Ein regelungstechnischer Ansatz für ein technologieübergreifendes und automatisiertes drahtloses Koexistenzmanagement

Produktbeschreibung

Um die Vernetzung zwischen Maschinen und Endpunkten flexibler zu gestalten, erhält zunehmend die drahtlose Kommunikation an Aufmerksamkeit. Dabei werden die Anforderungen an das Zeit- und Fehlerverhalten der Nachrichtenübertragung bei Produktionsprozessen zunehmend höhergestellt. An dieser Stelle ist das Koexistenzmanagement von hoher Wichtigkeit, um die Prozesse koordiniert aufeinander abzustimmen. Es wird ein methodisches Vorgehen für ein technologieübergreifendes und automatisiertes Koexistenzmanagement untersucht. Das Besondere hierbei ist der im Vergleich zum aktuellen Stand der Wissenschaft einmalige, technologieübergreifende
Ansatz. In der vorliegenden Arbeit wird das Koexistenzmanagement als modellprädiktive Regelung untersucht. Dadurch werden aktuelle Systemzustände kontinuierlich erfasst und bewertet. Begleitet werden diese Untersuchungen durch mathematische Stabilitätsbeweise. Die Validierung erfolgt an einem Hardware-in-the-Loop-Versuchsaufbau.

Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis VII
Symbolverzeichnis IX
Kurzfassung X
Abstract XII
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ziel und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Stand der Wissenschaft 4
2.1 Überblick Koexistenzmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Das Koexistenzmanagement als Regelkreis 14
3.1 Beschreibung des Betrachtungsraums als Regelkreis . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Analogie-Funkkommunikation und Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Beschreibung des Arbeitsbereiches für die Regelung . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Modellierung des Koexistenzmanagements 23
4.1 Formulierung der Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Modellierung der Regelstrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.1 Modellierung des interferenzfreien Streckenverhaltens . . . . . . . . 28
4.2.2 Nachweis der Stabilität für das interferenzfreie Streckenverhalten . 30
4.2.3 Modellierung des interferenzbehafteten Streckenverhaltens . . . . . 32
4.2.4 Nachweis der Stabilität des interferenzbehafteten Streckenverhaltens 33
4.3 Reglerentwurf zum Koexistenzmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.1 Modelprädiktive Regelung in der max ? plus-Algebra . . . . . . . . 39
4.3.2 Formulierung des Optimierungsproblems für die modellprädiktive
Regelung (Modell Predictive Control) (MPC) . . . . . . . . . . . . 42

4.3.3 Regler als zentrale Instanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.4 Regler als dezentrale Instanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Validierung des Modells für den Regelkreis 50
5.1 Beschreibung des Hardware in the Loop – Versuchsaufbaus . . . . . . . . . 50
5.2 Parametrierung des Modells für die Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3 Validierung des Modells für die Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 Formulierung der Testfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2 Validierung des Modells für die zentrale Regelung . . . . . . . . . . 59
5.3.3 Validierung des Modells für die dezentrale Regelung . . . . . . . . . 64
5.4 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Zusammenfassung und Ausblick 69
6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Anhang A Analyse des Systemverhaltens 72
A.1 Nachweis der Nichtlinearität des Systemverhaltens im Zustandsraummodell
(ZRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A.2 Die max ? plus Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.3 Explizite Bildungsvorschrift-Interferenzfrei . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.4 Explizite Bildungsvorschrift-Interferenzbehaftet . . . . . . . . . . . . . . . 76
Anhang B Analyse des Optimierungsproblems 79
B.1 Nachweis der Nichtlinearität für den max-Term . . . . . . . . . . . . . . . 79
B.2 Formulierung eines konvexen Optimierungsproblems . . . . . . . . . . . . . 80
Anhang C Implementierung der Modelle für die Regelung 84
C.1 Implementierung des Modells für die zentrale Regelung . . . . . . . . . . . 87
C.2 Implementierung des Modells für die dezentrale Regelung . . . . . . . . . . 94
Anhang D Messergebnisse zur Validierung der Regelung 105
D.1 Messergebnisse für die zentrale Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
D.2 Messergebnisse für die dezentrale Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Glossar 116
Eigene Publikationen 119
Betreute wissenschaftliche Arbeiten 122
Literaturverzeichnis 123

Keywords: Funkkommunikation.Modellierung.ereignisdiskrete Systeme, Modellprädiktive Regelung, max-plus Algebra, Fabrik, Hardware-in-the-Loop Test, Regelungstechnik, Koexistenzmanagement,