Annual Report 1999 / Department for Computer Science

Selbstdarstellung des Instituts für Informatik der BTU Cottbus und Berichte der Lehrstühle für das Jahr 1999.Presentation of the Department for Computer Science of the BTU Cottbus and reports of the chairs at the department for the year 1999

Systemidentifikation und Reglersynthese für örtlich verteilte Prozesse durch adaptive Takagi-Sugeno Fuzzy Systeme am Beispiel des Raumklimaverhaltens

Eine wichtige Aufgabe der „präventiven Konservierung“ ist die Stabilisierung des Raumklimas, insbesondere der relativen Luftfeuchte. Die betreffenden Raumklimagrößen unterliegen dabei einer signifikanten örtlichen Verteilung, die im Rahmen der Raumklimaregelung berücksichtigt werden muss. Durch Nutzung von Sensornetzwerken und Verwendung mobiler Aktuatoren kann das Raumklima als örtlich verteilter Prozess betrachtet werden. Bei den resultierenden Modellgleichungen handelt es sich um nichtlineare partielle Differentialgleichungssysteme, welche im Allgemeinen numerisch iterativ gelöst werden müssen, was mit erheblichem Rechen- und Zeitaufwand verbunden ist. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein zweistufiger Ansatz zur Modellreduktion für örtlich verteilte nichtlineare Prozesse vorgestellt. Zunächst wird mit Hilfe von Finiten-Differenzen Methoden eine örtliche Diskretisierung durchgeführt. Anschließend wird die Theorie der Takagi-Sugeno Fuzzy Systeme auf die nichtlinearen Gleichungssysteme übertragen. Das Verfahren wird zunächst theoretisch eingeführt und im Anschluss auf das Raumklimaverhalten übertragen.One of the most important and challenging goals of preventive conservation is the protecting of cultural assets from unfavorable climate conditions during storage and exhibition. The longevity of these assets is best ensured by keeping the relative humidity within a suitable range. Modern approaches for modelling and controlling view indoor air conditions as lumped parameter systems, an assumption which has led to unsatisfying results for preventive conservation purposes. A long run of indoor climate measurements thus carried out for the current research, yielded the insight that some important physical values, especially relative humidity, are significantly influenced by spatial distribution. This insight led to the focus in this thesis on modelling and control of nonlinear distributed parameter systems. Since the calculation of spatial distributed systems is imperative for the preservation of cultural assets, it is advantageous to be able to accomplish these calculations quickly. A common approach to such calculations has been to first formulate a general flow problem and then solve it with Computation Fluid Dynamics (CFD). However, because a flow problem is described by a set of nonlinear partial differential equations, only numerical solutions can usually be found, e.g. in CFD. This is desirable in the sense that these numerical solutions are very detailed, but they are not widely used for controller synthesis because the process of arriving at them is very time consuming and complicated.For this reason, a reduced approach capable of simplifying controller design without neglecting the spatial distribution is developed in this thesis. First of all, a spatial discretization is performed via finite-difference methods. The set of partial differential equations is thus reduced to a set of ordinary differential equations. Subsequently, the derived nonlinear equations are approximated by a Takagi-Sugeno Fuzzy approach. In contrast to lumped parameter systems, there is a need for model reduction in distributed parameter systems, where the number of subsystems would otherwise increase exponentially. As shown in the following, this model reduction is accomplished through introducing the Hadamard-Product. Methods for controller design are then given, as well as system identification approaches. For the examined case of controlling indoor air conditions, system identification methods proved mandatory, since there is no way of deriving model parameters in real world applications. After these theoretical approaches are elucidated, they are applied to the indoor air conditions and compared to the afore-mentioned currently used methods. It is thus demonstrated that spatial distributed systems are far more beneficial for preventive conservation and can be simplified while improving accuracy for the purpose of controlling indoor climate conditions and related applications.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellbildung und Regelung nichtlinearer örtlich verteilter Prozesse. Als beispielhafte Anwendung wird die Regelung des Raumklimas im Rahmen der Präventiven Konservierung betrachtet. Die Präventive Konservierung umfasst dabei vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Kulturgütern. Eine wichtige Aufgabe ist hierbei die Stabilisierung des Raumklimas, insbesondere der relativen Luftfeuchtigkeit, in einem stationär akzeptablen Bereich. Zudem sind die kurzfristigen Schwankungen der Klimagrößen auf ein Minimum zu reduzieren. Die Betrachtung des Raumklimaverhaltens als konzentriert-parametrisches System reicht dabei zur Erfüllung der Anforderungen der Präventiven Konservierung nicht aus. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Ansatz zur örtlich verteilten Betrachtung der Klimagrößen entwickelt, der sowohl die Modellbildung als auch die Regelung umfasst. Das Verhalten des Raumklimas bildet dabei ein strömungstechnisches Problem der Fluiddynamik. Dieses lässt sich durch ein System nichtlinearer partieller Differentialgleichungen beschreiben. Die Lösung solcher Strömungsprobleme erfolgt üblicherweise über numerische Methoden, wie den bekannten CFD-Simulationen. Nachteilig wirkt sich dabei der hohe rechentechnische Aufwand aus, was CFD-Simulationen zur Synthese von Reglern ungeeignet macht. Durch örtliche Diskretisierung mit Hilfe von Finite-Differenzen Methoden werden die partiellen Differentialgleichungen durch ördinäre Differentialgleichungen approximiert. Anschließend wird das hierdurch entstandene nichtlineare dynamische Gleichungssystem durch Methoden der Takagi-Sugeno Fuzzy Theorie beschrieben. Hierbei tritt für den Fall örtlich verteilter Systeme die Notwendigkeit der Modellreduktion auf, welche durch die Einführung des sogenannten Hadamard-Produktes gelöst wird. In dieser Arbeit werden sowohl Methoden zur Reglersynthese als auch Methoden zur datengetriebenen Modellbildung behandelt. Die datengetriebene Modellbildung ist dabei für eine Anwendung des Ansatzes im Rahmen einer Raumklimaregelung notwendig, da ein analytischer Ansatz für diesen Fall nicht praktikabel umsetzbar ist. Die entwickelten Ansätze werden zunächst theoretisch hergeleitet und an einem eindimensionalen Fallbeispiel verifiziert. Anschließend werden sie auf das Raumklimaverhalten übertragen. Es werden Ergebnisse zur datengetriebenen Modellbildung sowie zur Regelung des Raumklimas anhand von Untersuchungen eines kulturell genutzten Raumes gezeigt und mit gängigen Methoden zur Regelung des Raumklimas verglichen. Die Ergebnisse zeigen dabei, dass die örtlich verteilte Betrachtung deutliche Vorteile bringt

Beiträge zur Automatisierung der frühen Entwurfsphasen verteilter Systeme

With the rapid increasing speed of electronic devices systems with highercomplexity, interconnectedness and heterogeneity can be developed. The developmentof such systems can only be done by teams of specialists. Atthe same time the development needs to happen in parallel to ensure anearly time to market. Therefore in the traditional design process the designis described in form of a written specification of the common system andpartitioned to several teams. This takes place in early design stages at highproduct uncertainty. Sub system development assumptions and decisions aremade without being able to evaluate the effect on the common system. Thusmany critical errors, especially those, caused by coupling effects, are discoveredduring system integration at the end of the design process. Furthermorean optimization of the common system is not possible, because of the lack ofa common system model. Hence the traditional design process is a high riskdevelopment process. In the Mission Level Design approach, an executable specification of thecommon system instead of a written specification is developed after conceptdevelopment. These is validated and optimized against the requirements ofthe common system. The such validated specification of the coupled systemis then passed on to specialist teams for sub system development. The subsystems are then integrated. In this manner integration problems can besolved in the early design stages. Development time and risk can be reducedsignificantly. To increase the specification quality and speed while developing common systemmodels, in the present work, standardized methods for specification andperformance evaluation of distributed systems and methods for automatedmapping of function into architecture are developed. This allows architectureoptimization of the common system in the early design stages. In addition,methods for transformation of the abstract design into implementations aredeveloped.Mit der rapide steigenden Geschwindigkeit elektronischer Bauelemente könnenSysteme mit erhöhter Komplexität, Vernetzung und Heterogenität entwickeltwerden. Dies hat zur Folge, dass eine Entwicklung nur durch Teamsvon Spezialisten durchführbar ist. Gleichzeitig muss die Entwicklung parallelerfolgen, um eine möglichst frühzeitige Produkteinführung zu ermöglichen.Im traditionellen Entwurfsprozess wird daher der Entwurf in Form einer geschriebenenSpezifikation des Gesamtsystems erfasst und anschließend aufmehrere Teams aufgeteilt. Dies erfolgt in den frühen Entwurfsphasen, welchedurch eine hohe Unsicherheit über das Produkt gekennzeichnet sind. Dabeimüssen bei der Entwicklung der Subsysteme Annahmen und Entscheidungengetroffen werden, ohne den Einfluss auf das Gesamtsystem abschätzenzu können. Kopplungseffekte werden weitestgehend ignoriert. Viele kritische,insbesondere durch Kopplungseffekte hervorgerufene Fehler, können folglicherst bei der Integration am Ende der Entwicklung entdeckt werden. Zudem isteine Optimierung des Gesamtsystems nicht möglich, da kein Gesamtsystemmodellvorliegt. Der traditionelle Entwurfsprozess besitzt daher ein hohesEntwicklungsrisiko. Beim Entwurfsansatz Mission Level Design wird nach dem Konzeptentwurfanstatt einer geschriebenen eine ausführbare Spezifikation des Gesamtsystemsentwickelt. Diese wird gegen die Gesamtsystemanforderungen validiertund optimiert. Daraufhin wird die Spezifikation des gekoppelten Gesamtsystemsan mehrere Teams zur Entwicklung der Subsysteme weitergegeben,welche dann wieder zu einem Gesamtsystem integriert werden. Integrationsproblemewerden so schon in den frühen Entwurfsphasen gelöst, was einewesentliche Verringerung von Entwicklungszeit und -risiko bewirkt. Um die Spezifikationsqualität und -geschwindigkeit bei der Entwicklung vonGesamtsystemmodellen zu erhöhen, werden im Rahmen der Arbeit standardisierteMethoden zur Beschreibung und Leistungsbewertung verteilterSysteme, sowie zum automatisierten Mapping von Funktion in Architekturentwickelt. Dies ermöglicht bereits in den frühen Entwurfsphasen eine Architekturoptimierungdes Gesamtsystems. Zusätzlich werden Methoden zurÜberführung des abstrakten Entwurfs in Implementationen entwickelt

Zertifizierende verteilte Algorithmen

Eine Herausforderung der Softwareentwicklung ist, die Korrektheit einer Software sicherzustellen. Testen bietet es keine mathematische Korrektheit. Formale Verifikation ist jedoch oft zu aufwändig. Laufzeitverifikation steht zwischen den beiden Methoden. Laufzeitverifikation beantwortet die Frage, ob ein Eingabe-Ausgabe-Paar korrekt ist. Ein zertifizierender Algorithmus überzeugt seinen Nutzer durch ein Korrektheitsargument zur Laufzeit. Dafür berechnet ein zertifizierender Algorithmus für eine Eingabe zusätzlich zur Ausgabe noch einen Zeugen – ein Korrektheitsargument. Jeder zertifizierende Algorithmus besitzt ein Zeugenprädikat: Ist dieses erfüllt für eine Eingabe, eine Ausgabe und einen Zeugen, so ist das Eingabe-Ausgabe-Paar korrekt. Ein simpler Algorithmus, der das Zeugenprädikat für den Nutzer entscheidet, ist ein Checker. Die Korrektheit des Checkers ist folglich notwendig für den Ansatz und die formale Instanzverifikation, bei der wir Checker verifizieren und einen maschinen-geprüften Beweis für die Korrektheit eines Eingabe-Ausgabe-Paars zur Laufzeit gewinnen. Zertifizierende sequentielle Algorithmen sind gut untersucht. Verteilte Algorithmen, die auf verteilten Systemen laufen, unterscheiden sich grundlegend von sequentiellen Algorithmen: die Ausgabe ist über das System verteilt oder der Algorithmus läuft fortwährend. Wir untersuchen zertifizierende verteilte Algorithmen. Unsere Forschungsfrage ist: Wie können wir das Konzept zertifizierender sequentieller Algorithmen so auf verteilte Algorithmen übertragen, dass wir einerseits nah am ursprünglichen Konzept bleiben und andererseits die Gegebenheiten verteilter Systeme berücksichtigen? Wir stellen eine Methode der Übertragung vor. Die beiden Ziele abwägend entwickeln wir eine Klasse zertifizierender verteilter Algorithmen, die verteilte Zeugen berechnen und verteilte Checker besitzen. Wir präsentieren Fallstudien, Entwurfsmuster und ein Framework zur formalen Instanzverifikation.A major problem in software engineering is to ensure the correctness of software. Testing offers no mathematical correctness. Formal verification is often too costly. Runtime verification stands between the two methods. Runtime verification answers the question whether an input-output pair is correct. A certifying algorithm convinces its user at runtime by offering a correctness argument. For each input, a certifying algorithm computes an output and additionally a witness. Each certifying algorithm has a witness predicate – a predicate with the property: being satisfied for an input, output and witness implies the input-output pair is correct. A simple algorithm deciding the witness predicate for the user is a checker. Hence, the checker’s correctness is crucial to the approach and motivates formal instance verification where we verify checkers and obtain machine-checked proofs for the correctness of an input-output pair at runtime. Certifying sequential algorithms are well-established. Distributed algorithms, designed to run on distributed systems, behave fundamentally different from sequential algorithms: their output is distributed over the system or they even run continuously. We investigate certifying distributed algorithms. Our research question is: How can we transfer the concept of certifying sequential algorithms to distributed algorithms such that we are in line with the original concept but also adapt to the conditions of distributed systems? In this thesis, we present a method to transfer the concept: Weighing up both sometimes conflicting goals, we develop a class of certifying distributed algorithms that compute distributed witnesses and have distributed checkers. We offer case studies, design patterns and a framework for formal instance verification. Additionally, we investigate other methods to transfer the concept of certifying algorithms to distributed algorithms

Ein Beitrag zur geometrischen Gestaltung und Optimierung prismatischer Festkörpergelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen

Wesentlicher Aspekt bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die geometrische Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. In der vorliegenden Arbeit erfolgt eine ganzheitliche, d. h. vom Einzelgelenk auf den Mechanismus übertragbare Untersuchung unter Berücksichtigung der Drehachsenverlagerung. Es wird eine allgemein anwendbare Synthesemethode nachgiebiger Mechanismen abgeleitet, die ausgehend vom Starrkörpermechanismus eine gezielte Gestaltung sowie beschleunigte FEM-basierte Optimierung ermöglicht. Hiermit lassen sich der Bewegungsbereich vergrößern und die Bahngenauigkeit erhöhen. Die Besonderheit der Synthesemethode besteht in der Verwendung identischer oder unterschiedlicher Festkörpergelenke mit Standard- oder Polynomkonturen. Hierfür werden grundlegende Hinweise sowie drei neue Ansätze zur Bestimmung der geometrischen Gelenkparameter mittels Umsetzungstabelle, Kurventafel oder computergestützter Konturoptimierung vorgestellt. Das Potenzial der Synthesemethode für die Präzisionstechnik wird an einer Schubkurbel zur Realisierung einer Punktgeradführung aufgezeigt.For the realization of high precise motion, often compliant mechanisms are used instead of rigid-body mechanisms. In these solid-state mechanisms, the flexibility is achieved by material coherent revolute joints. In compliant linkage mechanisms, mostly prismatic flexure hinges with basic cut-out geometries are used. In contrast to form- and force-closed joints the angular deflection of flexure hinges is limited. Thus, the motion range of the mechanism is limited too. In addition, no exact relative rotation of two rigid links is possible with a flexure hinge, as always a shift of its axis of rotation occurs. In turn, this leads to path deviations of the compliant mechanism compared to the rigid-body mechanism. Regarding the required mechanism properties, the step of the geometric design of the prismatic flexure hinges is a key aspect in the synthesis of a compliant linkage mechanism, which is investigated in this thesis. Hence, a holistic consideration is carried out, which can be transferred from a hinge to a mechanism. For the investigation of a single flexure hinge a suitable approach for modeling the rotational axis is crucial. After this, the multi-criteria optimization of the hinge contour is investigated for a single hinge and in the mechanism. Based on known rigid-body replacement approaches, this thesis presents a general method for the synthesis of compliant linkage mechanisms. The synthesis method allows a specific design and accelerated FEM-based optimization with identical or different hinges. This can be used to increase the motion range and to improve the path accuracy. The contribution of the synthesis method results due to the consideration of the design of the prismatic flexure hinges with standard or polynomial contours. For this, basic hints and three new approaches for determining the geometric parameters of the hinge contour and dimensions using a look-up table, nomogram or computer-aided contour optimization are proposed. Such designed mechanisms are particularly suitable for use in precision engineering. The potential of the synthesis method is exemplified for a compliant slider-crank mechanism for realizing a rectilinear guiding of a coupler point.Zur Realisierung von Bewegungen mit hohen Anforderungen an die Präzision werden Starrkörpermechanismen zunehmend durch nachgiebige Mechanismen ersetzt, in denen die Beweglichkeit durch stoffgekoppelte Drehgelenke realisiert wird. In diesen nachgiebigen Koppelmechanismen kommen überwiegend prismatische Festkörpergelenke mit einfachen geometrischen Aussparungen zum Einsatz. Im Gegensatz zu form- und kraftgekoppelten Gelenken ist der Auslenkwinkel eines Festkörpergelenkes begrenzt, wodurch der Bewegungsbereich des Mechanismus eingeschränkt wird. Zudem lässt sich mit einem Festkörpergelenk keine exakte relative Drehung zweier starrer Glieder realisieren, da grundsätzlich eine Drehachsenverlagerung stattfindet. Dadurch ergeben sich Bahnabweichungen des nachgiebigen Mechanismus im Vergleich zum Starrkörpermechanismus. Wesentlicher Aspekt bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die in dieser Arbeit untersuchte Phase der geometrischen Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. Hierzu erfolgt eine ganzheitliche, d. h. vom Gelenk auf den Mechanismus übertragbare Betrachtung. Für die durchgeführte Untersuchung von Einzelgelenken ist ein geeigneter Ansatz zur Drehachsenmodellierung von entscheidender Bedeutung. Die anschließende mehrkriterielle Optimierung der Gelenkkontur findet für ein Einzelgelenk und im Mechanismus statt. Als Ergebnis der Arbeit wird eine allgemein anwendbare Synthesemethode nachgiebiger Koppelmechanismen abgeleitet, die ausgehend vom Starrkörpermechanismus eine gezielte Gestaltung sowie beschleunigte FEM-basierte Optimierung mit identischen oder unterschiedlichen Gelenken ermöglicht. Hiermit lassen sich der Bewegungsbereich vergrößern und die Bahngenauigkeit erhöhen. Die Besonderheit der Synthesemethode besteht in der Berücksichtigung der Gestaltung prismatischer Festkörpergelenke mit Standard- oder Polynomkonturen. Hierfür werden grundlegende Hinweise sowie drei neue Ansätze zur Bestimmung der geometrischen Parameter der Gelenkkontur und -abmessungen mittels Umsetzungstabelle, Kurventafel oder computergestützter Konturoptimierung vorgestellt. Auf diese Weise gestaltete Mechanismen eignen sich besonders für die Präzisionstechnik. Das Potenzial der Synthesemethode wird am Beispiel einer nachgiebigen Schubkurbel zur Realisierung einer Punktgeradführung aufgezeigt