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B Systemtechnik und Auslegung

B04 – Steuerungs- und Regelungskonzepte für adaptive Bauwerke

Das vorliegende Teilprojekt beschäftigt sich damit, Steuerungs- und Regelungsmethoden für wandlungsfähige Hüllen sowie Strukturen weiterzuentwickeln und bestehende Methoden auf strukturell ähnliche Problemstellungen zu verallgemeinern.

Eine wesentliche Eigenschaft adaptiver Bauwerke besteht darin, das Tragwerk autonom an wechselnde äußere und innere Belastungen anpassen zu können. Dies umfasst die stationäre und die dynamische Tragwerksadaption, die fortlaufend über die gesamte Lebensdauer des Gebäudes erfolgt. Die Adaption erfordert ein Steuerungs- und Regelungskonzept, das anhand des geschätzten Systemzustands und der rekonstruierten Lasten die Tragwerksstruktur mit Hilfe der verfügbaren Aktoren manipuliert. Ziel des vorliegenden Teilprojekts ist es, die Methoden zur Steuerung und Regelung adaptiver Tragwerke zu erforschen und experimentell zu realisieren.

Das Teilprojekt behandelt folgende wissenschaftliche Fragestellungen:

  • Welche mathematischen Modelle eignen sich zum Entwurf von Steuerung und Regelung adaptiver Bauwerke?
  • Welche rekonfigurierbaren Regelungen gibt es, die sich autonom an Änderungen des Systems anpassen?
  • Wie können lokale Regelungen entworfen werden, die im Zusammenspiel ein global optimales Verhalten sicherstellen?
  • Wie lässt sich der streng hierarchische Ansatz bisheriger Modelle zugunsten eines verteilten Regelungskonzepts weiterentwickeln, sodass sich funktionale Baugruppen dynamisch und situationsabhängig bilden und die Koordinationsebene obsolet wird?
  • Wie lässt sich die Leistungsfähigkeit der entwickelten Steuerungs- und Regelungsmethoden experimentell nachweisen?

Anpassungsfähige Bauwerke unterscheiden sich aus regelungstechnischer Sicht durch mehrere Merkmale von mechatronischen und verfahrenstechnischen Systemen. Durch ihre integrativen Bauelemente mit aktorischer und sensorischer Funktionalität ergeben sich für adaptive Bauwerke viele verfügbare Mess- und Stellgrößen. Das macht den Steuerungs- und Regelungsentwurf zu einem Problem der Mehrgrößenregelung.

 

Regelungskonzept (c) ISYS
Regelungskonzept

Die klassischen Methoden der Mehrgrößenregelung gehen von einer zentralen Steuerungseinheit aus. Sie entwerfen und implementieren die Steuerung und Regelung zentralisiert unter Berücksichtigung aller Mess- und Stellgrößen. Dieses klassische Vorgehen eignet sich bei adaptiven Bauwerken wegen der vielen integrativen, räumlich weit verteilten Bauelemente nicht. Eine Herausforderung stellt die physikalische Kopplung der einzelnen Bauelemente dar. Ein Ziel dieses Teilprojekts liegt darin, ein System aus vielen verteilten Regelungen zu entwickeln, die lokale Mess- und Stellgrößen berücksichtigen und auf lokalen Steuerungseinheiten implementiert werden. Um bei Bedarf Informationen untereinander oder mit einer zentralen Koordinationsebene austauschen zu können, werden die integrativen Bauelemente digital vernetzt. Wie sich die zugrundeliegende Informationsstruktur optimal gestalten und autonom an sich ändernde Anforderungen anpassen lässt, ist ebenfalls Teil der Untersuchungen von B04.

Herkömmliche Regelungsstrukturen können typischerweise nicht auf drastische parametrische, strukturelle Änderungen im Lebenszyklus des Gebäudesystems reagieren. Im vorliegenden Teilprojekt werden daher rekonfigurierbare Regelungen erforscht, die sich autonom an Änderungen des Systems anpassen. Indem sie sich auf die Behandlung von Aktorausfällen fokussiert, trägt die rekonfigurierbare Regelung signifikant zur Erhöhung der Ausfallsicherheit des Gesamtsystems bei.

Neben dem regelmäßigen Austausch gewonnener Erkenntnisse mit den übrigen Teilprojekten liefert B04 beispielsweise Informationen zur Hard- und Softwarestruktur der Steuerung und Regelung an B03, um dort die Zuverlässigkeit betrachten und optimieren zu können.

© ISYS | Quelle: Universität Stuttgart

Simulation eines geregelten Tragwerks

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny, Institut für Systemdynamik

Ansprechpersonen

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Dipl.-Ing.

Michael Böhm

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M. Sc.

Julia Wagner

Wissenschaftliche Mitarbeiterin