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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Technische und Numerische Mechanik

Modellprädiktive Regelung flexibler Mehrkörpersysteme

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Beschreibung



  Abb. 1: Regelkreisstruktur

Die Dynamik der meisten mechanischen Systeme ist geprägt durch nicht vernachlässigbare Nichtlinearitäten. In den meisten Fällen beispielsweise ist die Kinematik des Systems hochgradig nichtlinear, so dass die Vorgabe der Bewegungen solcher Mechanismen den Umgang mit stark verkoppelten und strukturell komplexen Differentialgleichungen erfordert. Dabei sind insbesondere die unteraktuierten Mehrkörpersysteme von großem Interesse, die sich durch eine geringere Anzahl von Aktoren als Freiheitsgrade auszeichnen. Flexible Mehrkörpersysteme sind eine wichtige Klasse unteraktuierter Systeme. Diese gewinnen im Zuge der Leichtbauweise von Robotern oder Werkzeugmaschinen in der Industrie zunehmend an Bedeutung.

Die Regelung flexibler Mehrkörpersysteme stellt eine große Herausforderung dar. In diesem Projekt wird ein modellprädiktiver Ansatz zur Regelung solcher Systeme untersucht. Im Fokus steht dabei einerseits die Genauigkeit beim Abfahren einer vorgegebenen Trajektorie. Andererseits spielt, im Hinblick auf eine technische Realisierung, die echtzeitfähige Optimierung eine große Rolle. Die modellprädiktive Regelung (MPC) basiert auf der fortwährenden Lösung eines Optimalsteuerungsproblems über einen mitbewegten Zeithorizont. Grundlage der Optimierung ist ein Gütekriterium, welches typischerweise Abweichungen der Ausgangs- von den Referenzgrößen und Stellgrößenänderungen bewertet. Mechanische Beschränkungen wie z.B. Bauraum oder Aktorgeschwindigkeiten werden hierbei im Optimierungsalgorithmus berücksichtigt. Weitere Vorteile liegen in dem vorausschauenden Charakter der Regelung, wodurch Stellgrößen wesentlich intelligenter auf das System geschaltet werden können.



  Abb. 2: Optimierungshorizont

  Abb. 3: Folgeregelung mit Vorausschau

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