Mechatronik & Robotik

Zahlreiche Anwendungen von Methoden der Regelungs- und Automatisierungstechnik ergeben sich im Bereich der Mechatronik und Robotik. Insbesondere die hochdynamische nichtlineare Regelung solcher Systeme erfordert innovative Konzepte im Hinblick auf eine echtzeitfähige Realisierung. Dabei finden unter anderem intelligente Verfahren zur Modellgewinnung Anwendung.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Knut Graichen
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Mechatronik

Die Mechatronik stellt die Verbindung der klassischen Ingenieursdisziplinen Mechanik und Elektrotechnik dar. Ein mechatronisches System setzt sich folglich aus mechanischen und elektrischen Subsystemen zusammen. Um die Performance des Gesamtsystems weiter zu steigern ist es von essenzieller Bedeutung die einzelnen Komponenten gemeinsam zu betrachten und zu modellieren. Synchronmaschinen und Lastschaltgetriebe sind Beispiele solcher Systeme, die am Institut untersucht werden.

Permanenterregte Synchronmaschinen gewinnen in der modernen Antriebstechnik zunehmend an Bedeutung. Sie werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der hohen Drehmomentdichte sowohl in der Industrie als auch im Automotive-Bereich eingesetzt. Die hochperformante Regelung dieser Maschinen erfordert neben einem energieoptimalen Betrieb auch die Einhaltung einer Vielzahl von nichtlinearen Zustands- und Eingangsbeschränkungen.

Doppelkupplungsgetriebe werden wegen Ihrer höheren Effizienz und Schaltkomfort gegenüber konventionellen Getrieben immer mehr eingesetzt. Diese Vorteile werden durch einen deutlich komplizierteren Schaltvorgang erkauft, der sich ohne moderne regelungstechnische Verfahren nur schwer handhaben lässt. Diese Verfahren ermöglichen es Eingangsbeschränkungen in Form von Drehmomenten und Zustandsbeschränkungen in Form von Wellendrehzahlen direkt zu berücksichtigen und somit den Applikationsaufwand deutlich zu reduzieren.

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, werden am Institut modellprädiktive Regelstrategien für die genannten Systeme entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Echzeitfähigkeit der Verfahren, da die Abtastzeit typischerweise im (Sub-)Millisekundenbereich liegt und die zur Verfügung stehende Rechenkapazität, insbesondere auf Steuergeräten, sehr beschränkt ist. Neben den Nichlinearitäten der Modelle werden dabei auch verschiedene Sensorkonzepte betrachtet

Elektromotorenprüfstand

 

 

Robotik & Bionik

Die Robotik stellt eines der größten Anwendungsfelder von regelungstechnischen Methoden dar. Bis vor wenigen Jahren wurden Roboter in der Industrie hauptsächlich zur Automatisierung von Arbeitsabläufen eingesetzt, bei denen Geschwindigkeit und Genauigkeit im Vordergrund standen. Demgegenüber dringen sie nun auch zunehmend in Domänen vor, die bisher dem Menschen vorbehalten waren. Moderne Roboter mähen den Rasen, übernehmen Aufgaben in der Pflege von alten und kranken Menschen und assistieren Arbeitern in der Fabrikhalle ohne Trennung durch einen Schutzzaun.

Die zahlreichen Herausforderungen, die sich daraus ergeben, verlangen nach neuen Ansätzen und Methoden, die neben der eigentlichen Aufgabe stets auch die Sicherheit des Menschen im Blick haben. Forschungsprojekte am Institut beschäftigen sich beispielsweise mit der kollisionsfreien Bewegungsplanung von Robotern. Als Teil des Bionic Learning Network von Festo wurde ein hüpfendens Känguru (BionicKangaroo) mitentwickelt und ein kooperativer Lasttransport von Ameisen (BionicAnts) realisiert.

Kollisionsfreie Bewegungsplanung

Verbrennungsmotoren

In der Vergangenheit war die Entwicklung von Verbrennungsmotoren von dem Wunsch nach einem bestmöglichen Wirkungsgrad getrieben. Heute nimmt die Einhaltung zunehmend restriktiver werdender Emissionsziele maßgeblichen Einfluss auf die Entwicklung von Motoren. Der sich ergebende Motoraufbau ist daher inzwischen sehr komplex und besitzt viele regelungstechnische Freiheitsgrade. Insbesondere das hochgradig nichtlineare Verhalten des Verbrennungsprozesses erschwert dabei zunehmend die Regelung mit klassischen Regelungskonzepten.

Stattdessen bietet sich auch hier eine modellprädiktive Regelung (MPC) an, da sich die Regelziele als beschränktes Optimierungsproblem formulieren lassen. Allerdings ist dessen Lösung unter Verwendung adäquater Motormodelle mit einem nicht unerheblichen Rechenaufwand verbunden. Eine große Hürde stellt daher die begrenzte Rechenleistung von Motorsteuergeräten dar, die sich unter Verwendung von suboptimalen MPC Ansätzen bewältigen lässt.

Da sich die MPC maßgeblich auf Modelle stützt, muss beispielsweise trotz Alterungserscheinungen eine hohe Modellgüte sichergestellt werden. Intelligente Verfahren, die bereits in vielen Bereichen Anwendung finden, können hierzu genutzt werden. Dadurch können der MPC zur Laufzeit stets geeignete Motormodelle nachgeführt werden.

V12-Verbrennungsmotor