Vollautomatisierte hierarchische und dezentrale Reglersynthese für Cyber-Physikalische Systeme

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anne-Kathrin Schmuck
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Theoretische Informatik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441512781

Der technologische Fortschritt revolutioniert derzeit unsere Gesellschaft - die ersten autonom fahrenden Autos werden getestet, intelligente Energienetze werden in das globale Stromnetz integriert und erste Produktionslinien fertigen individuelle Werkstücke im Sinne des neuen "Industrie 4.0" Konzepts.In diesen hochautomatisierten, so genannten Cyber-Physikalischen Systemen (CPS), spielen digitale Softwarekomponenten, spezialisierte Regelungstechnik und mechanisch gekoppelte Maschinenkomponenten Hand in Hand.Während solche Systeme vollautomatisch arbeiten, werden sie in der Regel ad-hoc programmiert und zusammengefügt.Dieser manuelle Entwurfsansatz wird allerdings immer problematischer, da die resultierenden CPS Komponenten so komplex interagieren, dass sie nicht mehr korrekt von Entwicklern gehandhabt werden können. Darüber hinaus ist es zu kostspielig und zeitaufwendig CPS so zu testen, dass geeignete Vertrauensbereiche für deren sicheren und zuverlässigen Betrieb garantiert werden können. Eine vielversprechender Ansatz zur Änderung der heutigen Entwurfsmethodik ist die Verwendung formaler Methoden: automatisierte Entwurfsverfahren, welche die gewünschten Systemeigenschaften während der Komponentenentwicklung sicherstellen.Die größte Herausforderung bei der Anwendung formaler Methoden ist die große Menge interagierender heterogener Komponenten eines CPS deren Zusammenspiel ein gewünschtes globales Systemverhalten implementieren muss.Wenn zum Beispiel ein Roboterarm auf einer mobilen Plattform montiert ist, ergeben sich mechanische Kopplungen zwischen beiden Komponenten (z.B. beeinflusst der Gelenkwinkel des Roboterarms die Reibung der Räder der Plattform). Bei der Regelung beider Komponenten müssen solche Kopplungen berücksichtigt werden.Darüber hinaus muss synthetisierte Koordinierungssoftware sicherstellen, dass Teilaufgaben, die von verschiedenen Komponenten ausgeführt werden, zeitlich korrekt geplant und implementiert werden. Wenn beispielsweise der mobile Roboterarm ein entferntes Objekt holen soll, muss die mobile Plattform erst zum Objekt fahren, bevor der Arm danach greifen kann. Des weiteren unterscheidet sich die Masse des Arms vor und nach dem Aufnehmen des Objekts. Dies ändert die Dynamik und damit die Bewegungssteuerung der Plattform.Ziel dieses Projekts ist es, die beschriebenen Herausforderungen des automatisierten Entwurfs von Regelungs- und Koordinierungssoftware für CPS zu bewältigen. Dafür wird ein Framework für die automatische Generierung von Komponentenschnittstellen entwickeln. Dieses sorgt dafür, dass Regelungssoftware lokal synthetisiert werden kann und komplexe Interaktionen zwischen heterogenen Komponenten des CPS trotzdem korrekt berücksichtigt werden.Des weiteren nutzen wir die erzeugten Komponentenschnittstellen um Koordinierungssoftware korrekt zu synthetisieren. Im Zusammenspiel dieser beiden Teilaspekte sorgt unser Framework für die vollautomatische Synthese von zuverlässigen und leistungsfähigen CPS.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen