Volume 49, Issue 9 - 9

Der Beitrag eröffnet eine neue Artikelreihe in der Rubrik „Theorie für den Anwender”, die „Modellierungsmethoden aus der Informatik” zum Thema hat. Das Ziel der Reihe ist es, die wichtigsten Vertreter dieser Methoden in der Automatisierungstechnik bekannter zu machen und ihr Potential zur Unterstützung eines systematischen Entwurfs von Automatisierungssystemen zu verdeutlichen. Der vorliegende Beitrag dient zur Einführung in die Reihe. Er beginnt mit einer Gegenüberstellung der unterschiedlichen Bedeutungen des Begriffs Modellierung in der Informatik und in der Regelungstechnik als der in dieser Hinsicht prägenden Teildisziplin der Automatisierungstechnik. Es werden allgemeine Modellierungsaspekte beleuchtet, zum Beispiel unterschiedliche Ansätze zur Synchronisation verteilter Systemkomponenten. Es folgt ein Ausblick auf die in den kommenden Beiträgen der Reihe behandelten Modellierungsansätze. Schlie{ss}lich wird ein Illustrationsbeispiel vorgestellt, das als durchgängiges Anwendungsbeispiel dienen wird und dem Leser das Verständnis und die Einordnung der einzelnen Modellierungsmethoden erleichtern soll.

Dieser Artikel ist der erste Teil von drei Beiträgen, die einen Überblick über den Einsatz der Unified Modeling Language in technischen Anwendungen geben. In den Teilen 1 und 2 wird der Hintergrund der UML und die hauptsächlich eingesetzte Kernsprache der UML anhand von Beispielen beschrieben. Darauf aufbauend wird im dritten Teil der Einsatz des UML-Dialekts UML-RT für verteilte Echtzeitanwendungen erörtert. Dieser eignet sich besonders für technische Applikationen.

Der Einsatz von Techniken des Data–Minings und insbesondere der datenbasierten Modellierung hat im Bereich der Automatisierungstechnik in den letzten Jahren einen regelrechten Boom erfahren. Die Gründe hierfür sind zum einen das Bedürfnis der Anwender nach Modellen für immer komplexere Systeme. Zum anderen ergeben sich aufgrund leistungsfähigerer Rechnersysteme und der Entwicklung neuer Methoden, besonders aus dem Bereich der Computational Intelligence, vielfältige Möglichkeiten, auch solche Probleme zu lösen, für die herkömmliche Lösungsansätze bisher nicht erfolgreich waren. Aus Akzeptanzgründen werden in der industriellen Praxis häufig interpretierbare Modelle gefordert. Zudem weisen sie den Vorteil auf, dass mit ihnen vorhandenes Wissen integriert und in datenbasierten Ansätzen neues Wissen extrahiert werden kann. Ein Verfahren zur datenbasierten Fuzzy–Modellierung, das sich insbesondere dann bewährt hat, wenn kompakte interpretierbare Regelsätze für komplexe Problemstellungen automatisch generiert werden sollen, ist das Fuzzy–ROSA–Verfahren. In diesem Beitrag wird das Fuzzy–ROSA–Verfahren zunächst in seiner jetzigen Form vorgestellt. Dann wird genauer auf jüngste Weiterentwicklungen eingegangen, die zu einem sehr viel breiteren Anwendungsfeld geführt haben. Es wird gezeigt, wie mit neuen Regeltest- und Bewertungsstrategien unterschiedliche Modellierungsziele berücksichtigt und welche Suchraumgrößen aufgrund der Effizienzsteigerung der Regelsuche bearbeitet werden können. Des Weiteren wird die insbesondere aus methodischer Sicht interessante Erweiterung des Fuzzy–ROSA–Verfahrens zur Generierung interpretierbarer Takagi–Sugeno–Systeme mit hoher Modellierungsgüte ausführlich vorgestellt.

Die Erdgasversorgung wird durch ein weitverzweigtes Netzwerk von Pipelines und Verdichtern sichergestellt, wobei häufig mehrere Verdichter auf einer Verdichterstation installiert sind. Das Ziel eines Regelungskonzeptes für Verdichterstationen ist es generell, den Druck am Ende bzw. den Durchfluss durch die Verdichterstation zu regeln. Dabei müssen kritische Betriebssituationen, in denen der Durchfluss durch einen einzelnen Verdichter unter einen kritischen Wert absinkt und dadurch Druckpulsationen, das sogenannte Pumpen, hervorruft, unbedingt verhindert werden. Für diese beiden Aufgaben werden eine Stationsregelung, die die Verdichterdrehzahl modifiziert, und eine Pumpverhütungsregelung, die das Pumpverhütungsventil im Bedarfsfall öffnet, eingesetzt. Zusätzlich existiert eine Abstimmeinrichtung, die ein funktionelles Zusammenwirken der beiden Regler sicherstellt. Im vorliegenden Beitrag werden zunächst konventionelle Regelungsstrategien und deren Beschränkungen beschrieben. Die Analyse führt auf ein vollkommen neues Regelungskonzept, bestehend aus jeweils einem Fuzzy-Regler zur Stations- und Pumpverhütungsregelung sowie einer flexiblen Abstimmeinrichtung. Die Konzepte wurden anhand zahlreicher Simulationen getestet und ihre Wirksamkeit nachgewiesen. Einige dieser Ergebnisse sind in diesem Beitrag dargestellt. Sie zeigen die Vorteile des neuen Konzeptes, das neben einer deutlich verbesserten Stationsregelung kritische Betriebssituationen absolut sicher vermeidet und zusätzlich den bei jeder Maßnahme zur Pumpverhütung unweigerlich auftretenden Energieaufwand verringert. Der Beitrag entstammt einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Ruhrgas AG mit dem Lehrstuhl für Elektrische Steuerung und Regelung der Universität Dortmund. Das erarbeitete Konzept wird derzeit bei der Ruhrgas AG umgesetzt.

Dieser Beitrag stellt eine Softwarebibliothek zur Behandlung verteilter Aufgaben vor. Grundlage hierfür ist die frei verfügbare ACE-Bibliothek (Advanced Communication Environment), die in zwei Punkten erweitert wurde. Zum einen um ein flexibles Botschaftssystem, welches Botschaften beliebig definierbaren Typs über eine ressourcensparende Client-Server-Kommunikation austauscht. Zum anderen wurde sie um eine Modulklasse für Regelung und Automatisierung ergänzt, mit der sich parallel arbeitende funktionale Blöcke realisieren lassen, wie sie zum Beispiel beim Softwaredesign autonomer mobiler Fahrzeuge benötigt werden. Die Klassenbibliothek wurde am autonomen Fahrzeug ARMIN erprobt, das am Lehrstuhl für Regelungstechnik der Universität Erlangen entwickelt wurde.

Im vorliegenden Beitrag wird der Entwurf zeitkontinuierlicher Regler für Regelstrecken mit einer Stellgrößenbeschränkung betrachtet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird zunächst ein bekanntes Entwurfskonzept für eine bestimmte Klasse strukturvariabler Regler zusammengefasst. Anschließend wird dieses Konzept dahingehend erweitert, dass auch mehrdeutige Funktionen hierin verwendet werden dürfen. Den Schwerpunkt dieser Erweiterungen bildet ein Stabilitätssatz, der auf mehrdeutigen Ljapunov-Funktionen basiert. Das erweiterte Entwurfskonzept führt zu Reglern mit einer höheren Regelgüte, während Stabilität des resultierenden Gesamtsystems weiterhin garantiert werden kann. In Verbindung mit einer speziellen Version des Entwurfskonzepts werden die Vorteile anhand eines Anwendungsbeispiels belegt.