Daniel Wintersteiger und Georg Hirn: Iterativ Learning Control anhand eines Hydraulikliftmodells, 2012
Abstract: Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich einerseits mit der Modellbildung eines institutseigenen Hydraulikliftes und andererseits mit der Implementierung lernender Reglermethoden - sogenannte iterativ lernende Regler.
Zu Beginn wird auf Aufzüge allgemein eingegangen, gefolgt von einer Beschreibung der Reglermethoden. Darauffolgend wird anhand eines einfachen Beispiels die lernende Regelung mit einer Standardregelmethode - dem Proportional Integral Differential Regler - und auch in Verbindung mit Rauschen erläutert. Da bei diesem Regler das Speicherelement das Herzstück bildet, wird auch darauf in den einleitenden Kapiteln eingegangen. Ein großer Teil befasst sich wie eingangs erwähnt mit der Modellbildung, teils physikalisch motiviert, teils mittels Identifizierung und endet mit der Verknüpfung der verschiedenen Arten. Das eigentliche Kernstück ist die Implementierung der lernenden Regelung am Hydrauliklift.
Abschließend werden noch einmal die Ergebnisse der Modellbildung und der Reglerimplementierung zusammengefasst und ein Ausblick gegeben.
Peter Ebetshuber:Regelung und Identifikation eines Hydraulikventils, 2012, Präsentation
Abstract: Die vorliegende Bachelorarbeit behandelt das Problem der Druckregelung in einem Hydraulikzylinder mit vorgeschaltetem Ventil. In diesem Hydrauliksystem kann der Druck am Zylinder durch Vorgabe des Volumenstromes direkt eingestellt werden. Ziel der Arbeit ist es, eine solche Druckregelung für das Ventil” auffahren“ am Hydrauliklift des Institutes zu implementieren. Bei dem Ventil handelt es sich um ein hydraulisch betätigtes Ventil aus Eigenkonstruktion. Die Ansteuerung des Hilfsventils erfolgt über eine dSpace Auto Box, welche es, in Kombination mit dem Control Desk Programm, bequem ermöglicht, MatLab/SimuLink -Modelle direkt auf die dSpace-Karte zu laden.
Anhand einer ersten Analyse ergibt sich eine ausgeprägte Totzeit und Nichtlinearität. Generell weichen Druckauf- und -abbau stark voneinander ab. Für das Ziel der Druckregelung und Kompensation der Totzeit ist es notwendig, ein Modell des Ventils zu erstellen. Dieses Modell wird als Gray-Box-Modell implementiert, um das unterschiedliche Verhalten besser nachbilden zu können.
Die abschließende Validation des Modells erfolgt mit Messdaten des Ventils. Anschließend wird es für die Auslegung des Druckreglers verwendet. Dabei handelt es sich um einen sogenannten Smith-Prädiktor, welcher in Kombination mit einem PID-Regelglied die Totzeit kompensiert und die Druckvorgaben umsetzt. In weiterer Folge wird der Smith-Prädiktor mit einem einfachen PID-Regelkreis verglichen und die Auswirkung von Model-Plant-Mismatch am Beispiel Smith-Prädiktor untersucht.
Andreas Schaufler:Modellbildung der Nahrungsaufnahme, 2012
Abstract: Ziel dieser Bachelorarbeit war es ein Simulationsmodell in Simulink zu erstellen indem die aufgenommenen Nährstoffe (Eiweiß, Kohlenhydrate und Fett) die Eingangsgrößen sind und die Glucosekonzentration im Blut die Ausgangsgröße darstellt. Als Grundlage dazu dienten 2 bereits bestehende mathematische Modelle die miteinander verknüpft werden sollten. Beim ersten Modell wurden bisher nur die aufgenommenen Kohlenhydrate berücksichtigt.
Da aber auch Fette und Proteine einen maßgeblichen Einfluss auf die Glucosekonzentration im Blut haben wurde dieser Einfluss teilweise in einem zweiten bestehenden Modell beschrieben. Ein Simulationsmodell eines Glukose-Insulin Systems kann sehr nützlich sein, für die Auslegung und Auswertung von Sensoren, für die Bestimmung von Insulin Infusions Algorithmen und bei der Festlegung von Entscheidungsunterstützungssystemen für die Vorbehandlung von Diabetes. Speziell für den Typ 1 Diabetiker.
Sebastian Hahn und Dominik Moser: Induzierdruck-basierte Regelung eines aufgeladenen Dieselmotors, 2012
Abstract: Diese Bachelorarbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem _Institute for Design and Control of Mechatronical Systems der Johannes Kepler Universität - Linz erstellt. Sie behandelt die Entwicklung einer Regelungsmethode für einen Dieselmotor auf Basis des Indizierdruckes im Brennraum. Die Idee dahinter ist, dass im Zylinderdruckverlauf die relevante Information enthalten ist, welche man zur Berechnung des abgegebenen Motormoments und den NOX Emissionen benötigt. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich bestimmte Zumessgröÿen (Einspritzmenge und Einspritzwinkel der Haupteinspritzung) auf den Zylinderdruck auswirken und ob sich Modelle bilden lassen, die sich dann in weiterer Folge zur Regelung des Dieselmotors eignen. Die Stellgröÿen werden über ein dSpace-System direkt in das Steuergerät des Motors übertragen und dort zur Online-Regelung direkt am Motor appliziert. Aufgrund der Komplexität eines Dieselmotors gestaltet es sich schwierig, genaue und zuverlässige mathematische Modelle aufzustellen. In dieser Arbeit wird dafür mit paramtrischen Methoden gearbeitet, basierend auf den Grundlagen der Modellidenti_kation nach der Least-Squares Methode. Die dazu verwendeten Parameter sind die sogenannten Features, die sich aus der Singuläwertzerlegung von Druckverläufen berechnen lassen. Zudem befasst sich diese Arbeit mit der Erfassung und Auswertung der Messdaten vom Motorprüfstand am Institut. Das Ergebnis zeigt, dass die Regelung verschiedener Gröÿen über den Induzierdruck realisierbar ist.
Philipp Polterauer:Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), Simulationsstudie, 2012
Abstract: Bei dieser Bachelorarbeit handelt es sich um eine Simulationsstudie, in welcher ein Nonlinear Model Predictive Control (NMPC)-Algorithmus implementiert worden ist, dieser formuliert – auf Basis einer Linearisierung um eine Trajektorie – das Optimierungsproblem als Quadratic Programming (QP)-Problem.
Zusätzlich zum NMPC-Algorithmus wurden noch zwei Vorstufen dokumentiert, welche auf dem Weg zum funktionierenden Regler implementiert wurden. Um eine Referenz für die Regelgüte des Algorithmus zu haben, wurde sich mit einem bestehenden Toolkit namens ACADO[AHFL], welches unter anderem für NMPC entwickelt wurde, auseinandergesetzt. Dieses wurde innerhalb der Simulink R Toolbox von MATLABR implementiert und eine Regelung damit aufgesetzt.
Beide NMPC Varianten wurden abschließend anhand eines nichtlinearen Modells einer permanent erregten Synchron Maschine (PMSM) miteinander verglichen und die Vor- und Nachteile beziehungsweis.
Stefan Gadringer:Modellbasierter Entwurf einer Drehzahl- / Phasenregelung für einen elektromechanischen Stellantrieb, 2012
Abstract: Thema dieser Bachelorarbeit ist der Entwurf einer modellbasierten Drehzahl- und Phasenregelung für einen elektromechanischen Stellantrieb. Als Erstes wird dafür ein mathematisches Modell der permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) erstellt. Danach folgt die Standardmethode zur Drehzahl- und Momentenregelung von Asynchron- und Synchronmaschinen.
Bei der feldorientierten Regelung werden die Ständerströme nicht einzeln geregelt, sondern sie werden mit Hilfe der Clarke & Park - Transformation in ein rotorfestes dq- Koordinatensystem transformiert und anschlieend dort geregelt. Dabei wird die d-Achse mit dem Fluss und die q-Achse mit dem Moment assoziiert. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass die elektrischen Größen im Stationärfall konstant sind.
Die Phase kann mit Hilfe einer kaskadierten Regelungsstruktur geregelt werden. In dieser Struktur wird für die Drehzahl und die Ströme je ein unterlagerter Regelkreis benötigt. Dabei dient die Ausgangsgöße des Phasenreglers, also des Äuersten Regelkreises, als Eingangsgröße für den Drehzahlregler, welcher dem nächst inneren Kreis entspricht. Der Ausgang des Drehzahlreglers wird dann abschlieend als Eingang für einen Stromregler genutzt.
Für die Regelung der einzelnen Größen werden zwei PID - Regler mit Anti - Windup Mechanismen verwendet. Sie werden diskret implementiert, damit sie auch in einem diskreten Echtzeitsystem eingesetzt werden können.
Zum Schluss dieser Bachelorarbeit wird die feldorientierte Regelung am Simulinkmodell validiert. Die Optimierung der Reglerparameter erfolgt bei der verwendeten kaskadierten Struktur von innen nach außen.
Peter Ebetshuber: Regelung und Identifikation eines Hydraulikventils, 2012
Abstract: Um die Beschleunigung eines Hydraulikzylinders möglichst genau vorgeben zu können ist es notwendig den Druck im Zylinder mit einem Regelventil einzustellen. Es soll ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen Vorgabe und sich einstellenden Druck ohne zeitliche Verzögerung hergestellt werden.
Ziel der Arbeit ist eine solche Druckregelung am Hydrauliklift des Institutes zu implementieren. Dazu wurden Messdaten aufgenommen und ein datenbasiertes Simulationsmodell des Ventils erstellt. Dieses Modell kann nun zum Testen verschiedener Regler verwendet werden. Dabei sollen die, teils erhebliche, Totzeit und Nichtlinearitäten kompensiert werden. Am Ende wird ein Funktionsnachweis der Regelung am Labormodell erbracht.
Josef Blumenschein und Patrick Schrangl: Modeling of a Dynamic Engine Test Bench,2012 Präsentation
Abstract: Internal combustion engine test benches allow to simulate the operation of an engine under various conditions and are essential in engine development in automotive industry. Models of such test benches are often used in the design and improvement of the quality of test bench controls and to simulate their behavior. Therefore, the paper summarizes a modeling procedure based on a simple model structure. In particular, the individual components of a test bench are described and their models are combined. A torque observer is used to compensate the lack of torque measurements. Finally, a model for a test bench equipped with a heavy duty engine is determined and validated with measurements.
Hannes Rohrweck: Dynamische Radialkraftregelung für einen Lagerprüfstand, 2012 Präsentation
Abstract: The aim of this bachelor thesis is to analyse and model the structure of a bearing test rig as well as to develop different control methods, such as PID, LQR and state space based controllers with diverse state observers (Kalman filter, extended Kalman filter and Luenberger estimator). The test rig basically consists of two main parts: the hydraulic differential cylinder and a hydraulic 4/3 servo valve. The model is found by nonlinear identification of a parameterised physical model (grey box modelling). Identification, controller design and observer calculation is done by means of The MathWorks MATLAB/Simulink. The implementation is programmed with National Instruments LabVIEW System Design Software on a National Instruments CompactRIO 9024 Real-Time - Controller (FPGA-Part included).
Maximilian Partl: Regelung der Insulineinspritzung bei Diabetes-Patienten mit Hilfe Insulin-on-boar, 2012
Abstract: Glukose ist unsere wichtigste Energiequelle. Sie gelangt über die Kohlenhydrate aus der Nahrung in unseren Körper. Bei einem gesunden Menschen entdecken die -Zellen in der Pankreas (Bauchspeicheldrüse) den Anstieg der Blutglukosekonzentration. Daraufhin wird von diesen -Zellen das Hormon Insulin ausgeschüttet, das die Aufnahme von Glukose in der Leber und den Muskeln fördert.
Diabetes Mellitus ist der medizinische Begriff für Krankheiten, die durch erhöhte Werte von Glukose im Blut charakterisiert sind. Aus diesem Grund benötigt ein Diabetes-Patient exogenes Insulin um den Blutzuckerspiegel auf einem konstanten Level (Normoglykämie) zu halten. Die kurzzeitig große Gefahr bei der Verabreichung von Insulin ist, dass bei Einspritzung von einer zu hohen Dosis Insulin die Blutglukose in den hypoglykämischen Bereich von unter 60 mg/dl fällt. In diesem Bereich sind Gehirnfunktionen beeinträchtigt und bei zu lang andauernder Hypoglykämie kann dies sogar bis zum Tod führen. Bei einem über längeren Zeitraum anhaltenden, zu hohem Blutzuckergehalt (Hyperglykämie) von über 180 mg/dl können Langzeitfolgen auftreten.
Diese Gefahren zeigen, dass eine gute Regelung für die Verabreichung von Insulin unbedingt notwendig ist. Die Schwierigkeit dieser Regelung besteht darin, dass ein großer Unterschied zwischen dem Modell des Reglers und dem echten Menschen auftreten kann, das wiederum zu einem erhöhten Insulinbolus und zu Hypoglykämie führen kann. Eine neue Art, diesem Problem entgegenzuwirken, ist die Regelstrategie mit Insulin-on-board (IOB) gemeinsam mit klinischen Parametern wie der Insulin-zu-Kohlenhydrat-Faktor (I:C) und dem Korrekturfaktor (CF), welche die Insulinverabreichung beschränken sollen.
Die Auswirkung dieser IOB-Regelstrategie wird in dieser Arbeit mithilfe eines Modell Prädiktiven Reglers (MPC) überprüft. Dabei wird vom Dalla Man Modell ausgegangen, welches einen Type 1 Diabetes Mellitus-Patienten beschreibt, und in weiterer Folge in MATLAB und Simulink um einen MPC erweitert. Dabei wird in einem Szenario die IOB-Beschränkung in einen MPC integriert und mit dem anderen Szenario, welche die IOB-Beschränkung nicht vorsieht, verglichen. Die Regler wurden einerseits mit Hilfe der MATLAB MPC Toolbox und andererseits mit der Online Linear Model Predictive Control Toolbox des Instituts für Design und Regelung mechatronischer Systeme der Johannes Kepler Universität Linz erstellt.
Zu Beginn der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen bezüglich Type 1 Diabetes Mellitus (T1DM), sowie eines Modell Prädiktiven Reglers (MPC) besprochen. Anschließend wird die Ermittlung der Insulin-Action-Kurve, die für die Insulin-on-board-Berechnung essentiell ist, dargeboten. Darauffolgend wird das Zustandekommen der I:C und CF-Faktoren und die Berechnung des Insulin-on-boards und der schlussendlichen Beschränkung der maximalen Insulineinspritzrate beschrieben. Im letzten Bereich dieser Arbeit werden vorerst die MPC-Regler mit und ohne IOB-Beschränkung entworfen und anschließend ihre Performance gegenübergestellt.
Michael Schachinger: H-inf-Reglerentwurf am 2DOF-Helikoptermodell, 2012
Abstract: Einer der großen Vorteile des H-inf-Reglerentwurfs besteht darin, dass bereits im Vorfeld der Auslegung verschiedenste Modellunsicherheiten berücksichtigt werden können. Aufgrund dieser Tatsache wird in der folgenden Arbeit demonstriert, wie man mit Hilfe des H-inf-Entwurfs einen Mehrgrößenregler für ein Helikoptermodell, welches über zwei Freiheitsgrade verfügt, auslegen kann.
Da in Matlab bereits Funktionen für die Lösung solcher Probleme vorhanden sind, wird im ersten Schritt der Regler mittels der Robust Control Toolbox ausgelegt. Um anschließend einen besseren Einblick in das Entwurfsschema zu erhalten, wird die Auslegung mit Hilfe von linearen Matrix-Ungleichungen selbst implementiert. Dazu wird das Erweiterungspaket Yalmip mit dem Solver SeDuMi verwendet.
Um die Funktion des Reglers zu demonstrieren sind einerseits die zugehörigen Simulationsresultate, sowie die Testresultate an der realen Strecke angeführt.