Regelungs- und Prozesstechnik

Profil

Im Bereich Lehre und Forschung möchten wir eine Brücke zwischen Theorie und Praxis schlagen. Mathematische Methoden helfen uns reale technische Systeme untersuchen zu können. Diese werden als numerische Simulationen abgebildet und über Regelalgorithmen, wie beispielsweise Modellprädiktiver Regelung, beeinflusst. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen werden schließlich auf das reale System angewandt. Von hardware-naher Programmierung mittels C/C++ bis hin zu numerischen Simulationen mit MATLAB/Simulink oder Julia arbeiten wir mit unterschiedlicher Software um unsere Projekte umzusetzen. Unser Fokus liegt dabei vor allem in den folgenden Bereichen. Unsere Forschungsthemen werden auf der Seite der Forschungsgruppe Control and Process Engineering vorgestellt.

Scheme of a plate with three heat sources — Schematische Darstellung einer Platte mit Wärmequellen und Sensoren und dem dazugehörigen Temperaturverlauf.

Quelle: Stephan Scholz

Thermische Prozesstechnik

Bei vielen technologischen Prozessen spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. Sei es die Klimatisierung von Gebäuden, die Kühlung von Motoren oder Hochleistungsrechnern, oder die optimale Erwärmung zur Herstellung von Kunststoffen - die korrekte Wärmezu- und abfuhr sind ausschlaggebend. In unserer Gruppe beschäftigen wir uns mit der Steuerung von Wärmeleitungsproblemen unter Einwirkung von mehreren Aktuatoren. Hierbei müssen die Regelalgorithmen nicht nur entscheiden, wie viel Wärme sie einbringen, sondern auch an welcher Stelle. Typische Anwendungsfelder sind industrielle Backprozesse beispielsweise in der Halbleiterindustrie.

Scientific Machine Learning

Moderne Verfahren des Maschinellen Lernens haben nicht nur bei IT-Diensten, wie Suchmaschinen und sozialen Netzwerken, wichtigen Einfluss. Zur Untersuchung komplexer Systeme beruhen auch viele wissenschaftliche Methoden auf daten-gestützter Modellierung. Diese komplexen Systeme sind häufig zu umfangreich um sie detailliert beschreiben zu können. Daher nutzen wir als Entwickler und Wissenschaftler so genannte Grey-Box-Modelle, die es uns ermöglichen bei nur teilweiser Kenntnis von Systemen unter Zuhilfenahme von großen Datensätzen das theoretische Modell dem echten anzunähern. Beispiele dafür sind Fahrdynamiken von Fahrzeugen, bei denen jedes Bauteil einen Einfluss auf die Fahrt hat, oder chemische Reaktionen, bei denen eine riesige Anzahl von Teilchen bzw. Reaktionspartnern zusammenwirken.

Siehe auch: SciML

Eingebettete Systeme

Von Haushaltselektronik bis industriellen Steuerungen finden sich in fast jedem Lebensbereich mikroelektronische Schaltungen als eingebettete Systeme. Diese dienen häufig zur Messung und Weiterverarbeitung von Daten, beispielsweise die Lichtsteuerung in Gebäuden. Da kommerzielle industrielle Steuerungen häufig weniger flexibel in ihrem Einsatzgebiet und meist auch kosten-intensiver sind als Einplatinencomputer, erproben wir deren Einsatzgebiet im kleinen industriellen Umfeld. Verfahrenstechnische, elektrische und mechanische Systeme dienen uns dabei als zu Grunde liegende Hardware, die mittels eingebetteten Systemen angesteuert wird.

Wir bieten Projekte und Abschlussarbeiten mit Bezug zu unseren Forschungsgebieten an: Thermische Prozesstechnik, Scientific Machine Learning und Eingebettete Systeme. Thematisch können interessierte Studierende wählen zwischen Softwareprojekten mit soliden theoretischen Grundlagen oder hardwarenaher Entwicklung für das Labor inklusive praktischer Experimente und deren Auswertung.

Softwareentwicklung

Wir entwickeln mathematische Modelle und Steuerungen für komplexe dynamische Systeme und implementieren diese in moderne Programmiersprachen wie Julia, MATLAB/Simulink oder C/C++. Projekte und Abschlussarbeiten in den folgenden Bereichen werden angeboten:

Scientific Machine Learning mittels Neural ODE und Universal ODE,
Optimal Steuerung und Modellprädiktive Regelung mit CasADi oder JuMP und
Diskretisierte thermische Probleme als hochdimensionale Systeme.

Hardwarenahe Entwicklung

Wir arbeiten an der Transformation von proprietärer Hard- und Software hin zu freien und offenen Lösungen wie beispielsweise Raspberry Pi oder Arduino. Die von uns angeboteten Projekte beinhalten alle Bereiche der Regelungs- und Systemtechnik wie

der Entwurf und Aufbau von Hardware
die Modellierung und Systemidentifikation von Anlagen und
die Implementierung von Regelungen und Benutzerschnittstellen.

Dafür bieten wir die folgenden Experimente als grundlegende Hardware an:

elektrische und mechanische Oszillatoren
hydraulische Modelle (Wassertank, Krängungsregelung) und
inverse Pendel.

Downloads

Available topics for theses and projects - Simulation and Control of Heat Problems (PDF, 52.65 KB)

Topics for theses and projects in the field of control engineering, modeling and simulation.

Im Embedded Control Seminar und Praktikum untersuchen Studierende ein Thema der aktuellen Forschung oder Entwicklung in der Regelungstechnik, implementieren ein Anwendungsbeispiel mittels Simulationswerkzeugen, passen die Methode für den Einsatz in eingebetteten Systemen an und präsentieren die Ergebnisse vor Publikum. Es werden Themen aus allen Bereichen der Regelungstechnik angeboten, wie der Optimalsteuerung, Nichtlineare Regelung oder Regelung mittels Maschinellem Lernen und aus verwandten Gebieten wie der Mathematischen Optimierung, Numerischen Mathematik oder Informatik.

Themen
A	Simulation and Control of Bouncing Ball Solving the Brachistochrone Problem by Optimization Optimization Using the NLopt Library
B	Observer Design for a Cascaded RC Circuit Feedforward and Feedback Control for Cascaded RLC Circuits Pole Placement and LQ Regulation for MIMO Electrical Circuits ML-Based Control Design for Nonlinear Electrical Circuits In-Domain Control Design of 1D Heat Conduction

Präsentationen
Freitag, 20.01.2022	Extended and Unscented Kalman Filter as Nonlinear Observer Replacing Simulink Model Components by C Functions Replacing Simulink Model by C Model
Freitag, 27.01.2022	Solving the Brachistochrone Problem by Optimization Construction and Simulation of Cascaded Circuits as 2-Port Networks Optimization-based Control for Cascaded RLC Circuits Sliding-mode Control for Nonlinear RC and RLC Circuits

Auswahl früherer Themen
Modeling and Control of Cascaded RLC Circuits Convex Optimization, Automatic Differentiation H-infinity control Ensemble, Extended und Unscented Kalman-Filter LQG control: Kalman filter as observer Noise driven systems: Wiener process Data driven modeling: Time series, autoregressive, moving-average Data-Driven Control: Dynamic Mode Decomposition and Koopman Theory Neural Ordinary Differential Equations Port-Hamiltonian Systems

Wir bieten Lehrveranstaltungen im Bereich der Regelungstechnik und der Eingebetteten Systeme an.

Liste der Lehrveranstaltungen

Microcontroller	Winter / Sommer	Vorlesung und Praktikum	Moodle course
Regelungstechnik	Winter / Sommer	Vorlesung und Praktikum	Moodle course
Advanced Control Systems: Digital Control	nur Sommer	Vorlesung und Praktikum	Moodle course
Embedded Control	nur Winter	Seminar und Praktikum	Moodle course
Embedded GUI	nur Sommer	Vorlesung und Praktikum	Moodle course
Numerical Methods			Moodle course
Tutorium Regelungstechnik (optional)	Winter / Sommer		Moodle course

Regelungstechnik

Diese Veranstaltung bietet eine Einführung in lineare dynamische Systeme im kontinuierlichen und diskreten Zeit- und Frequenzbereich. Behandelt werden die Modellierung gewöhnlicher Differentialgleichungen und Übertragungsfunktionen, und der Entwurf von Regelungen mittels heuristischen, algebraischen und graphischen Methoden.

Inhalt

Modellierung dynamischer Systeme im Zeit- und Frequenzbereich
- Laplace-Transformation
- Übertragungsfunktionen
- Blockschaltbilder
Analyse von offenen und geschlossenen linearen Regelungsstrecken
- Proportionales, integrales und differentielles (PID) Verhalten
- Bounded-input-bounded-output (BIBO) Stabilität
- Bode- und Nyquist-Diagramme
Regelungsentwurf mittels algebraischer, graphischer und heuristischer Methoden
- Routh-Hurwitz-Kriterium
- Nyquist-Kriterium
- Entwurf von Wurzelortskurven
- Die Methoden von Ziegler-Nichols und Naslin
Digitale Regelungssysteme im Frequenzbereich
- Z-Transformation
- Zero-Order Hold
- Bilineare Transformation (Tustin-Methode)
- Jurys Stabilitätskriterium
- Dead-beat-Regler

Advanced Control Systems

Moderne komplexe dynamische Systeme werden im Zeitbereich modelliert, simuliert und gesteuert wie in dieser Veranstaltung präsentiert wird. Insbesondere werden gängige Methoden im Zustandsraum zur Analyse und Steuerung linearer zeit-invarianter Systeme diskutiert. Darüber hinaus wird die Modellierung und Steuerung nichtlinearer Systeme eingeführt.

Inhalt

Modellierung dynamischer Systeme im Zustandsraum
- Laplace-Transformation
- Eigenwerte und Eigenvektoren
- Stabilität von linearen zeit-invarianten Systemen
Entwurf rückgekoppelter Systeme
- Steuerbarkeit
- Zustandsrückführung
- Ackermanns Methode
- MIMO Systeme mittels Eigenwertzerlegung
Entwurf von Zustandsbeobachtern
- Beobachtbarkeit
- Zustandsbeobachter nach Luenberger
- Separation von Regler und Beobachter
Einführung in die Optimalsteuerung
- Linear-Quadratische Regelung
Nichtlineare Systeme und Methoden der Diskretisierung
- Zero-Order Hold
- Lyapunov Stabilität
- Van-der-Pol Oszillator
Einführung in nichtlineare Regelungssysteme
- Sliding-Mode Regelung
- Nichtlineare Modellprädiktive Regelung

Downloads

MATLAB-Einführung (PDF, 604.53 KB)

MATLAB-Einführung Skript

V1 Frequenzgang und Übergangsfunktion (PDF, 238.19 KB)

V1 Frequenzgang und Übergangsfunktion Skript

V2 Drehzahl- und Winkellageregelung (PDF, 629.09 KB)

V2 Drehzahl- und Winkellageregelung Skript

V3 Wurzelortskurven (PDF, 604.6 KB)

V3 Wurzelortskurven Skript

V4 Heizungsregelung (PDF, 204.62 KB)

V4 Heizungsregelung Skript

Kontakt & Personen

Allgemeine Kontaktinformationen

Telefon	+49-751-501-9634
Raum	H240
Besuchsadresse	Gebäude H (Hauptgebäude) Doggenriedstraße 70 88250 Weingarten
Postadresse	RWU Hochschule Ravensburg-Weingarten University of Applied Sciences Regelungs- und Prozesstechnik Postfach 30 22 D 88216 Weingarten