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Projects

  • Thermische Umrichtermodellierung für elektrische Antriebssysteme

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. August 2020 - 31. July 2023
    Funding source: Industrie
  • Regelung des Antriebsstrangs beim Kaltwalzen

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. July 2020 - 31. August 2023
    Funding source: Industrie
  • Automated path planning for truck-trailer configurations

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. September 2019 - 31. August 2022
    Funding source: Industrie
  • Modulare und hierarchische Ansätze für die Regelung nebenläufiger zeitbewerteter ereignisdiskreter Systeme

    (Third Party Funds Single)

    Term: 15. July 2019 - 14. July 2022
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

    Neue Technologien haben zur Entwicklung von Systemen geführt, die weitgehend autonom agieren und typischerweise aus einer Vielzahl vernetzter Komponenten bestehen. Die Komplexität solcher Systeme erfordert neuartige Ansätze zur Modellierung und Reglersynthese, um die gewünschte Funktionalität zu garantieren. Ereignisdiskrete Systeme (discrete-event systems, DES) sind Modelle, deren Dynamik durch das Auftreten asynchroner Ereignisse charakterisiert wird. Solche Modelle eignen sich für viele "man made Systems", wie beispielsweise automatisierte Transportvorrichtungen und flexible Fertigungsanlagen. Die Modellierung ereignisdiskreter Systeme erfolgt mit aus der Informatik bekannten Beschreibungsmitteln, wie etwa endlichen Automaten, formalen Sprachen oder Petri-Netzen. Zur Reglersyn these hat sich die sog. "supervisory control theory" etabliert, bei der der Regler bzw. supervisor aus vergangenen Ereignissen ableitet, welche Ereignisse aktuell unterbunden werden müssen, um einen wunschgemäßen Ablauf des geregelten Systems zu gewährleisten. Eine zentrale Herausforderung ist hierbei die in der Komponentenzahl exponentiell wachsende Zahl von Zuständen des Gesamtsystems. Dieser begegnet man durch modulare oder hierarchische Ansätze, die das explizite Erstellen eines Gesamtmodells umgehen. In ihrer Grundform beschreiben ereignisdiskrete Systeme nur die Reihenfolge der Abfolge von Ereignissen. Dies reicht aus, um Regler zu entwerfen, die einen sicheren und zielführenden Betrieb des geregelten Systems garantieren. In vielen Anwendungen spielt aber neben Sicherheit auch Performanz eine Rolle. Letztere bezieht sich i.A. nicht nur auf die Reihenfolge sondern auch auf die Zeitpunkte, zu denen Ereignisse auftreten. Dazu bietet die Literatur eine Auswahl von Modellformen, die sich hinsichtlich ihrer Ausdrucksstärke deutlich unterscheiden. Am unteren Ende rangieren Ansätze nach Brandin/Wonham, bei denen das Verstreichen von Zeit durch das globale Ereignis "tick" abgebildet wird, sowie sog. zeitbewertete Ereignisgraphen (timed event graphs, TEGs), deren Verhalten sich als Lösungen linearer (max,+)- Gleichungen darstellen lässt. Für beide Ansätze ist die Reglersynthese gut erforscht. Allerdings wird die hier verfügbare Ausdrucksstärke vielen Anwendungen nicht gerecht: Modelliert man nach Brandin-Wonham, so lassen sich nebenläufige Prozesse, die mehrere unabhängige Echtzeituhren erfordern, nicht darstellen; verwendet man zeitbewertete Ereignisgraphen, so können logische Verzweigungen nicht dargestellt werden. In diesem Projekt wollen wir effiziente Methoden zur ereignisdiskreten Regelung für Modellformen untersuchen, die in ihrer Ausdrucksstärke über die beiden genannten Ansätze deutlich hinaus gehen. Wir streben insbesondere an, mit Hilfe modularer und hierarchischer Methoden für sog. (max,+)-Automaten und ausgewählt strukturierte Petri-Netze Regler zu entwerfen, die gegebene Anforderungen hinsichtlich Korrektheit und Performanz garantieren.

  • Agent-based systems for intelligent and robust control of complex energy systems in non-residential buildings as part of a superordinate energy system

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Agentensysteme zur intelligenten und robusten Steuerung komplexer Energiesysteme in Nichtwohngebäuden als Bestandteil des übergeordneten Energiesystems
    Term: 1. May 2019 - 30. April 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
  • Formale Verifikation in der Fertigungsautomatisierung (Projektabschnitt B1)

    (Third Party Funds Single)

    Term: 15. April 2019 - 14. April 2020
    Funding source: Siemens AG
  • Trajectory planning for off-road applications

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2019 - 31. October 2021
    Funding source: Industrie
  • Modular distributed model predictive control of nonlinear systems with neighborhood models

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2019 - 31. December 2020
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

    The steadily growing demands on efficiency and flexibility of modern automation and control systems requires a broader design approach for the overall system that goes beyond the isolated look at and control of single subsystems. Decentral and distributed control schemes follow this holistic design approach by including the interdependencies between the subsystems in the control design.

    Model predictive control (MPC) appears to be a suitable control approach to tackle these kind of systems. In essence, MPC relies on the numerical solution of a finite-horizon dynamic optimization problem that is repetitively solved according to the sampling rate of the system. An extension of MPC to coupled systems is distributed MPC (DMPC), which assigns a single communicating MPC agent to each subsystem. 

    The goal of the project is to develop a DMPC scheme for nonlinear coupled systems, where each MPC agent contains a neighborhood model that anticipates the dynamical behavior of its neighbors in order to enhance the convergence and robustness of the distributed algorithm. Besides the development and mathematical investigation of the methodology, a further goal of the project is the numerical and experimental realization of the control approach. A particular intention of the project is to develop a modular framework that allows for an easy configuration and adaptation of the coupling structure for suitable system classes. 

  • Compliance for a robotic assistance system

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2019 - 30. September 2022
    Funding source: Industrie
  • Formale Verifikation in der Fertigungsautomatisierung (Projektabschnitt A)

    (Third Party Funds Single)

    Term: 15. April 2018 - 14. April 2019
    Funding source: Siemens AG
  • Fehlerdiagnose verteilt-parametrischer Systeme mittels Modulationsfunktionen

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2018 - 31. March 2021
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
  • Quality-aware Co-Design of Responsive Real-Time Control Systems

    (Own Funds)

    Term: 1. September 2015 - 30. September 2021
    URL: https://www4.cs.fau.de/Research/qronOS/

    A key design goal of safety-critical control systems is the verifiable compliance with a specific quality objective in the sense of the quality of control. Corresponding to these requirements, the underlying real- time operating system has to provide resources and a certain quality of service. However, the relationship between real-time performance and quality of control is nontrivial: First of all, execution load varies considerably with environmental situation and disturbance. Vice versa, the actual execution conditions also have a qualitative influence on the control performance. Typically, substantial overestimations, in particular of the worst-case execution times, have to be made to ensure compliance with the aspired quality of control. This ultimately leads to a significant over-dimension of resources, with the degree disproportionately increasing with the complexity and dynamics of the control system under consideration. Consequently, it is to be expected that pessimistic design patterns and analysis techniques commonly used to date will no longer be viable in the future. Examples of this are complex, adaptive and mixed-critical assistance and autopilot functions in vehicles, where universal guarantees for all driving and environmental conditions are neither useful nor realistic. The issues outlined above can only be solved by an interdisciplinary approach to real-time control systems. This research project emanates from existing knowledge about the design of real-time control systems with soft, firm and hard timing guarantees. The basic assumption is that the control application's performance requirement varies significantly between typical and maximum disturbance and leads to situation-dependent reserves, correspondingly. Consequently, the commonly used pessimistic design and analysis of real-time systems that disregards quality-of- control dynamics is scrutinized. The research objective is the avoidance of pessimism in the design of hard real-time systems for control applications with strict guarantees and thus the resolution of the trade-off between quality-of-control guarantees and good average performance. This proposal pursues a co-design of control application and real-time executive and consists of the following three key aspects: model-based quality-of-control assessment, adaptive and predictive scheduling of control activities, and a hybrid execution model to regain guarantees.

  • Systematischer Entwurf hierarchisch-hybrider Regler

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: FOR 468: Methods from discrete mathematics for the synthesis and control of chemical processes
    Term: 1. January 2006 - 30. January 2011
    Funding source: DFG / Forschergruppe (FOR)

    Ziel des beschriebenen Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines in der ersten Antragsphase untersuchten Verfahrens zum hierarchischen Entwurf hybrider Regelsysteme. Das genannte Verfahren ermöglicht es, sowohl ingenieurwissenschaftliche Intuition und regelungstechnische Standardverfahren als auch moderne Methoden der diskreten Optimierung auf sichere Weise in einen formalen Entwurfsvorgang einzubinden. Es trägt so zur Beherrschbarkeit der hybriden Regelproblemen innewohnenden Komplexität bei und wurde in der ersten Antragsphase erfolgreich auf eine Mehrprodukt-Batchanlage angewandt. Um das Verfahren zu einer praxistauglichen Entwurfsmethode zu machen, sind eine Reihe von methodischen Weiterentwicklungen notwendig. Diese betreffen strukturelle Fragen hinsichtlich der hierarchischen Reglerarchitektur, Fragen der effizienten Berechnung diskreter Abstraktionen durch sichere Abschätzung erreichbarer Zustandsmengen sowie algorithmische Fragen beim Entwurf ereignisdiskreter Reglerebenen. Die praktische Anwendbarkeit des resultierenden hierarchischen Entwurfsverfahrens soll anhand eines strukturvariablen chromatographischen Trennprozesses nachgewiesen werden.