen sich besondere Vorteile bei der Kombination von dynamischer Inversion und neuronalen Netzwerken, die mit dem Gleitzustandslernverfahren trainiert werden. Dies liegt darin begründet, dass die Überführung der Zustandsgrößen des Netzes in den Gleitzustand eine stabilisierende Wirkung auf die Fehlerdynamik des Regelkreises besitzt. Am Beispiel eines beschädigten unbemannten Flugzeuges zeigt sich, dass dieses Verfahren wegen seiner dynamischen Bestimmung der Lernrate eine höhere Konvergenzgeschwindigkeit als vergleichbare etablierte Ansätze aufweist. Die Ergebnisse unterstreichen die Vorzüge der Kombination von klassischer Regelungstechnik und Maschinenlernverfahren bei der Auslegung komplexer Regelungssysteme.The present work makes a contribution to the integration of artificial neural networks into adaptive control systems. Besides the basic principles of mapping dynamic processes using neural networks, a structured methodology for the network design is illustrated, which allows a statistical evaluation of the learning success. In addition, to allow for an improved transparency of neural networks used in control systems a paradigm change regarding their learning methods is undertaken. This means that a neural network is treated as a dynamic system whereby the learning within such a network becomes a controlled process. Therefore, the application of sliding mode control to learning techniques of neural networks is possible, which thereby can be augmented with an intrinsic stability condition. Through the dynamic calculation of the learning rate this approach is able to constrain the network’s states into the globally asymptotically stable sliding mode. The practical relevance of this learning method is illustrated utilising two control strategies: the indirect adaptive neuro-control and the nonlinear dynamic inversion. The results of both control methods underline the robust capabilities of neural networks to map complex dynamic processes. Furthermore, particular advantages arise from the combination of dynamic inversion and neural networks trained with the sliding mode learning method. This is the case because constraining the network’s states to the sliding mode offers an enhanced stabilising effect upon the error dynamics of the closed-loop control system. Using the example of a damaged unmanned aircraft under perturbation it is shown, that the sliding mode learning technique due to the dynamic calculation of the learning rate offers a higher speed of convergence than comparable established methods. The results emphasise the advantages of the combination of control theory and machine learning techniques for the design of complex control systems

Elektrostatische Wechselwirkungen in komplexen Flüssigkeiten und ihre Beschreibung mit Molekulardynamiksimulationen

Wasser ist eine hochpolare Flüssigkeit. Ihre ungewöhnlichen elektrostatischen Eigenschaften haben das organische Leben, das sich dort entwickelt hat, geprägt. Daher bestimmen beispielsweise die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der wässrigen Zellflüssigkeit und den darin gelösten Proteinen, den molekularen Funktionsträgern der Biologie, sowohl die Struktur als auch die Dynamik dieser Makromoleküle. Mikroskopische Simulationsbeschreibungen der in Protein-Lösungsmittel Systemen ablaufenden Prozesse müssen deshalb jene Probleme lösen, welche durch den sehr langsamen 1/r Abfall der Coulomb Wechselwirkung und die endliche Größe von Simulationsmodellen aufgeworfen werden. Die vorliegende Arbeit fasst eine Reihe von Publikationen zusammen, in denen zunächst mit dem sog. SAMM/RF Algorithmus eine genaue und recheneffiziente Lösung für die angesprochenen methodischen Probleme vorgeschlagen und verifiziert wird [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella, P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Bei molekularmechanischen (MM) Molekulardynamik (MD) Simulationen ermöglicht dieser Algorithmus die Beschreibung sehr großer Systeme mit mehr als 10^5 Atomen auf einer Nanosekunden-Zeitskala. Für flüssiges Wasser konnten damit winkelaufgelöste Korrelationsfunktionen, die von mir vorgeschlagen wurden, auch bei großen Abständen statistisch genau berechnet werden [G. Mathias, P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 4393-4403 (2004)]. Damit ließ sich die dipolare Struktur der Solvatschalen um ein gegebenes Wassermolekül analysieren. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass sich Wasser ab Distanzen von etwa 15 A° wie ein homogenes Dielektrikum verhält. Die SAMM/RF Methode wurde ferner zur Beschreibung der langreichweitigen Elektrostatik bei Hybridrechnungen eingesetzt, welche Dichtefunktional Methoden mit MM Kraftfeldern kombinieren, um so Schwingungsspektren biologischer Chromophore in polaren und in komplexen Lösungsmitteln quantitativ genau berechnen zu können. An den Beispielen des Retinalchromophors im Meta-III Zustand des Rhodopsins [R. Vogel, F. Siebert, G. Mathias, P. Tavan, G. Fan, M. Sheves, Biochemistry 42, 9863-9874 (2003)], der Chinone im bakteriellen Reaktionszentrum [M. Nonella, G. Mathias, M. Eichinger, P. Tavan, J. Phys. Chem. B 107, 316-322 (2003)] und eines Chinonmoleküls in wässriger Lösung [M. Nonella, G. Mathias, P. Tavan, J. Phys. Chem. A 107, 8638-8647 (2003)] wird gezeigt, wie elektrostatische Wechselwirkungen eines Moleküls mit seiner Lösungsmittelumgebung seine Schwingungsspektren modifizieren

Jahresbericht 2015 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7714)

Im Jahresbericht 2015 des Instituts für Angewandte Informatik (IAI) werden, nach einem kurzen Überblick über die Arbeiten, die Forschungsergebnisse dieses Jahres vorgestellt. Die Einordnung erfolgt entsprechend der Zuordnung der Vorhaben zu den Helmholtz-Programmen des Großforschungsbereichs des KIT. Es schließt sich ein Verzeichnis der im Berichtszeitraum erschienenen Publikationen an

Rechnen mit verschlüsselten Programmen und Daten

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Realisierung eines optimierten Feldbussystems und Modellierung mit Petrinetzen

Eine unüberschaubare Anzahl von Feldbussystemen wird derzeit in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzt und drängt verstärkt in neue Anwendungsfelder wie Gebäude- und Fahrzeugautomatisierung. Haupthindernis für eine schnelle Verbreitung sind hohe Kosten, die aus der Komplexität und Vielfalt der Systeme entstehen. Die Arbeit stellt methodische Grundlagen der strukturierten Systementwicklung vor und führt in die Nutzung von Petrinetzen als Beschreibungsmittel ein. Neben der Softwaremodellierung wird dabei der Zusammenhang zwischen struktureller- und Verhaltensmodellierung dargestellt. Nach Betrachtung der Übertragungstechniken im Feldbereich werden Zugriffsstrategien mit Petrinetzen modelliert und marktübliche Systeme verglichen. Eine Definition von Zielen und Anforderungen zeigt anschließend den Weg zu einem optimierten Feldbussystem auf. Zu diesem Zweck wird ein System entworfen, welches jedem Interessenten ein einfaches aber effektives und universelles System großer räumlicher Ausdehnung unter Nutzung preiswerter, robuster Bauteile und Übertragungsmedien bereit stellt. Die Softwarestrukturen werden mit Hilfe von Petrinetzen modelliert und insbesondere die Möglichkeiten der Nutzung eines Petrinetztools zur Dokumentation sowie einer zukünftigen direkten Codegenerierung für ressourcenoptimierte Mikrocontrollersysteme aufgezeigt. Abschließend wird eine Validation anhand der Realisierung des optimierten Feldbussystems mit Messungen am realen System durchgeführt.An immense number of field bus systems is currently used in industrial automation and is expanding more and more into new application fields as facility management and vehicle automation. Main obstacle for a fast spreading are high costs, which result from the complexity and variety of the systems. The thesis describes methodical foundation of the structured system development and introduces to the use of Petrinets as description technique. Apart from the software modelling also the interrelation between structural and behavioural modelling is presented. After a closer examination of the transmission techniques within the field range, medium access strategies are modelled with Petrinets and usual market systems are compared. A definition of goals and requirements shows afterwards the way to an optimised field bus system. For this purpose a system is designed, which makes available a simple however effective and universal system of large spatial expansion to each prospective under use of inexpensive, durable components and transmitting media. The software structures are modelled with Petrinets. In particular the possibilities of the use of a Petrinet tool for the documentation as well as a future direct generation of program code for resource optimised microcontroller systems are presented. Finally the realisation of the optimised field bus system is validated with measurements of the material system

Plug and Produce für modulare verfahrenstechnische Anlagen

Sales market in process industry, especially for chemical, pharmaceutical and food industry, is becoming more and more volatile. Furthermore, the global availability of alternative products shortens the product life cycle. At the same time, the requested volumes depend on strong regional and temporal fluctuations, which are increasingly difficult to predict. To be able to bring product innovations successfully to market, rapid series-production readiness of the prototype is needed. However, the competition after successful approval is increasingly getting tougher. As soon as the product has been accepted by the market, the time necessary to reach sufficient product quantities with required product quality is essential for its profitability. By the end of the product life cycle, the production should be close to the largest remaining sales markets, which means that the production can be shifted accordingly. Classical production processes in process industry do not fulfil these requirements jet. Conti-systems are optimized for a certain production quantity per unit of time, which should not be changed for years, if possible. The higher flexibility of conventional batch plants is associated with unproductive times, for example during conversion. However, modularization of process plants with flexible combinatory design would allow faster turnover times and higher productivity. Individual modules realize standardized production steps and can be combined according to the requested product. Changes to the product are achieved by the exchange of modules, the production quantity can be increased by adding more of the same modules. The integration of a module into an upper classic process control system is laborious using the information models and tools available today. Various aspects of automation, such as human machine interfaces, statuses of sequences or interlocks must be added manually for the visualization and guidance of the module in an upper process control system. However, today's control systems are not prepared to provide the required flexibility of a system based on different modules. This drawback requires a modular plug-and-production methodology. Therefore, an outright modeling of information, beginning with modular and function-oriented integrated engineering is needed. On the one hand, this work considers with a selection of integration aspects, a detailed modeling of this aspects in an information carrier and the integration into the process control level. On the other hand, the concrete selection of one or more descriptive formats is analyzed. For this purpose, a uniform integration architecture and an integration process is described, this allows integration into an upper process control system level. This analysis shows that, with the available descriptive formats, a mapping of the individual integration aspects into an information carrier is possible. It is important to distinguish whether a separate mapping is chosen for each aspect, as chosen by GrapML in the second practical implementation, or whether a uniform format is used for the entire information carrier. The evaluation of the description formats suggests for the use in the information carrier AutomationML. The practical implementation and investigation with AutomationML are already in the scope of the Namur MTP developments and couldn’t therefore investigated deeply in this work. For the most important aspects, the human machine interface as well as the process management, detailed information modeling is available and was checked during implementation. Two different possibilities were presented and discussed for the selection of description formats. To allow flexible extensibility, it is advantageous to choose a description means in which the integration aspects are described separately from each other, independently of the specifically chosen format. A uniform interface within automation systems is required for the needs of the so-called industry 4.0 for the networking and consistency of all components involved throughout the entire life cycle. This work provides the first building blocks of this approach and enables application in process industry but also manufacturing industry

Geschlecht und Medien: Räume, Deutungen, Repräsentationen

Mediale Darstellungen von Geschlecht und Sexualität sind eingebettet in Machträume und gesellschaftliche Ordnungen. Dieses Buch gibt Einblicke in kritische Analysen gegenwärtiger Mediennutzungs- und Deutungspraktiken. Außerdem setzt es sich mit der übergeordneten Frage auseinander, wie feministische und geschlechtertheoretische Zugänge für eine machtanalytische Weiterentwicklung der Medienforschung fruchtbar gemacht werden können

Dreidimensionale virtuelle Organismen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen