Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik

Abgeschlossene Projekte

Modellbasierte Regelung und Systemoptimierung zur Emmissionsreduktion von Gasmotoren (MoRSE)

Laufzeit: 01.11.2020 - 31.01.2024
Projekt: FFG Basis-Programm
Kooperationspartner: INNIO Jenbacher GmbH & Co OG

Um Emissionen von Gasmotoren in dem, dazu notwendigen, transienten Betriebsregime zu minimieren stehen verschiedene Abgasnachbehandlungstechnologien zur Reduktion von relevanten Emissionen, wie beispielsweise Stickoxiden bzw. CO2e (z.B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe) zur Verfügung. Allen Katalysatorsystemen gemeinsam ist die Komplexität der Regelung im hochtransienten Betrieb wegen der auftretenden großen Totzeiten, Nichtlinearitäten bzgl. der Betriebstemperatur in der Dynamik und eines eingeschränkten Betriebsfensters abhängig von der temperaturabhängigen Speicherfähigkeit des Katalysators. Es sollen auf der einen Seite Eignungen verschiedener Katalysatortechnologien zur Emissionsreduktion analysieren werden und auf der anderen Seite die Regelgüte für die unterschiedlichen Systeme durch den Einsatz modellbasierte Regelungsansätze für den transienten Betrieb optimieren. 
Dazu sollen die im Zuge der Projekte INNUIT/MoReNe entwickelten neuen  verteiltparametrischen Ansätze zur Modellierung von Transportprozessen mit Speichergröße verwendet werden, die sich auf thermische als auch kinetische Rohrströmungen anwenden lassen. 

Ansprechpartner: Dipl. Ing. Dr. Jens Wurm, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Zustandsschätzung und Trajektorienfolgeregelung für unendlich-dimensionale Systeme mit örtlich verteilter Messung

Laufzeit: 01.04.2022 - 31.03.2023 
Projekt: TWF-Programm 

Die Regelung verteilt-parametrischer Systeme stellt aus theoretischer und methodischer Perspektive ein aktuelles und herausforderndes Problem dar und steht deshalb im Fokus der internationalen regelungstechnischen Gemeinschaft an der Schnittstelle zwischen Ingenieurwissenschaften und angewandter Mathematik. Sie besitzt darüber hinaus große Bedeutung in innovativen regelungstechnischen Anwendungen, beispielsweise im technischen oder medizinischen Bereich. Eine wichtige Teilaufgabe bei der Regelung derartiger Systeme besteht in der Rekonstruktion des örtlich verteilten Systemzustands mit Hilfe sogenannter Beobachter. Im Unterschied zu bisherigen Arbeiten wird dazu in diesem Projekt die direkte Erfassung einzelner örtlich verteilter Größen vorausgesetzt. Die Untersuchungen werden anhand des Beispiels einer flüssigkeitsgefüllten Röhre durchgeführt, bei der die örtlich verteilte Messung durch eine am Versuchsstand befindliche Kamera realisiert wird.

Ansprechpartner: Dipl. Ing. Jens Wurm

 

Optimierung von Durchsatz und Positioniergenauigkeit bei Handhabungssystemen (DynamicPortal)

Laufzeit: 01.09.2021 - 31.08.2022
Projekt: Tiroler Innovationsförderung (FEI in Kooperation)
Kooperationspartner: Besi Austria GmbH, Dipl.-Ing. Michael Loinger

Die Firma BESI Austria entwickelt hochgenaue Positioniersysteme zur Bestückung von Leiterplatten mit Halbleiterelementen. Das Ziel des Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsprojektes war einerseits die systematische Analyse der dynamischen Eigenschaften der Bestückungsautomaten, um das Systemverhalten besser zu verstehen und die Bestückungsautomaten dadurch signifikant im Hinblick auf Positioniergenauigkeit und Durchsatz zu verbessern. Dabei spielt die mathematische Modellierung des Systems eine wesentliche Rolle, da diese für die Analyse der Maschinendynamik herangezogen wird um den Einfluss von konstruktiven Änderungen abzuschätzen und aktive Schwingungstilger in einer Simulationsumgebung zu testen. Die Modelle liefern zudem das Grundgerüst für die Entwicklung von Optimalsteuerungsalgorithmen, um zeitoptimale Überführungen für elastische Manipulatoren offline zu berechnen. Wesentliche Herausforderung hierbei ist die Einhaltung von Beschränkungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung sowie Ruck), wobei diese als physikalische Begrenzung in den Motoren aufgefasst werden können (Strombegrenzung, Momentenbegrenzung in den Aktuatoren).

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Thomas Auer

Modellierung und Regelung von Rohrnetzwerken (MoReNe)

Laufzeit: 01.04.2018 - 31.03.2021 (verlängert bis 31.12.2021)
Projekt: FFG Bridge-Programm
Kooperationspartner: INNIO Jenbacher GmbH & Co OG

Im Zuge des INNUIT Projekts wurde ein neuer intrinsisch verteiltparametrischer Ansatz zur Modellierung des thermischen Verhaltens von Rohrströmungen entwickelt. Diese Methode kann bei einer Vielzahl an verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise im der Wärmeversorgung, der chemischen Verfahrenstechnik oder der Pharmazie.  Für die Leistungsfähigkeit dieser Prozesse im Hinblick auf Energieeffizienz, zeitliche Flexibilität oder präzise Einhaltung gewünschter Prozessparameter ist ihre regelungstechnische Beherrschung grundlegende Voraussetzung. Im Zug dieses Projekts soll das neue Rohrmodell weiter verallgemeinert und neue verteiltparametrische Regelungs- und Beobachterstrategien auf Basis dieses Modells entwickelt werden.

Ansprechpartner: Dipl. Ing. Jens Wurm, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Batterielangzeitsimulation

Laufzeit: 01.03.2020 - 01.03.2021 
Projekt: TWF-Programm 

Batterien haben das Potenzial, fossile Brennstoffe als Energiespeicher im Automobilbereich zu ersetzen. Es gibt allerdings noch wenige Felddaten, die das Langzeitverhalten dieser Energiespeicher erfassen. Um die Lebensdauer von Batteriesystemen besser vorhersagen zu können, sind daher mathematische Simulationen unumgänglich. In diesem Projekt soll ein Prüfstand zur Vermessung von Batteriezellen entwickelt werden. Durch die daraus resultierenden Messungen sollen einerseits neue Erkenntnisse in der Modellierung von Batterien gewonnen und andererseits bestehende Modelle validiert werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Lukas Tappeiner

Verbesserung der Positioniergenauigkeit einer Kantenanleimmaschine

Laufzeit: 22.02.2021 - 30.06.2021
Projekt: Auftragsforschung
Kooperationspartner: Felder-Group

Die Felder Group ist ein österreichisches Unternehmen mit Stammsitz in Hall in Tirol, welches Maschinen für die Holzbearbeitung herstellt. Beim Kantenanleimen wird ein Kantenmaterial an die Schmalflächen eines Werkstücks im Durchlaufprozess geklebt und nachbearbeitet. Dabei muss das Werkstück durch die sogenannte Kantenanleimmaschine mittels Förderkette bewegt werden. Um die Genauigkeit der Bearbeitungsprozesse im Durchlaufverfahren weiter zu verbessern, soll die genaue Position der Werkstücke auch zwischen vorhanden Wegmesswerten berechnet werden. Durch mathematische Modellierung der Antriebseinheit soll im Rahmen des Forschungsprojekts ein Algorithmus entwickelt werden, der die Position der Werkstücke unter Berücksichtigung aller Systemvariablen präziser berechnen kann und dadurch eine teure, zusätzliche Sensorik ersetzen kann.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Thomas Auer

Beobachterentwurf für Systeme mit großen und variablen Totzeiten

Laufzeit:  01.05.2018-31.07.2019 
Projekt: TWF-Programm

Der Beobachterentwurf für Systeme mit großen und variablen Totzeiten ist ein aktuelles Forschungsfeld mit einer Vielzahl ungelöster Problemstellungen.
Die in der Literatur vorgeschlagenen Methoden beziehen sich dabei jeweils nur auf sehr spezielle Modellstrukturen. Für die in diesem Forschungsprojekt betrachteten Kühlkreisläufe konnte in der Literatur keine passende Methode gefunden werden. Kühlkreisläufe weisen aufgrund ihrer Struktur sowohl konstante als auch variable Totzeiten auf. Zudem handelt es sich um Mehrgrößensysteme, da in der Regel mehrere Temperaturmesspunkte und Stellgrößen im System auftreten, was eine weitere Herausforderung für den Beobachterentwurf darstellt. 
In diesem Projekt wurde die Beobachtbarkeit der verwendeten Kühlkreislaufmodelle für unterschiedlicher Sensorkonfigurationen untersucht, um so für den Beobachterentwurf möglichst günstige Konfiguration auszuwählen. In einem zweiten Schritt wurde ein Beobachter für das betrachtete System entworfen und erfolgreich am UMIT TIROL Kühlkreislaufprüfstand getestet.

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Vertiefter Einsatz von modernen Methoden der Regelungstechnik bei
Handhabungsprozessen III

Laufzeit: 01.10.2017 – 30.09.2018
Projekt: Auftragsforschung
Kooperationspartner: Besi Austria GmbH

Die Firma BESI Austria entwickelt hochgenaue Positioniersysteme zur Bestückung von Leiterplatten mit Halbleiterelementen. Die dafür erforderliche Bestück-Präzision von wenigen [µm], sowie die geforderte Bestück-Geschwindigkeit und die Anforderungen des Bestück Prozesses an sich stellen eine große Herausforderung für die Regelung / Automatisierung dar und erfordern die Anwendung moderner modell-basierter Methoden zur Simulation, Systemsynthese, Parametrierung der Regler und Implementierung der Automatisierung.

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Verteiltparametrische Regelung elastischer Strukturen

Laufzeit: 01.01.2017 - 31.06.2019
Projekt: TWF-Programm

Ziel diese Projektes war es, das freie Ende eines am Endeffektor eines seriellen Roboters befestigten Seils einer gewünschten, frei definierbaren Bahn folgen zu lassen. Zur Berechnung der dazu notwendigen Roboterbewegungen wurde ein örtlich verteiltes Modell verwendet, um dem Kontinuumscharakter der betrachteten Problemstellung gerecht zu werden. Im Unterschied zum klassischen örtlich konzentrierten Ansatz kommen dabei statt gewöhnlicher Differentialgleichungen partielle Differentialgleichungen zur Beschreibung des untersuchten Systems zum Einsatz. Daraus resultiert der wesentlich größere methodische Anspruch des verteiltparametrischen Zugangs. Zur Bewegung der Kette dient ein anthropomorpher Manipulator mit Handgelenk dient, wobei die Berechnung der inversen Kinematik mittels eines am Institut entwickelten Algorithmus erfolgt. Zwei Industriekameras dienen zur Aufnahme des räumlichen Bewegungsverlaufes des Seils, wobei die dadurch erhaltenen Messdaten für eine zukünftige Regelung der Seilbewegung verwendet werden sollen. Durch diesen Versuchsaufbau ist erstmals eine experimentelle Validierung der zuvor beschriebenen neuartigen Steuerungs- und Regelungsansätze für verteiltparametrische Systeme an einem realen Robotersystem möglich.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Dr. Arthur Angerer

Vertiefter Einsatz von modernen Methoden der Regelungstechnik bei Handhabungsprozessen II

Laufzeit: 01.02.2016 - 30.09.2017
Projekt: TWF-Programm

Das Ziel des Projektes lag in der Erstellung eines Prüfstand, um das kontaktsensitive Verhalten einer Pick-und-Place-Einheit zu evaluieren und die entworfenen Reglerstrukturen an einem realen Aufbau zu testen. Es ist wichtig, die simulierten Reglerstrukturen auch an einem realen System zu überprüfen, da bei der Modellbildung häufig Vereinfachungen getroffen werden, die nicht der Realität entsprechen. Der Prüfstand soll des weiteren auch das Wegbrechen einer Gegenkraft abbilden. Hierzu wurde die Kraftregelung der Pick-und-Place-Einheit auf einen ausgefahrenen Pneumatikzylinder ausgeübt, wobei der Wegbruch der Gegenkraft durch das Einfahren des Zylinders abgebildet werden kann.

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Innovative Regelungskonzepte für hochtransiente Effizienz- und Emissionsoptimierte Großgasmotorenkraftwerke (INNUIT)

Laufzeit: 01.04.2015-31.03.2018
Projekt: FFG Basis-Programm
Kooperationspartner: INNIO Jenbacher GmbH & Co OG

Einen weiteren wesentlichen Aspekt bei der Erfüllung dieser Anforderungen bilden die den eigentlichen Motoren nebengeordneten Systeme wie Kühlkreisläufe und Abgasnachbehandlungssysteme. In diesen Systemen bilden Rohrströmungen in Verbindung mit thermischen Ausgleichsvorgängen und chemischen Reaktionen den wesentlichen Teil der Dynamik. Im Zuge dieses Projekts wurden innovative, modellbasierte Regler und Beobachter für solche Systeme entwickelt.

Vertiefter Einsatz von modernen Methoden der Regelungstechnik bei
Handhabungsprozessen I

Laufzeit: 01.01.2014 – 31.12.2016
Projekt: FFG Basis-Projekt
Kooperationspartner: Besi Austria GmbH

Die Firma BESI Austria entwickelt hochgenaue Positioniersysteme zur Bestückung von Leiterplatten mit Halbleiterelementen. Die dafür erforderliche Bestück-Präzision von wenigen [µm], sowie die geforderte Bestück-Geschwindigkeit und die Anforderungen des Bestück Prozesses an sich stellen eine große Herausforderung für die Regelung / Automatisierung dar und erfordern die Anwendung moderner modell-basierter Methoden zur Simulation, Systemsynthese, Parametrierung der Regler und Implementierung der Automatisierung.

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Adaptive Regelung

Laufzeit: 01.04.2012 - 31.03.2015
Projekt: FFG Basis-Programm
Kooperationspartner: INNIO Jenbacher GmbH & Co OG

Im abgeschlossenen FFG Projekt Adaptive Regelung wurde mit einer innovativen modellbasierten Motorregelung die Grundlage für einen hochdynamischen Motorbetrieb gelegt, der für die neuen Anforderungen unumgänglich ist. Dadurch konnten einerseits die Regelung von Leistung und Drehzahl insbesondere im transienten Betrieb entscheidend verbessert und andererseits die Schadstoffemissionen gesenkt werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Jens Wurm, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

Analyse und Modellierung der Systemkette von hochpräzisen Bestückungsmaschinen im Semi-Conductor Bereich

Laufzeit: 01.04.2012 – 31.12.2013
Projekt: FFG Basis-Projekt
Kooperationspartner: Besi Austria GmbH

Die Firma Besi-Austria GmbH entwickelt hochgenaue Positioniersysteme zur Bestückung von Platinen und Computerchips. Diese Maschinen haben eine Bestück-Präzision von wenigen [µm] und werden mithilfe von optischen Messsystemen kalibriert. Ziel dieses Projekts ist die Auswertung der derzeit bei Besi-Austria verwendeten Methoden in der Bild-verarbeitung und Regelungstechnik und das Erarbeiten von Verbesserungsvorschlägen, um die Genauigkeit dieser Maschinen zu erhöhen. Dabei liegt der Fokus bei der theoretischen Modellierung der Systemkette, um die einzelnen Fehlereinflüsse der verwendeten Komponenten zu isolieren und zu kompensieren. Diese Erkenntnisse dienen als Basis für den vertieften Einsatz von modernen Methoden und Werkzeugen in der Bildverarbeitung und Regelungstechnik.

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Woittennek

KineControl

Laufzeit: 01.10.2010 - 01.03.2014
Projekt: Standortagentur Tirol Förderprogramm Translational Research
Kooperationspartner: AB Geometrie und CAD, LFU Innsbruck, Distributed and Parallel Systems Group LFU Innsbruck,

Serielle Roboter mit sechs Freiheitsgraden sind in der Industrie weit verbreitet und werden für vielfältige Aufgaben eingesetzt. Trotzdem ist bei der Programmierung dieser Roboter nach wie vor großes Potential für Verbesserungen gegeben. Es existieren für Standardgeometrien, wie z.B. anthropomorphe Manipulatoren mit Handgelenk, analytische Verfahren zur Lösung der inversen Kinematik - für davon abweichende Strukturen muss jedoch jeweils ein eigens auf das Problem zugeschnittenes Lösungsverfahren entworfen werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Auch das Vorhandensein der bis zu sechzehn möglichen Lösungen der Rückwärtskinematik wird zur Optimierung der Bahnplanung derzeit kaum genutzt. Auf Basis eines an der Universität Innsbruck entwickelten Algorithmus wurde ein generischer Roboterregler entwickelt, der für alle serielle Roboter mit sechs Freiheitsgraden alle möglichen Lösungen der inversen Kinematik liefert. Das Projekt wurde von der Standortagentur Tirol gefördert und gemeinsam mit den LFUI-Partnern Arbeitsbereich Geometrie und CAD (Univ.-Prof. M. Husty) und Distributed and Parallel Systems Group (Univ.-Prof. Th. Fahringer) durchgeführt.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Dr. Arthur Angerer