Echtzeitbetrachtungen in eingebetteten Regelungssystemen

Eingebettete Systeme kennzeichnen sich unter anderem durch einen optimierten Ressourcenverbrauch, aufgrund weniger rechenstarker Prozessoren, beschränkter Speicherkapazitäten und bandbegrenzten Kommunikationssystemen. Zusammen mit gemeinsam genutzten Ressourcen führt dies durch Interferenzen zwischen Applikationen zu variierenden Antwortzeiten.

Im Systementwurf digitaler Regelungssysteme, bei denen Aktoren, Sensoren und Reglerfunktionalitäten auf vernetzten Recheneinheiten verteilt sind, müssen diese plattformspezifischen zeitlichen Verzögerungen im Regelkreis berücksichtigt werden.
Dabei treten aufgrund eines Nichtdeterminismus neben festen Verzögerungen auch zeitvariable Verzögerungen (Jitter) auf. Solche Regelungssysteme finden ihre Anwendung in Fahrzeugen, in der Luft- und Raumfahrt sowie im Maschinen- und Anlagenbau.

Ein bisher ungelöstes Problem solcher Systeme ist der integrierte Entwurf von Reglerfunktionalität und Reglerplattform. Ferner existieren für die Implementierung verteilter Regelsysteme weder ausreichende Modellierungsmöglichkeit noch Methoden zur Analyse und Synthese.
Ziel der Forschungsarbeiten  ist neben den oben genannten Punkten, die Untersuchung dieser zeitlichen Einflüsse auf Reglerstabilität und Reglerperformance.

Offene studentische Arbeiten

Sensitivitätsanalyse verteilter Regelsysteme

Masterarbeit

Regelapplikationen, bei denen Aktoren, Sensoren und Recheneinheiten Informationen über ein Netzwerk austauschen, nennt man verteilte Regelsysteme. Eine Herausforderung bei dem Entwurf solcher Systeme ist der Einfluss der Plattform auf die Regelgüte. Antwortzeiten von Tasks und Nachrichten verursachen Verzögerungen im Regelkreis, die im allgemeinen destruktive Auswirkungen auf die Regelgüte haben.


Die Annahme, dass die analytisch bestimmbaren schlechtesten Antwortzeiten permanent auftreten, führt zu einer pessimistischen Überschätzung. Daher wurde an dem Institut für Eingebettete Systeme / Echtzeitsysteme das Modell der Verzögerungsdichte entwickelt, dass die Summe der Verzögerungen benachbarter Samples beschreibt.


Ziel dieser Arbeit soll es sein, aus einer Performanzmetrik die maximale Verzögerungsdichte eines Regelkreises abzuleiten. Dazu soll eine MATLAB/Simulink Simulationsumgebung dafür verwendet werden, Impulsantworten eines Regelsysteme systematisch auf die Sensitivität von Verzögerungen an bestimmten Stellen zu untersuchen. Die Erkenntnisse sollen dazu führen, aus einer gegebenen Performanzanforderung eines Regelkreis eine maximale Verzögerungsdichte direkt ableiten zu können.

Nützliche Vorkenntnisse:

Kenntnisse in der Regelungstechnik, sowie Erfahrungen im Umgang mit Matlab/Simulink sind erwünscht.

Ansprechpartner:

Florian Hock

Event-Triggered Control

Masterarbeit

Das Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme beschäftigt sich unter anderem mit den Fragestellung der Einflussnahme von zeitlichen Einschränkungen auf das Systemverhalten von Reglern in verteilten Systemen.
Eine Regelstrategie, in der die zeitlichen Fristen und das Regelverhalten besonders stark ineinander greifen, ist die Ereignisgesteuerte Regelung (Event-Triggered Control).

Ereignisgesteuerte Regelungen versprechen eine effiziente Regelung bei stark reduziertem Rechenaufwand und geringem Verbrauch von Kommunikationsressourcen.
Dem gegenüber stehen eine nicht-periodische Abtastung und ein aufwändigerer Stabilitätsnachweis als bei konventionellen Reglern.

In der Masterarbeit soll mit Hilfe der Matlab Toolbox SimEvents solch ein Regelkreis modelliert und für einen am Institut entwickelten Prüfstand für Elektromotoren ausgelegt werden.
Dabei sollen die simulativen Erkenntnisse auf eine Zielplattform angewandt werden, sowie durch eine geeignete Hardwarebeschaltung eine flexible Ereignisgenerierung ermöglicht werden.

Nützliche Vorkenntnisse:

Kenntnisse in der Regelungstechnik, sowie Erfahrungen im Umgang mit Matlab/Simulink sind erwünscht.

Ansprechpartner:

Florian Hock

Integrierte Reglerplattform

Masterarbeit

In  Industrieanlagen  und  im  automotiven  Umfeld  werden  Regelstrecken zunehmend über Netzwerke und Bussysteme miteinander vernetzt. Diese Verteilung ermöglicht ressourcensparende Systeme und einen flexiblen Einsatz. Bei solchen verteilten Regelsystemen beein-
flussen sich Reglerfunktionalität und Hardwareplattform gegenseitig.


Die Funktionalität des Regelsystems gibt vor, in welchen Zeitintervallen Sollwertberechnungen durchgeführt werden und welche Sensor- und  Aktordaten  als  Nachrichten  verschickt  werden.  Die  Regelplattform beeinflusst die Reglerperformance, indem sich aus ihr Verzögerungen  ableiten,  die  zeitvariante  Totzeiten  im  Regelkreis  darstellen.
Um mit dieser gegenseitige Wechselwirkungen umzugehen, werden in zukünftigen Systemen die  Funktionalität  eines  Regelsystems  und die  verwendete  Regelplattform  in  einem  integrierten  Entwurf  entwickelt. Diese  Integration wird  besonders  im  automotiven  Umfeld  verlangt,  wo  durch  den  Kostendruck  eine  hohe  Auslastung  gefordert wird.


Ein  Ansatz  wäre  es,  aus  den  Kenntnissen  über  das  zu  regelnde  physikalische  System  und  den verwendeten Regelalgorithmen Aussagen über eine Reduktion der Rechenoperationen zu treffen. So wird beispielsweise  bei  der  modellprädiktiven  Regelung  zu  jedem  Abtastschritt  eine  Prädiktion  über  den  zu erwartenden Verlauf der Zustandsgrößen errechnet. Aus der Kenntnis des zu erwartenden Signalverlaufs können Eigenschaften des Zeitverhaltens der Plattformarchitektur abgeleitet werden. Ein Beispiel wäre die Reduktion  der  Stellwertberechnungen,  wenn  zu  erwarten  ist,  dass  sich  Systemzustände  nahe  des Stabilitätspunktes  befinden.  Weniger  Berechnungen  führen  zu  einer  reduzierten  Rechenzeitanforderung und somit zu einem effektiveren Systementwurf.


Im  Rahmen  der  Masterarbeit  soll  anhand  des  Beispielsystems  eines  Verladekrans  untersucht  werden, inwieweit aus der Zustandsprädiktion zeitliche Einschränkungen und Schmutzeffekte zugelassen werden können.  Diese  Erkenntnisse  sollen  dazu  verwendet  werden,  ein  neues  Anregungsmodell  der Berechnungen zu erstellen und dadurch Auswirkungen auf einen Plattformentwurf zu veranschaulichen.
Die Masterarbeit wird in Kooperation des Institutes für Mess-, Regel- und Mikrotechnik und des Institutes für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme durchgeführt.
Voraussetzungen sind gute Kenntnisse der Regelungstechnik sowie Grundlagen der Echtzeitsysteme und der  Optimierung.  Alternativ  wird  der  Besuch  der  Vorlesung  „Methoden  der  Optimierung  und  optimalen Steuerung“ parallel zur Masterarbeit empfohlen.

Ansprechpartner:

Florian Hock

Projektspezifische Publikationen


8.
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Bund, Tobias und Slomka, Frank
Worst-case performance validation of safety-critical control systems with dropped samples
Proceedings of the 23rd International Conference on Real Time and Networks Systems
November 2015
7.
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Bund, Tobias und Slomka, Frank
Sensitivity Analysis of Dropped Samples for Performance-Oriented Controller Design
18th IEEE International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC)
2015
6.
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Bund, Tobias und Slomka, Frank
Controller/Platform Co-Design of Networked Control Systems Based on Density Functions
Fourth Workshop on Design, Modeling and Evaluation of Cyber Physical Systems (CyPhy'14)
April 2014
5.
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Bund, Tobias und Slomka, Frank
A Delay Density Model for Networked Control Systems
Proceedings of the 21th International Conference on Real-Time and Network Systems
Oktober 2013
4.
pdf
Bund, Tobias und Slomka, Frank
A new delay specification for cyber-physical systems development
Third Workshop on Design, Modeling and Evaluation of Cyber Physical Systems (CyPhy'13)
April 2013
3.
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Bund, Tobias; Menhorn, Benjamin und Slomka, Frank
Event Density Analysis for Event Triggered Control Systems
Proceedings of the Design Automation and Test Conference in Europe (DATE)
März 2013
2.
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Bund, Tobias; Moser, Steffen; Kollmann, Steffen und Slomka, Frank
Jitter Considerations for Worst-Case Performance Generation in Digital Controller Design
CPMNS Tagungsband
April 2012
ISBN: 978-3-8396-0398-7
1.
pdf
Bund, Tobias; Moser, Steffen; Kollmann, Steffen und Slomka, Frank
Guaranteed Bounds for the Control Performance Evaluation in Distributed System Architectures
Proceedings of the International Conference on Real-Time and Embedded Systems (RTES)
November 2010
Export als: BibTeX, XML

Projektmitarbeiter

Florian Hock