Digital vernetzte Regelungssysteme

Die Beiträge dieses Heftes berichten über Ergebnisse, die im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Regelungstheorie digital vernetzter dynamischer Systeme“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft entstanden sind. Dieses Schwerpunktprogramm beschäftigt sich mit neuartigen Fragestellungen der Modellierung, der Analyse und des Entwurfs von Regelungen, die aus der Möglichkeit resultieren, Informationskopplungen innerhalb eines Regelkreises und zwischen unterschiedlichen Regelkreisen flexibel den Erfordernissen anzupassen. Mit digitalen Datennetzen können zeitveränderliche, auf die aktuellen Aufgaben zugeschnittene Regelkreisstrukturen aufgebaut werden. Andererseits ist die Qualität der Kommunikation von der Netzbelastung und bei Funknetzen auch von technischen Randbedingungen abhängig, die zu Datenausfällen oder erheblichen Zeitverzögerungen in der Datenübertragung führen können, sodass das Datennetz das Verhalten der Regelungen wesentlich mitbestimmt. Die neuen Realisierungsmöglichkeiten für die Regelung eröffnen neuartige Einsatzgebiete, in denen beispielsweise mobile Objekte über Funknetze koordiniert oder gesteuert werden oder Regelungsaufgaben über Netzwerke realisiert werden, die nicht vordergründig für Echtzeitanwendungen ausgelegt sind. Damit gewinnt der Wert, den Informationen für die Lösung einer Regelungsaufgabe haben, eine zusätzliche Bedeutung und wird zum Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Während die Regelungstheorie bisher davon ausgegangen ist, dass jede für die Lösung einer Regelungsaufgabe notwendige Informationsverbindung mit der erforderlichen Qualität und Zuverlässigkeit hergestellt werden kann, muss sich die Regelungstheorie digital vernetzter Systeme der Frage zuwenden, welchen Wert eine Information für die Lösung einer Regelungsaufgabe hat, um anhand dieser Bewertung zu entscheiden, unter welchen Bedingungen und mit welcher Qualität Datenverbindungen im Regelkreis und zwischen unterschiedlichen Regelkreisen aufgebaut werden müssen bzw. können. Auch ist zu entscheiden, ob für die Erfüllung von Gütevorgaben Daten mit größtmöglicher Präzision übertragen werden müssen oder ob dafür Informationen mit beschränkter Genauigkeit und folglich begrenzter Übertragungsbreite ausreichend sind. Dieses Schwerpunktheft widmet sich wichtigen Teilaspekten dieser Frage. Mit der ereignisbasierten Regelung wird eine neue Methode zur Reduktion des Informationsflusses in der Rückkopplung von Regelkreisen vorgeschlagen. Während eine digitale Regelung zu den von einem Takt vorgegebenen Zeitpunkten eine Informationsrückkopplung im Regelkreis vornimmt, passt die ereignisbasierte Regelung den Informationsaustausch dem aktuellen Systemzustand an. Informationen werden nur dann vom Sensor über den Regler zum Aktor gesendet, wenn ein Ereignisgenerator erkennt, dass diese Informationskopplung für die Gewährleistung der geforderten Regelgüte notwendig ist. Der Beitrag von Gr ne u. a. Two complementary approaches to event-based control beschreibt zwei neue Methoden der ereignisbasierten Regelung und demonstriert deren Wirkungsweise anhand von Experimenten. Bei der Betrachtung mobiler Agenten, deren Regelung ohne einen Koordinator auskommen muss und bei der die Teilregler ihre Aktivitäten unter Nutzung einer geeignet gewählten Kommunikationsstruktur untereinander abstimmen müssen, hat sich in den letzten Jahren das Konsensusproblem als zentrales wissenschaftliches Problem herauskristallisiert. Gesucht sind Algorithmen, mit denen die Agenten schrittweise einen gemeinsamen „Durchschnittszustand“ berechnen. Dieses Problem tritt beispielsweise auf, wenn in einem verteilten physikalischen System mit mehreren Sensoren eine mittlere Temperatur bestimmt werden soll oder wenn sich mobile Agenten an einem gemeinsamen Ort treffen sollen, ohne dass Vorgaben durch einen Koordinator gemacht werden. Der Beitrag von M nz, Papachristodoulou und Allg wer Robust rendezvous of heterogeneous EulerLagrange systems on packet-switched networks untersucht den Einfluss von Zeitverzögerungen im Kommunikationsnetz auf die Regelung von Agenten, wobei die Teilregler nur lokale Informationen nutzen und dabei insbesondere nur von der Dynamik der „eigenen“ Agenten abhängen.