Alles mit System

Dynamische Systeme: Reduktion, Optimierung und Regelung

Die Welt ist in komplexen Systemen organisiert. Wir reduzieren ihre Komplexität und optimieren ihre Steuerung, indem wir Modelle vereinfachen und Kommunikationsinfrastrukturen entwerfen.

 (c) David Ausserhofer
Aus der Regelungstechnik: die Steuerung zweier Roboter (Foto: David Ausserhofer).

Die Ordnung im Chaos

Wer einen Termitenhügel beobachtet, vermag erst auf den zweiten Blick in dem vermeintlichen Gewimmel ein planvolles Miteinander zu erkennen. So wie sich Termiten untereinander über Klopfzeichen oder Düfte verständigen, gelingt es auch anderen autonomen Agenten komplexe Verbindungen aufzubauen und sich dezentral auf wechselnde Umweltbedingungen einzustellen. Das Ziel der autonomen Agenten – von der Bakterie über den Schwarmroboter bis hin zu intelligenten Stromnetzen und integrierten Werksanlagen – ist, einer bestimmten Aufgabe nachzugehen.

Im Projektnetzwerk 3 untersuchen Forscherinnen und Forscher, wie genau die komplexen räumlichen Verbindungen dynamischer Systeme aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften funktionieren. Für heterogen verteilte und komplexe Verbindungen innerhalb solcher Systeme werden dabei Frameworks zur Modellierung, zur Analyse und zum Entwurf von Kontrollfunktionen nötig. Solche Frameworks entwickeln wir in Projektnetzwerk 3.

Dynamische Feedbackkontrolle

Unser besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Synthese einer strukturierten dynamischen Feedbackkontrolle. Sie optimiert das Netzwerk, das jeweils angesteuert wird. Außerdem macht die dynamische Feedbackkontrolle das Netzwerk robuster. Wir designen Steuerungselemente und Kommunikationsinfrastrukturen. Die hierzu gewonnenen Forschungsergebnisse erlauben es den untersuchten Systemen, auf nachteilige Umstände oder veränderliche Netzwerkinfrastrukturen zu reagieren – und diese zu bewältigen. So können wir die Anpassungsfähigkeit der untersuchten Systeme stark verbessern. In weiteren Forschungsarbeiten setzen wir auch die praktische Implementierung der Systeme um.

Werkzeuge zur Modellreduktion

Darüber hinaus ist es wichtig für uns, neue Werkzeuge für eine strukturierte Modellreduktion zu entwickeln. Solche Werkzeuge benötigen wir, um die Netzwerke komplexer Systeme überhaupt effizient simulieren zu können und anschließend ein optimiertes Design der verteilten Steuerungsstrukturen entwerfen zu können. Ganz besonders wollen wir Modelle für Teilkomponenten beziehungsweise die gesamte Verbindungstopologie reduzieren oder neu designen. In beiden Fällen wollen wir zukünftig eine Fehlerquantifizierung herleiten, um die globale Leistungsfähigkeit oder aber Genauigkeit des Systems abzuschätzen.

Grundlegende Ziele

  • Die Entwicklung leistungsstarker Methoden und Werkzeuge für eine strukturierte Modellreduktion bei gekoppelten oder verteilten Systemen.
  • Das systematische Weiterverfolgen von Ansätzen, die die verteilte Steuerung und Kontrolle interagierender heterogener Systeme optimieren.
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Die Projekte im Projektnetzwerk 2 im Überblick:

3-1
Eine geometrische Annäherung an die dezentrale Regelung heterogen vernetzter Systeme
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Frank Allgöwer
Mitarbeiter: Georg Seyboth
Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik

3-2
Verteilte Steuerung vernetzter Systeme mittels konvexer Optimierung
Projektleitung: Prof. Dr. Carsten Scherer
Mitarbeiter: Tobias Holicki
Institut für Mathematische Methoden in den Ingenieurwissenschaften

3-3
Von Bakterienpopulationen lernen: Verteilte Steuerung der Formation mobiler Schwarmroboter
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Peter Eberhard
Mitarbeiter: Dr.-Ing. Qirong Tong
Institut für Technische und Numerische Mechanik

3-4
Lässt sich aus separat reduzierten Teilsystemen eine optimale Beschreibung des globalen Verhaltens ableiten?
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Peter Eberhard
Mitarbeiter: Nicolai Wengert
Institut für Technische und Numerische Mechanik

3-5
Feedback-Regelung parametrischer PDEs mit Reduzierten-Basis-Ersatzmodellen
Projektleitung: Prof. Dr. Bernard Haasdonk
Mitarbeiter: Andreas Schmidt
Institut für Angewandte Analysis und Numerische Simulation

3-6
Identifizierung und Modellierung stellungsabhängig dynamischen Verhaltens der Strukturen großer Werkzeugmaschinenstrukturen unter Berücksichtung der maschinellen Bearbeitungsprozesse
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl
Mitarbeiter: Stefanie Apprich
Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen

3-7
Verbesserte Seil-Modellierungen für die Kinematik und Dynamik von Leichtbaurobotern
Projektleitung: JP Dr.-Ing. Andreas Pott
Mitarbeiter: Philipp Tempel
Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen

3-8
Elastische Mehrkörperdynamik von Menschen in der Fahrzeugsicherheit
Projektleitung: JP Dr.-Ing. Jörg Fehr
Mitarbeiter: Christian Kleinbach
Institut für Technische und Numerische Mechanik

3-9 (abgeschlossen)
Kooperatives Verhalten autonomer Agenten
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Frank Allgöwer
Mitarbeiter: Matthias Müller
Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik

3-10
Fehlerkontrollierte nichtlineare Modellreduktionsmethoden für Crashsimulationen
Projektleitung: JP Dr.-Ing. Jörg Fehr
Mitarbeiter: Dennis Grunert
Institut für Technische und Numerische Mechanik

3-11 (abgeschlossen)
Modellbasierte Identifikation und aktive Unterdrückung statischer oder dynamischer Abweichungen in Höchstleistungsoptiken bei mechanischen und optimischen Simulationen
Projektkoordinator: Prof. Dr. Wolfgang Osten
Mitarbeiter: Holger Gilbergs
Institut für Technische Optik

  • Ingenieurwissenschaften
  • Mathematik

Koordinatoren PN 3

Dieses Bild zeigt Allgöwer
Prof. Dr.-Ing.

Frank Allgöwer

Leiter Graduiertenschule, Koordinator Projektnetzwerk 3, Koordinator Research Area C

Dieses Bild zeigt Haasdonk
Prof. Dr.

Bernard Haasdonk

Koordinator Projektnetzwerk 3