An approach for stability analysis of systems with varying sampling rate

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Stabilitätsprüfung hybrider Systeme beschrieben. Das entwickelte Verfahren lässt es zu, einen garantiert stabilen Bereich für die Variation der Abtastzeit anzugeben. Da veränderliche Abtastzeiten äquivalent zu variierenden Laufzeiten sind, wie sie beispielsweise durch Bussysteme verursacht werden, kann das Verfahren auch auf dezentrale hybride Regelungen angewendet werden, bei denen Sensoren und Aktoren über Bussysteme mit der Regelung gekoppelt sind. Die zur Herleitung des Verfahrens eingesetzten Methoden basieren auf dem Begriff der robusten Stabilität, die es ermöglicht, Stabilität für Systeme zu garantieren, die Unsicherheiten unterliegen. Daher wird die veränderliche Abtastzeit in einem ersten Schritt durch einen nichtlinearen Eingriff modelliert und anschließend in eine äquivalente Unsicherheit umgerechnet. Die Darstellung des mit Unsicherheiten behafteten Systems erfolgt als lineare Fraktionaltransformation. Anhand dieses Modells wird anschließend die Stabilität in Bezug auf eine Variation der Abtastzeit untersucht. Als Ergebnis des Verfahrens erhält man einen Bereich für die Abtastzeit, in dem Stabilität für das Gesamtsystem garantiert werden kann. Dabei ist es unerheblich, mit welcher Dynamik die Abtastzeit verändert wird. Anschließend werden die theoretischen Ergebnisse anhand eines realen Systems verifiziert. Dazu wurde im Rahmen eines Industrieprojektes ein Versuchsstand mit vier auf Winkelgleichlauf zu regelnden Gleichstromantrieben aufgebaut, eine Regelung entworfen und diese in eine speicherprogrammierbare Steuerung implementiert. Die Kommunikation der Regelung mit den Stellgliedern und der Messwerterfassung erfolgte über ein Bussystem. Nach der Modellierung des Gesamtsystems wird mit Hilfe des entwickelten Verfahrens der garantiert stabile Bereich für die Variationsbreite der Abtastzeit am Versuchsstand berechnet und die so bestimmten Stabilitätsgrenzen durch Messungen am Prüfstand verifiziert.In this thesis, a method is presented which allows the specification of stability margins for hybrid control systems composed of a sampled data feedback controller with varying sampling time and a continous linear system. The developed method provides lower und upper bounds for the sampling time and thus defining a range within guaranteed stability is ensured. The effect of varying sampling time and varying time delays of bus systems are equivalent. Therefore, the presented method can also be used for stability tests of decentralized controlled hybrid systems where the sensors and the actuators are linked to the controller by various bus systems. The derivation of the method is based on concepts of robust stability, which allows stability tests for systems with uncertainties. In a first step the varying sampling time is modeled by a non-linear operation. Afterwards, the non-linearity is converted into an uncertainty. Now the system can be represented as a linear fractional transformation. Based on this model the stability of the time varying system can be analyzed with respect to variations of sampling time. As a result this method specifies a range for the sampling time within which stability of the varying system can be guaranteed, regardless of the dynamics of the variation. Afterwards, the theoretical results are verified by measurements on a real system. A test bed was set up within the frame of an industrial project. The controllers were implemented in a programmable logic controller to ensure position synchronisation of four DC motors. All communications between the controller, actuators and sensors are established by bus systems. After modeling the overall system, the presented method is used to determine the stability margins of the test bed concerning the sampling time. Finally, the calculated bounds are verified by measurements

Modellbasierter Systementwurf zur Steuerung und Regelung quasi-statischer Mikroscannerspiegel mit elektrostatischem Kammantrieb

Aus einkristallinem Silizium gefertigte Mikroscanner werden zunehmend in Anwendungen zur Bildprojektion, Entfernungssensorik, Spektroskopie und gezielten Strahlführung von Lasern eingesetzt, denn sie ermöglichen die Miniaturisierung und Massenfertigung optischer Systeme. Durch die statische Strahlpositionierung und zum linearen Rasterscannen in einem breiten Frequenzbereich von Null bis mehrere hundert Hertz eröffnen sogenannte quasi-statische Mikroscanner im Vergleich zu bisherigen resonant schwingenden Mikroscannern ein deutlich breiteres und flexibleres Anwendungsspektrum. Jedoch wird die Bewegung aufgrund der extrem geringen Dämpfung des Systems mit Eigenschwingungen überlagert. Daher ist die Steuerung und Regelung eine notwendige Voraussetzung für die hochdynamische und präzise Strahlführung mit quasi-statischen Mikroscannern. In dieser Arbeit werden verschiedene Steuerungs- und Regelungskonzepte für quasi-statische Mikroscanner mit elektrostatischem Kammantrieb entworfen und auf einem Echtzeitsystem mit optischer Rückführung experimentell verifiziert. Das nichtlineare mechatronische Modell wird vollständig parametrisiert und geeignete Trajektorien mit Ruckbegrenzung werden hergeleitet. Schließlich werden die Regelung des Mikroscanners mit einem Mikrocontroller durch die im Chip integrierte piezoresistive Positi-nssensorik validiert und ein 2D-Rasterscan realisiert. Als Ergebnis werden Folgerungen für den Systementwurf von quasi-statischen Mikroscannern abgeleitet.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste ThesenMonocrystalline silicon microscanners are increasingly used in applications for image projection, distance sensors, spectroscopy and laser beam control, because they allow the miniaturization and mass production of optical systems. With static beam positioning and linear raster scanning abilities in a wide range of zero to several hundred hertz the so-called quasi-static microscanners offer a much broader and more flexible range of applications compared to common resonantly oscillating microscanners. However, the movement is superimposed with natural oscillations due to the extremely low system damping. Therefore, an open-loop and closed-loop control is necessary for highly dynamic and accurate beam control with quasi-static microscanners. In this thesis different concepts for open-loop and closed-loop control of quasi-static microscanners with electrostatic comb drives are designed and verified experimentally on a real-time system with optical feedback. The nonlinear mechatronic model becomes completely parameterized and suitable trajectories with jerk limitation are derived. The control of the microscanner on a microcontroller with feedback by the on-chip inte-rated piezoresistive position sensors is validated realizing a 2D raster scan. As a result, conclusions for the system design are derived for quasi-static microscanners.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste These

Modellbasierte Identifikation fraktionaler Systeme und ihre Anwendung auf die Lithium-Ionen-Zelle

In dieser Arbeit werden modellbasierte Verfahren zur Online-Identifikation physikalischer Alterungsparameter von Batteriezellen entworfen und auf die Lithium-Ionen-Zelle angewendet. Die neuartigen Methoden basieren auf fraktionalen Impedanzmodellen und agieren, im Unterschied zum State-of-the-Art, erstmals als late-lumping Verfahren. Zudem wird in diesem Beitrag die zeitvariante fraktionale Systemtheorie um eine Steuerbarkeitsanalyse und eine energieoptimale Steuerung erweitert

Prozessführung einesbiotechnologischen Prozesses amBeispiel der Fermentation desBakteriums Streptococcusthermophilus

Das Bakterium Streptococcus thermophilus ist ein wichtiger Bestandteil in der Milch verarbeitenden Industrie und wird dort beispielsweise als Starterkultur für die Herstellung von Joghurt und Käse verwendet. Die industrielle Herstellung dieses Bakteriums basiert dabei weitestgehend auf herkömmlichen Produktionsverfahren. Diese Herstellungsprozesse sind jedoch mittelfristig nicht mehr in der Lage, wirtschaftlich zu arbeiten und die gestiegenen Anforderungen an Qualität und Ausbeute zu erfüllen. Aus diesem Grund gewinnt der Einsatz innovativer Prozessführungskonzepte auch in der Lebensmittelindustrie mehr und mehr an Bedeutung. Diese Konzepte müssen gewährleisten, dass in jeder Fermentation eine gleichbleibend hohe Produktqualität und Produktausbeute realisiert werden kann. Die besten Prozessführungskonzepte führen jedoch nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis, solange keinerlei Informationen über die internen Prozessvorgänge in Echtzeit vorliegen. Die bisher verfügbaren Hardwaresensoren sind nicht in der Lage, die wichtigsten Prozessgrößen, beispielsweise die Keimzahl, das Substrat Laktose und das Produkt Laktat online zu bestimmen. Um diesen Unzulänglichkeiten zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit der Einsatz von Softwaresensoren untersucht. Als effektivstes Werkzeug hat sich dabei die Methode der Künstlichen Neuronalen Netze herausgestellt. Diese sind in der Lage, die qualitative Entwicklung der gesuchten Zustandsgrößen sehr gut wiederzugeben, wobei online nur die Messgrößen für den pH-Wert und die Leitfähigkeit zur Verfügung stehen. Die mit Hilfe der Softwaresensoren geschätzten Zustandsgrößen dienen als Grundlage für den Einsatz einer Substratregelung. Dabei soll die Konzentration des Substrats über einen vordefinierten Zeitraum hinweg auf einem konstanten Niveau gehalten werden, um eine höhere Qualität des Endprodukts zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen wird ein modellprädiktiver Regler eingesetzt, der auf einem mathematischen Prozessmodell basiert. DieseMethode überzeugt beim Einsatz im realen Prozess und führt zu einem sehr guten Regelergebnis

Ein Beitrag zur videobasierten Verkehrszustandsidentifikation: Automatische Stauerkennung anhand von Live-Kamera-Bildern des Straßenverkehrs

The presented work wants to contribute a new solution based on the analysis of stochastic signals. On the basis of the Dresden Live-Camera-System which is providing real-time information about the traffic state on 31 focal points (March 2005) one is able to use a wide range of image types under different and severe conditions. The method is based on the analysis of stochastic signals derived from the live-camra images. These signals are analyzed with cross-correlation, amplitude- and frequency filters. The resulting data enable the distinction of stable and non-stable traffic flow and the automated identification of traffic congestion. Moreover fundamental diagrams are calculated.Die vorgelegte Arbeit beinhaltet ein neuartiges Verfahren zur automatischen Ermittlung des Verkehrszustandes aus Live-Kamera-Bildern. Die Datengrundlage dafür liefert das im Rahmen des BMBF-Leitprojektes intermobil Region Dresden geschaffenen Live-Kamerasystem mit 31 Standorten (Stand März 2005). Das entwickelte Verfahren basiert auf der Analyse stochastischer Signale, die aus den Kamerabildern ermittelt werden. Die methodischen Grundlagen des Verfahrens sind Korrelationsanalyse sowie Amplituden- und Frequenzfilterung. Die Rahmenbedingungen für den praktischen Einsatz sind durch die Variabilität von Auflösung und Blickwinkel an den unterschiedlichen Kamerastandorten geprägt. Die ermittelten Messwerte ermöglichen eine Unterscheidung der Verkehrszustände "flüssiger Verkehr", "zähflüssiger Verkehr" und "Stop&Go" und werden am Fundamentaldiagramm interpretiert

Kursbuch Neueste und Technikgeschichte : Studienorganisation und Hilfsmittel

Das Kursbuch Neueste und Technikgeschichte bietet Studierenden eine erste Orientierungshilfe für ihr Studium und eine Anleitung für das Erstellen wissenschaftlicher Texte der Fachdisziplin. Unter einer Fülle von Arbeitshilfen und Textbeispielen lernt der Studierende, wichtige von weniger wichtigen Methoden zu trennen und sich für die richtige Strategie zu entscheiden. Dieser Einblick in die Schreibwerkstatt eines Historikers schlägt einen pragmatischen Brückenschlag zwischen den Anforderungen an das Studium der Neuesten und Zeitgeschichte und der historischen Fachkommunikation

Kursbuch Neueste und Technikgeschichte

Das Kursbuch Neueste und Technikgeschichte bietet Studierenden eine erste Orientierungshilfe für ihr Studium und eine Anleitung für das Erstellen wissenschaftlicher Texte der Fachdisziplin. Unter einer Fülle von Arbeitshilfen und Textbeispielen lernt der Studierende, wichtige von weniger wichtigen Methoden zu trennen und sich für die richtige Strategie zu entscheiden. Dieser Einblick in die Schreibwerkstatt eines Historikers schlagt einen pragmatischen Brückenschlag zwischen den Anforderungen an das Studium der Neuesten und Zeitgeschichte und der historischen Fachkommunikation

Regelung redundant aktuierter Steer-by-Wire Systeme

Die Fahrzeuglenkung stellt eine der wichtigsten Schnittstellen zwischen dem Fahrer und der Fahrzeugdynamik dar. Dabei kann mit dieser nicht nur der Kurs des Fahrzeugs eingestellt werden, sondern auch gezielt Rückmeldungen an den Fahrer gegeben werden, in welchem querdynamischen Zustand sich das Fahrzeug aktuell befindet. Die Evolution der Lenkung von der rein mechanischen Lenkung, über die hydraulisch unterstützte Lenkung, zur elektromechanischen Lenkung, ermöglicht schon heute den Einsatz von Fahrerassistenzsystemen, die direkt die Fahrzeugquerdynamik beeinflussen. Jedoch kommen diese Systeme an ihre Grenzen, da nach wie vor die Lenkung durch ihre Mechanik, bezüglich der Eingriffsmöglichkeiten von Fahrerassistenzsystemen, limitiert ist. Einen Ausweg aus diesem Problem bieten Steer-by-Wire (SbW) Systeme, die eine mechanische Entkopplung des Menschen von der Fahrzeugquerdynamik ermöglichen. Jedoch müssen sich diese SbW-Systeme, wenn kein Eingriff eines Fahrerassistenzsystems erfolgt, genau so komfortabel wie eine heutige elektrische Servolenkung (EPS) anfühlen und zudem auch bei einem Systemfehler weiterhin die Lenkung des Fahrzeugs zulassen. In dieser Arbeit wird daher eine neuartige Regelung für redundant aktuierte SbW-Systeme vorgestellt, die zum einen ermöglicht, dass ein SbW-System sich genau so anfühlt wie ein EPS-System und zum anderen die Redundanz dazu genutzt wird, einen Fail-Operational Betrieb des Systems sicherzustellen. Der Ausgangspunkt der Arbeit ist die Modellbildung des redundant aktuierten Lenksystems und seiner Umgebung. Im Rahmen dieser Modellbildung wird ein Modell des Gesamtsystems Fahrer-Lenkung-Fahrzeugquerdynamik hergeleitet. Anschließend erfolgt eine Systemanalyse, in der die dynamischen Eigenschaften des Systems und der Umgebungsmodelle, wie Passivität, Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit, herausgearbeitet werden. Danach wird ein reduziertes Zustandsraum-Modell, das für den Reglerentwurf geeignet ist, hergeleitet. Im Rahmen des Reglerentwurfs werden zunächst unterschiedliche Regelungskonzepte für SbW-Systeme vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Auf dem Zustandsraummodell aufbauend werden zwei Regler zur Regelung des SbW-Systems entworfen. Dabei zeichnet sich der Verkopplungsregler durch einen geringen Implementierungsaufwand und weniger Messgrößen aus, während die entworfene robuste Regelung eine Reglerkonfiguration bereitstellt, die ein besseres Lenkgefühl unter dem Einfluss typischer nichtlinearer mechanischer Phänomene, wie Reibung und Lose, gegenüber dem Verkopplungsregler ermöglicht. Abschließend werden die entworfenen Regler in der Simulation verifiziert und ihre Eigenschaften bezüglich des Lenkgefühls herausgearbeitet, sowie deren Robustheit bei Aktorausfällen und Störungen untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass das robuste Regelungskonzept ein Fail-Operational Verhalten der Lenkung sichert. Im Anhang werden zudem Messungen von einemPrüfstand präsentiert, welche die Praxistauglichkeit der entwickelten robusten Regelung zeigen

Automatisierte Baumaschinen und Robotik

Die Bauwirtschaft sieht sich gegenwärtig und wohl auch in naher Zukunft mit einer großen Nachfrage nach Baumaßnahmen zur Schaffung von Wohnungen und Infrastruktur konfrontiert. Diesem Bedarf stehen ein nicht zu übersehender Mangel an Fachkräften und zunehmende Regularien und Qualitätserwartungen während des gesamten Bauprozesses gegenüber. Verglichen mit anderen Wirtschaftsbereichen hat die Baubranche zudem erheblichen Nachholbedarf im Hinblick auf ihre Produktivitätsentwicklung. So zeigen dahingehend nahezu alle Industrie- und Dienstleistungsbereiche einen mehr oder weniger kontinuierlich ansteigenden Trend, wohingegen die Produktivität in der Bauwirtschaft seit Jahrzehnten stagniert. Um diesen Anforderungen erfolgreich begegnen zu können, bieten die aktuell in allen Bereichen diskutierten Digitalisierungsansätze auch bei Baumaßnahmen und Baumaschinen nicht unerhebliches Potenzial. Dennoch gibt es bisher nur eine vergleichsweise geringe Durchdringung des Marktes mit industriell tauglichen Digitalisierungslösungen in der Bauwirtschaft. Vor diesem Hintergrund entstand das vorliegende Gutachten zum Thema „Automatisierte Baumaschinen und Robotik“, welches im Wesentlichen auf die Möglichkeiten und Grenzen der Automatisierung etablierter Baumaschinen durch die Integration verfügbarer Technologien zielt. Darüber hinaus werden neuartige und für den Einsatz in der Bauwirtschaft speziell konzipierte Technologien und Maschinen betrachtet. Dabei gewährt das Gutachten einen freien Blick auf den aktuellen Stand angewandter Technologien, Prozesse und Maschinen, zeigt weiterführend erkennbare Entwicklungstrends auf und klassifiziert Potenziale zur Effizienz-, Qualitäts- und Produktivitätssteigerung