Methoden des Soft Computing zur Regelung und Diagnose von Magnetlagern

Es besteht weltweit eine ausgeprägte Tendenz, durch Einsatz der aktiv geregelten Magnetlagerung die mechanische Reibung und Verschleiß zu vermeiden sowie die einstellbare Systemsteifigkeit und -dämpfung zu ermöglichen. Solche Systeme werden bis anhin über fixed-control-design oder lineare Strategie geregelt, verwenden also Frequenzfilter mit kleinem Wirkungsgrad, begrenzter Cutoff-Frequenz und Zuverlässigkeit im konventionellen Regelkonzept. Der industrielle Einsatz der aktiven Magnetlager in Verbindung mit dem technologischen Prozess insbesondere unter Belast-, Störfall und Einfluss vom starken Rauschen stellt heute hohe Aufforderung an die Stabilität der Positionierung, Funktionszuverlässigkeit und Laufruhe. Diese führen gegenüber konventionelles Regelkonzept zu einer wesentlichen Erneuerung des Regelkonzeptes. So werden die stabile Magnetlagerung bzw. Steuerbarkeit der dynamischen Eigenschaft bis hin zur technischen Grenze ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Regelkonzept mithilfe Soft Computing erarbeitet und am Testanlage FLP 500 am Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik der Hochschule Zittau / Görlitz umgesetzt. Dazu bietet sich vor allem die Integration von Soft Computing in der Regelung-, Filterung- und Online-Identifikationstechnik in das System an. Es werden das Führungsverhalten, Störverhalten, der Umdrehungsversuch bzw. Identifikationsversuch angestellt. Der Identifikationsversuch präsentiert die Ergebnisse aus Online-Identifikation mit ausreichender Schnelligkeit und Robustheit gegen Prozessrauschen. Die weiteren Versuchsergebnisse zeigen, dass die Stabilität der Positionierung mit einem variierenden Arbeitspunkt bzw. die Laufruhe, besonderes unter Bedingung vom starken Prozessrauschen, unter Einfluss von der elektronischen bzw. mechanischen Eigenschwingung, vom Messrauschen und von der Messstörung in Sensorik, deutlich optimiert sind. Durch die Adaptionsmöglichkeit ist die Magnetlagerung zudem wesentlich weniger anfällig für die Variation der Arbeitspunkte. Der Vorteil der Zustandsbeobachtung wird durch Anwendung des Kalman-Filters ausgenutzt. Auf diese Weise ist die nahezu vollständige Eliminierung der Störung und Signalverfälschung in Messsignale möglich. Im realen Versuchsstand durchgeführte Untersuchungen belegen die praktische Anwendbarkeit des Konzeptes.In recent years, there has been a global trend to use actively controlled magnetic bearings to avoid mechanical friction and wear, as well as to adjust system stiffness and damping ratio. Until recently such systems have been controlled using a fixed control strategy or a linear control strategy, such as frequency filters with low-efficiency, limited cut-off frequency, and limited reliability. The industrial application of active magnetic bearings in connection with the technological process in particular under load, failure, and influence of strong noise, requires a high level of stability in position control, functional reliability, and operational smoothness. These limitations require a major improvement in the considered control strategies to achieve stable position control and dynamic control of the system up to the engineering limits. In this thesis, a new control strategy using soft computing is developed and implemented on a test facility FLP 500 at the Institute of Process Engineering, Process Automation, and Measurement Engineering, at the FH Zittau / Gorlitz. Thus, this thesis will examine the integration of soft computing for position control, signal filtering, and online system identification. The results are compared with other conventional control strategies. Experiments for timing behavior of the controller, the disturbance behavior, rotation, and online system identification are performed. The experiments present the results of online system identification with sufficient rapidity and robustness against process noise. Further the results show that the stability of the position control at different operating points is significantly improved. Operational smoothness, especially with a significant amount of process noise, in the presence of electric and mechanical oscillations, of the measurement noise, and of external disturbance in sensors, is significantly improved. The advantage of state observation is verified using a Kalman filter, which eliminates signal disturbances and measurement corruption. The experiments show that the proposed new control strategy can be applied to the test bench system

Konsistenzbasierte Fehlerdiagnose nichtlinearer Systeme mittels Zustandsmengenbeobachtung

Diese Arbeit beschreibt ein Verfahren zur konsistenzbasierten Fehlerdiagnose zeitkontinuierlicher nichtlinearer Systeme mittels Zustandsmengenbeobachtung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Durchführung der Zustandsmengenbeobachtung mittels Einschließungsverfahren für gewöhnliche Differenzialgleichungssysteme. Es werden zwei Konzepte zur Zustandsmengenbeobachtung vorgestellt und verglichen sowie anhand von Anwendungsbeispielen deren praktische Einsetzbarkeit verdeutlicht

Analyse und Entwurf von Beobachtern mit unbekannten Signalen und Parametern

Die Arbeit sondiert Erweiterungsmöglichkeiten von Beobachterverfahren und zeigt Lösungen für die Fälle auf, in denen die üblichen Voraussetzungen wie Beobachtbarkeit, bekannte Parameter und vollständige Messbarkeit von Ein- und Ausgangssignalen verletzt sind

Modellierung des Wachstums und der Einschlusskörperbildung des Bakteriums Photorhabdus luminescens

Das Bakterium Photorhabdus luminescens wird zusammen mit den Nematoden (Fadenwürmer) der Gattung Heterorhabditis ssp. erfolgreich zur Bekämpfung von im Boden lebenden Schadinsekten eingesetzt. Bei deren Produktion im industriellen Maßstab dienen Kulturen des Bakteriums als Vorkultur. Aufgrund starker symbiotischer Beziehungen beeinflusst der Zustand der Bakterienvorkultur stark die Entwicklung der Nematoden und damit die Ausbeute der Produktion. Während des Wachstums von P. luminescens bilden sich kristalline, aus Proteinen aufgebaute Einschlusskörper. Die Menge an gebildeten Einschlusskörpern und die Bakteriendichte sind wesentliche, die Nematodenentwicklung beeinflussende Faktoren. Mit Hilfe von mathematischen Wachstumsmodellen sind geeignete Prozessführungsstrategien realisierbar. Diese überführen die Bakterienkultur in einen definierten Zustand zum Zeitpunkt der Nematodeninokulation. So können schwankende Ausbeuten im Produktionsprozess vermieden werden und eine weitere Untersuchung der symbiotischen Beziehung zwischen Bakterien und Nematoden wird hierdurch ermöglicht. Eine Voraussetzung für die Implementierung dieser Strategien ist eine detaillierte Information über die internen Zustände des Prozesses (Substratkonzentrationen, Biomasse, Einschlusskörperprotein, etc), die aber bei biotechnologischen Prozessen meist schwer online zu erlangen sind. Auf der Basis von neu eingesetzten bioanalytischen Verfahren zur Quantifizierung des Einschlusskörperproteins wurden erweiterte mathematische Modelle für das Wachstum des Bakteriums P. luminescens entwickelt. Diese Modelle ermöglichen, sowohl die Populationsentwicklung als auch die Produktion von Einschlusskörperproteinen in Abhängigkeit von den zugefütterten Substraten zu beschreiben. Die neu entwickelten Wachstumsmodelle dienen als Grundlage für den Entwurf eines Zustandsschätzverfahrens, welches für unterschiedliche Abtastzeiten und große Modellunsicherheiten geignet ist. In dieser Arbeit wird ein Software-Sensor beschrieben, der auf der Zustandsschätzung auf einem bewegtem Zeithorizont basiert (Moving Horizon Estimation, MHE). Dieses Verfahren wird erfolgreich zur Schätzung der Biomasse und des zellinternen Einschlusskörperproteins bei der Kultivierung des Bakteriums Photorhabdus luminescens eingesetzt

Modellierung von Unsicherheit und Wahrnehmung für Lernende Systeme

Durch die enormen Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) erreicht eine Vielzahl lernender Systeme den Alltag von Menschen. Aktuell agiert zwar der Großteil dieser lernenden, KI-basierten Systeme noch für den Endnutzer meist unsichtbar, rein online, (beispielsweise als Recommender-System in Online-Shops), doch erste Systeme wie selbstfahrende Autos und autonome Lieferroboter sind bereits in die physische Welt vorgedrungen. Ebenso wird mit Hochdruck an Visionen wie der vollautomatisierten Fabrik (Smart Factory) oder an adaptiven Stromnetzen (Smart Grids) gearbeitet. Spätestens mit der Präsenz der lernenden Systeme in der physischen Welt gewinnen Fragen der Zuverlässigkeit und Sicherheit höchste Relevanz. Aktuell existieren jedoch kaum Verfahren, die die Grenzen und stets vorhandenen Unsicherheiten der lernenden Systeme zuverlässig erfassen können. Ebenso wäre die Modellierung eines gemeinsamen Wahrnehmungsverständnisses zwischen Mensch und Maschine von großer Wichtigkeit, um Missverständnisse und Fehler in der Interaktion zu minimieren. In der vorliegenden Arbeit werden Ansätze vorgestellt, die eine solche Modellierung von Unsicherheit und Wahrnehmung, insbesondere in Kombination mit aktuellen Deep Learning Verfahren ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Ansätze zur Modellierung eines räumlichen Wahrnehmungsverständnisses für lernende Systeme behandelt. Hierfür wird eine Isovisten-basierte Quantifizierung der Wahrnehmung mit Machine Learning (ML) basierter Modellierung kombiniert. Evaluationsergebnisse zeigen, dass die so entwickelte Modellierung in der Lage ist, semantische Strukturen abzubilden. Eine in einem zweiten Schritt mit Bayesschen Verfahren erweiterte, probabilistische Wahrnehmungsmodellierung wird anschließend unter anderem zur Charakterisierung von Routen eingesetzt. Da besonders im Forschungsfeld autonom handelnder Systeme aktuell Reinforcement Learning (RL) Ansätze dominieren, stehen im zweiten Teil der Arbeit Methoden zur Unsicherheitsmodellierung in Value-basiertem Deep RL im Fokus. Es werden sowohl Methoden der approximativen Bayesschen Inferenz, als auch ensemble-basierte Verfahren dahingehend evaluiert, ob sie zuverlässig in der Lage sind, epistemische Unsicherheit zu modellieren. Da die zuvor vorgestellten Ansätze nicht direkt mit Policy-basiertem RL kombinierbar sind, wird im dritten Teil der Arbeit ein neu entwickelter, auf der Entropie der Policy basierender Ansatz zur Erkennung von Out-of-Distribution (OOD) Situationen vorgestellt. Zusammengenommen schaffen die im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorgestellten Modellierungsansätze von Unsicherheit und Wahrnehmung eine Grundlage zur Entwicklung zuverlässiger, sicherer, lernender Systeme.With the enormous progress in the field of artificial intelligence (AI), a plethora of learning systems is becoming an integral part of people's everyday lives. Currently, most of these learning, AI-based systems are restricted to virtual spaces (for example as recommender systems in online shops). But the first ones like self-driving cars or autonomous delivery robots have already entered the physical world. Work is also progressing to realize visions like fully automated industrial plants (Smart Factory) or adaptive electrical grids (Smart Grid). With this increasing presence of learning systems in the physical world, questions of reliability and safety are now of utmost importance. Currently, however, hardly any methods exist that are able to reliably capture the limitations and ever-present uncertainties of learning systems. Likewise, modeling a common understanding of perception between humans and machines is of great importance, to minimize misunderstandings and errors in their interaction. The work at hand presents approaches which allow this kind of modeling of uncertainty and perception, especially when combined with current Deep Learning methods. The first part of this thesis addresses approaches for modeling a spatial perception for learning systems. For this purpose, an Isovist-based quantification of perception is combined with Machine Learning (ML) based modeling. Evaluation results show that the developed modeling approaches are capable of representing semantic structures. A probabilistic modeling approach, extended using Bayesian methods, is subsequently presented. It is used, among other things, for an uncertainty based characterization of trajectories. For the development of autonomous systems, Reinforcement Learning (RL) approaches currently dominate. Consequently, the second part of this thesis focuses on methods for uncertainty modeling in Value-based Deep RL. Methods of approximate Bayesian Inference as well as Ensemble-based approaches are evaluated, regarding their ability to reliability model epistemic uncertainty. As the previous approaches are not directly applicable to Policy-based RL, the third part of this thesis presents a newly developed policy entropy based approach for detecting out-of-distribution (OOD) situations. Together, the approaches to modeling uncertainty and perception, presented in the context of the work at hand, provide a foundation for the future development of reliable, safe, learning systems

Cross-traffic assistance considering uncertainties in measurements and prediction

Obwohl die Statistik aufzeigt, dass sich an Kreuzungen gehäuft Unfälle ereignen, wird der Fahrer in dieser offensichtlich komplexen Situation bis dato nur in wenigen Serienfahrzeugen von Assistenzsystemen unterstützt. Eine Ursache hierfür ist die eingeschränkte Einsicht konventioneller On-Board Sensorik wie Radar und Kamera in den seitlichen Kreuzungsarm, wodurch potentiell vorhandener Querverkehr erst spät erfasst werden kann. Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen stellt einen vielversprechenden technologischen Fortschritt zur Beherrschung kritischer Situationen im Kreuzungsbereich dar. Bei der Anwendung dieser Technologie entstehen eine Reihe von neuen Fragestellungen: Reicht die Genauigkeit der satellitengestützten Lokalisierung aus, um dem Fahrer eine möglichst falschwarnungsfreie, aber dennoch wirksame Assistenz anbieten zu können? Wie kann bei der Bewertung der Kritikalität mit den variierenden Unsicherheiten aus der Lokalisierung umgegangen werden? Welchen Einfluss nehmen die Unsicherheiten, die aus dem Fahrerverhalten resultieren? Um diese Fragen zu beantworten, wird in dieser Arbeit ein prototypisches Assistenzsystem entwickelt und im Rahmen eines Feldversuchs mit Probanden getestet. Die Messdaten dienen einerseits dazu, durch Expertenanalyse und Fahrerbefragung Optimierungspotential des bestehenden Systems zu identifizieren und liefern andererseits eine umfangreiche Datenbasis für die Evaluierung von neuen Ansätzen. Dies stellt die Grundlage dar für die im weiteren Verlauf entwickelten Methoden zur Handhabung von Unsicherheiten aus Fahrerverhalten und Sensorik. Die Abbiegeabsicht wird mit einem neuartigen Ansatz bewertet, der aus Sicht des Fahrers mehrere mögliche Manöver plant. Anhand der zeitlichen Entwicklung der optimalen Überführungskosten der geplanten Trajektorien wird auf die Abbiegeabsicht des Fahrers geschlossen. Das Verfahren wird anhand zahlreicher realer Abbiegemanöver evaluiert. Es kann gezeigt werden, dass eine verlässliche Detektion bereits zu einem Zeitpunkt möglich ist, welcher dem Fahrer eine hinreichend große Reaktionszeitreserve ermöglicht, um eine kritische Situation selbst zu entschärfen. Der Umgang mit den Unsicherheiten aus der Sensorik gelingt, indem zunächst zeitbasierte Kriterien zur Bewertung der Kritikalität im deterministischen Fall untersucht werden. Anschließend wird mit Hilfe der Methode der exakten Monome und mehrdimensionaler Gauß-Quadratur eine recheneffiziente Approximation für den probabilistischen Fall vorgeschlagen.Traversing an intersection is a challenging task for human drivers. Vehicle accident statistics, which provide evidence of this adverse circumstance, indicate an increased frequency of accidents. However, advanced driver assistance systems that provide assistance during intersection situations are not available in all series production cars. Among other reasons this is due to the reduced detection range of conventional sensors, such as radar or cameras for vehicles on lateral crossroads. Cross-traffic assistance based on vehicle-to-vehicle communication technology exhibits promising attributes for the control of this type of situation because crossing traffic can be detected even without a line-of-sight. However, the application of this technology introduces the following new issues: Is the precision of satellite based positioning sufficiently accurate to provide effective assistance to a driver while maintaining a low false-positive warning rate? What is the best approach to coping with the varying uncertainty of localization measurements during criticality assessment? How is the uncertainty about the intention of the driver related to this issue? To answer these questions, a prototype system is developed and extensively tested during a field-operational test using naive probands. The acquired data enables the optimization of the current system via analysis by experts and driver surveys. The data also serves as an extensive data base for the evaluation of the new algorithms developed in this thesis, which focus both on the uncertainty in the driver’s behavior and in measurement. Turning maneuver intention is estimated by a novel approach, in which several possible maneuvers are planned from the viewpoint of the driver. To infer the intended maneuver, the gradient of the optimal cost-to-go of each planned trajectory is employed. This approach is evaluated with numerous turning maneuvers and enables early and reliable detection of the actual conducted maneuver, which facilitates an effective warning. The ability to handle measurement uncertainty is addressed by examining time-based criticality measures for the deterministic case. Subsequently, an efficient approximation for the probabilistic case, which is based on a method of exact monomials and multidimensional Gaussian quadrature, is proposed

Eine Methodik zur stochastischen adaptiven Qualitätsregelung

Ausgangspunkt dieser Arbeit ist das Bestreben, Einrichtvorgänge bei Druckmaschinen mit minimaler Makulatur, d.h. minimalen Ausschuss durchzuführen. Als Qualitätsmerkmal wird dabei die Färbung betrachtet. Dies bedeutet, dass eine gegebene Sollfärbung mit einer möglichst geringen Anzahl an Regelschritten erreicht werden soll. Aufgrund der in Anbetracht des unvermeidbaren Prozessrauschens relativ hohen Anforderungen an die Regelgüte ist dabei eine stochastische Betrachtung der Regelung notwendig. Diese hier kurz skizzierte Problemstellung wird als allgemeineres zeitdiskretes Qualitätsregelungsproblem statischer Prozesse beschrieben und in zwei Schritten bearbeitet. Zunächst erfolgt die Definition und Analyse von Größen zur Bewertung der Einrichtvorgänge. Aus diesen ergibt sich, dass der mittlere quadratische Fehler als globales Gütekriterium für den Reglerentwurf geeignet ist. Darauf basierend werden in dieser Arbeit verschiedene Reglerkonfigurationen untersucht und bewertet. Anschließend wird die Identifikation der Prozessparameter während der Regelvorgänge betrachtet, womit eine Adaption der Regler möglich wird. Basis des Identifikationsverfahrens ist die bekannte Methode der kleinsten Quadrate. Aufgrund der Eigenschaften des Anwendungsfalles ist die Leistung des Standardverfahrens jedoch nicht zufriedenstellend. Hervorzuheben ist dabei die Multikollinearität, d.h. die starke Korrelation der verschiedenen Prozesseingänge, sowie die Möglichkeit sprungförmiger Störungen zu Beginn neuer Aufträge. Diese Probleme können in dieser Arbeit gelöst werden, so dass ein leistungsfähiger Schätzalgorithmus angegeben werden kann, der die wenigen Messdaten sehr effektiv ausnutzt. Darüber hinaus ist auch der Bias, der aufgrund der Regelung im geschlossenen Regelkreis auftritt, zu beachten. Dieser wird untersucht und eine kennfeldbasierte Kompensationsmethode vorgeschlagen. Um auch bei großen Anfangsabweichungen der angenommenen Prozessparameter sowie Ausreißern bei den Messungen noch ein gutes Regel- und Adaptionsverhalten zu erreichen, wird das vorgeschlagene Schätzverfahren zuletzt noch um geeignete Maßnahmen erweitert

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