Entwurf energieeffizienter mechatronischer Systeme durch Kopplung automatischer Steuerungssynthese und Trajektorienplanung

• Antragsteller: Professor Dr. Joel Greenyer; Professor Dr.-Ing. Tobias Johannes Ortmaier, seit 3/2017
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Softwaretechnik und Programmiersprachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281969158

Aufgrund stetig steigender Energiekosten ist die Energieeffizienz mechatronischer Systeme, z. B. in der industriellen Fertigung, ein immer wichtigerer Faktor. Eine Möglichkeit zur Energieeinsparung in Mehrachssystemen ist die Nutzung von rekuperierter Bremsenergie einzelner Achsen zum zeitgleichen Antrieb anderer Achsen des Systems. Viele Mehrachssysteme, z. B. in Produktionsanlagen, erfüllen dafür schon heute die technischen Voraussetzungen - die Herausforderung ist die Entwicklung optimierter Software, die die Abläufe energieeffizient koordiniert. Verfahren zur Planung energieeffizienter Bahnen von Mehrachssystemen sind hierzu bereits von uns entwickelt worden. Energetisch optimale Verfahrprofile für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen einzelner Manipulatoren können unter Berücksichtigung der bewegten Massen, Reibung, etc. berechnet werden. Die bestehenden Verfahren können bereits signifikante Energieeinsparungen erzielen. Bei Anlagen, die mehrere Einzel- und Mehrachssysteme vereinen, kann das Einsparpotential jedoch bisher nicht vollständig ausgeschöpft werden. Der Grund dafür ist, dass eine mögliche Neuanordnung von Bewegungsfolgen auf Ebene der diskreten Steuerung derzeit nicht berücksichtigt wird. Dies würde zu einer Explosion in der Komplexität des Optimierungsproblems führen. Zudem können die komplexen und teils kritischen Anforderungen an die Bewegungsfolgen nicht berücksichtigt werden. In diesem interdisziplinären Forschungsprojekt planen wir daher die Entwicklung einer neuartigen Methode für den Entwurf energieeffizienter, mechatronischer Systeme, welche die Verfahren zur Planung energetisch optimierter Bahnen und ein Verfahren zur automatischen Synthese diskreter Steuerungen koppelt. Diese Methode soll bereits beim Entwurf der diskreten Steuerung ansetzen. Hier müssen Ingenieure alle Anforderungen an die Abläufe des Systems berücksichtigen, sollten dabei jedoch alternative Ablauffolgen nicht unnötig einschränken. Dazu unterstützen wir die Ingenieure durch eine bereits in Vorarbeiten entwickelte Spezifikationsmethode, mit der sie präzise aber dennoch intuitiv in Form von Szenarien beschreiben, was das System tun kann, tun muss oder nicht tun darf. Aus einer solchen Spezifikation können wir algorithmisch gültige Steuerungen synthetisieren. Diesen Ansatz erweitern wir, sodass, mit zunächst groben Annahmen über die durch Achsbewegungen verbrauchten und erzeugten Energiemengen, energiesparende, diskrete Steuerungen synthetisiert werden können. Sind dabei alternative, ähnlich energieeffiziente Abläufe abzuwägen, planen wir zudem die Bahnplanung zu integrieren, um auf einem detaillierteren Modell den energieeffizientesten Ablauf zu bestimmen. Durch Betrachtung des Systemverhaltens auf mehreren Ebenen, werden wir so Ingenieure in die Lage versetzen, Energiesparpotentiale umfassender ausnutzen zu können. Diese Entwurfsmethode werden wir anhand von Beispielsystemen entwickeln und evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Kotlarski, bis 3/2017