Magazin Dezember 2013 - TUalumni

Seite 24 Bulletin Nr. 36 | Dezember 2013Für jede Maschine die richtigen FormelnMathematische Modelle für komplexe technische Systeme zu erstellen ist nicht einfach.Wenn die Ergebnisse dann auch noch in Echtzeit geliefert werden müssen undals Grundlage für die Regelung und Optimierung dienen sollen, ist die Herausforderungumso größer. Text: Florian AignerWas hat eine Walzstraße miteinem Halbleiterbauteil gemeinsam?Beides ist mathematischschwer zu beschreiben. Wennkomplexe Systeme auf einer Zeitskalavon Millisekunden geregeltund gesteuert werden sollen, bleibtkeine Zeit für aufwändige Computerberechnungen.Man brauchtgut durchdachte Vereinfachungenund maßgeschneiderte mathematischeModelle, wie sie Prof.Andreas Kugi mit seinem Teamam Institut für AutomatisierungsundRegelungstechnik (ACIN) entwickelt.Wie groß die praktischeBedeutung solcher Forschungen ist,beweisen Kugis intensive Zusammenarbeitmit der Industrie unddie zahlreichen Patente, die er mitseinen Industriepartnern bereitsanmelden konnte.Ein Team,viele AnwendungenEs gibt zahlreiche Methoden, umkomplexe physikalische Sachverhalteam Computer bis ins letzteDetail zu modellieren und zu simulieren– etwa das Temperaturverhalteneines Brenners in einem Stahlofenoder die elektrodynamischenEffekte in einem Halbleiterbauteil.„Man kann das System beispielsweisein finite Elemente zerlegenund mit dem Computer ihr zeitlichesVerhalten ausrechnen – doch dasbraucht für unsere Zwecke meistzu große Rechenzeiten“, erklärtAndreas Kugi. „Für die Optimierungund Regelung in Echtzeit ist oft dieFrage entscheidender: Wie erreichenwir das Ergebnis mit möglichsthoher Genauigkeit in nur wenigenMillisekunden?“In der Systemtheorie unterscheidetman zwischen einfachen linearenSystemen und komplizierteren nichtlinearenSystemen. Linear ist etwadas Verhalten einer Feder: Um diesedoppelt so weit zu dehnen, mussman die doppelte Kraft aufbringen.Bei nichtlinearen Systemen ist derZusammenhang zwischen den Parameterndes Systems und seiner zeitlichenEntwicklung viel komplizierter.„Diese Nichtlinearitäten können wirheute durch moderne integrierbareMikrocomputer systematisch berücksichtigen– beim Systementwurf,der Echtzeitoptimierung und derEchtzeitregelung“, so Kugi.Ein Beispiel dafür ist das Schließenvon Schaltventilen: Statt den Stößel ineinem Ventil mechanisch zu dämpfen,um einen allzu heftigen Aufprallzu verhindern, kann man elektronischeRegelalgorithmen verwenden,die sich an die gerade vorherrschendenLastverhältnisse anpassen.Dadurch steigt die Lebensdauer,die Kosten und die Lärmbelästigunglassen sich reduzieren.Festo und dasACIN der TUWien – Hand inHand. Foto:© Festo AG &Co. KGMit über 40 Firmen hat Andreas Kugiam ACIN bereits zusammengearbeitet.Eine davon ist der StahlerzeugerDillinger Hüttenwerke in Deutschland:40 t schwere Stahlbrammenmüssen dort möglichst energieeffizientauf die richtige Temperaturgebracht werden. Das gelingt, indemman den Temperaturverlaufin Echtzeit vorherberechnet undden Ofen permanent am optimalenBetriebspunkt regelt. Fast 10% desPrimärenergiebedarfs konnten soeingespart werden, das entsprichteiner Reduktion des CO2 Ausstoßesvon jährlich 9.500 t.Auch die Firma Festo kooperiertbesonders eng mit der TU: 2012wurde das „Festo-Systemlabor“eingerichtet, in dem wissenschaftlicheFragestellungen der Mess- undAutomatisierungstechnik erforschtwerden. Neben intelligenten Kamerasystemenund flexiblen Automatisierungslösungengeht es dort umdie optimierungsbasierte Steuerungpneumatischer Komponenten sowiedie automatisierte Handhabung biegeschlafferMaterialien.Auch wenn die Forschung am ACINeinen starken Praxisbezug aufweistund primär problemlösungsorientiertist, handelt es sich fast ausschließlichum langjährige Grundlagenforschungsprojekte.Eine Grenzezwischen grundlagenorientiertertheoretischer Arbeit und industrienaherpraktischer Forschung möchteKugi nicht ziehen: „Es gibt schließlichnichts Praktischeres als eine guteTheorie.“